西部地、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境與改進(jìn)

池濤等

摘要分析了當(dāng)前西部地區(qū)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的不足，提出了工程導(dǎo)向?qū)嶒?yàn)教學(xué)方法，借助開發(fā)工具變抽象為具體，構(gòu)建過程化的實(shí)驗(yàn)考核體系。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課前預(yù)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，并利用Quartus軟件對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)；重視實(shí)驗(yàn)過程創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建立“驗(yàn)證性[CD4/5]設(shè)計(jì)性[CD4/5]創(chuàng)新性”三級實(shí)踐設(shè)計(jì)，將FPGA技術(shù)嵌入到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，解決沒有體系的情況下完成關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)難題；規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告，建立以實(shí)驗(yàn)過程描述為主、實(shí)驗(yàn)問題解決方案為輔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以案例形式將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用到理論教學(xué)模式大大調(diào)動了學(xué)生的主動性，提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Quartus軟件仿真；FPGA；工程導(dǎo)向；計(jì)算機(jī)組成原理

中圖分類號G6420文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號10054634（2015）05009204

0引言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，以單機(jī)系統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)講解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的邏輯組成與工作機(jī)制，建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。課程涉及的知識面廣、概念多，其工作原理講解比較抽象，學(xué)生普遍對該課程學(xué)習(xí)有懼怕情緒。特別是西部學(xué)生，對電腦的興趣僅僅停留在計(jì)算機(jī)認(rèn)識的表面，熱衷玩游戲，喜軟件怕硬件，缺乏對計(jì)算機(jī)內(nèi)在知識的認(rèn)識和了解，造成了學(xué)生普遍感到課程抽象難懂，很難實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

國外已有的研究成果主要包括EDA工具和FPGA芯片。常用的EDA工具是Altera公司的Quartus Ⅱ，內(nèi)嵌自帶綜合器和仿真器，可通過原理圖或VHDL來具體設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的功能部件，完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程，屬于軟件仿真設(shè)計(jì)。FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）芯片技術(shù)，可根據(jù)用戶要求載入不同的邏輯，通過編程實(shí)現(xiàn)不同的硬件邏輯，具有可編程性、高集成度、開發(fā)周期短、硬件升級空間大等優(yōu)點(diǎn)，屬于純硬件設(shè)計(jì)。

國內(nèi)的研究主要體現(xiàn)在軟件模擬和基于EDA/FPGA實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。前者以面向?qū)ο蟮乃枷?，借助于圖形、圖像和模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)軟件模擬模型的設(shè)計(jì)。后者采用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，通過不同的算法來實(shí)現(xiàn)電路的邏輯功能，把傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)移植到基于CPLD的設(shè)計(jì)思想上，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率和可擴(kuò)展性。另一方面，國內(nèi)的研究成果主要集中在教學(xué)模式和教學(xué)方法的探索與研究。廣西教育廳科研項(xiàng)目提出了“以學(xué)生為主體互動式的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)模式”；河北省教育廳2009年自然科學(xué)研究項(xiàng)目對計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，采用多種教學(xué)方法相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目對計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行了研究和探索，提出了利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體構(gòu)架教與學(xué)體系；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目采用Flash Action Script設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算機(jī)組成原理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用動畫動態(tài)演示程序運(yùn)行時硬件的變化情況；湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題研究了計(jì)算機(jī)組成原理的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。上述這些研究都是針對特定地區(qū)學(xué)生的具體問題展開，其研究成果已應(yīng)用到具體的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文是以喀什師范學(xué)院為例，以西部地區(qū)高校計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)教學(xué)為研究對象，展開調(diào)研和教學(xué)改革，并運(yùn)用到具體教學(xué)中。西部高校生源大多來自本地區(qū)或其他西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)，特別是新疆少數(shù)民族學(xué)生主要來自農(nóng)村（尤其是南疆地區(qū)），近30%的學(xué)生中小學(xué)幾乎沒有接觸過計(jì)算機(jī)，僅僅會使用聊天軟件，對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識一無所知；其次，西部高校普遍重理論輕實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用“教師演示，學(xué)生模擬”，教學(xué)方法單一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有針對性，所以實(shí)驗(yàn)效果不理想，造成了西部高校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生動手能力總體不如內(nèi)地高校的學(xué)生狀況。

1西部地區(qū)計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境分析

《計(jì)算機(jī)組成原理》是喀什師范學(xué)院信息系的一門核心課程，課程涉及內(nèi)容多、聯(lián)系面廣、難度大、內(nèi)容抽象。針對累加器、寄存器、加法器和控制器的功能只能借助原理圖來講解，教學(xué)中存在理論與實(shí)踐脫節(jié)，民、漢學(xué)生普遍感到課程枯燥、抽象難懂。由于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，特別是民族學(xué)生缺乏對計(jì)算機(jī)內(nèi)在知識的認(rèn)識，逐漸對課程產(chǎn)生畏懼心理。

另一方面，課程強(qiáng)調(diào)為學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念，培養(yǎng)學(xué)生在硬件方面的專業(yè)素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要組成。但是，喀什師范學(xué)院的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還沒有形成獨(dú)立的教學(xué)體系，僅僅作為理論教學(xué)的一個附屬品存在，實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍是注入式教學(xué)階段，采用分組演示和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維方法的形成。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師簡單講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生按操作步驟完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，得到預(yù)期結(jié)果。實(shí)驗(yàn)課采用專用實(shí)驗(yàn)箱，基本線路已經(jīng)固定，學(xué)生只需連接少量的連線，做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)機(jī)房，學(xué)生注重的是電路連線，以便盡快完成實(shí)驗(yàn)，對每個芯片的功能和工作邏輯缺乏研究，更不會對整個實(shí)驗(yàn)的電路結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。即使做完了實(shí)驗(yàn)，也無法認(rèn)識內(nèi)部機(jī)理。同時，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次少，實(shí)驗(yàn)考核方法不合理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次少主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主，缺少綜合性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和自主性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)考核多以小組為單位，每組僅少數(shù)學(xué)生認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、多數(shù)學(xué)生蒙混過關(guān)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量不高，直接從《實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》上大段摘抄的實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟千篇一律，沒有學(xué)生自行思考的環(huán)節(jié)及內(nèi)容，根本不能做到理論聯(lián)系實(shí)際，無法真正培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是改變目前注入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的必要途徑。教師通過改革教學(xué)方法和內(nèi)容，促使學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。首先，結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真軟件，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)質(zhì)量；其次，重視實(shí)驗(yàn)過程，改變單純驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，建立學(xué)生手腦共用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑浞职l(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新能力；最后，以案例的形式將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于理論教學(xué)上，使理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合；最后，構(gòu)建過程化的實(shí)驗(yàn)考核體系，科學(xué)量化實(shí)驗(yàn)成績，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和效果。

21實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革是要摒棄“教師先示范，學(xué)生模仿完成實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革緊緊圍繞“借助開發(fā)工具，變抽象為具體”的基本思想，通過利用Quartus軟件仿真設(shè)計(jì)和基于FPGA實(shí)驗(yàn)箱硬件設(shè)計(jì)，采用多種教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

1） 利用Quartus仿真軟件，建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)課前預(yù)習(xí)制度。每次實(shí)驗(yàn)課前，教師先介紹實(shí)驗(yàn)原理和基本芯片功能，學(xué)生必須仔細(xì)查閱芯片資料。在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，利用Quartus仿真軟件完成實(shí)驗(yàn)的原理圖仿真設(shè)計(jì)。由于Quartus軟件可以裝到學(xué)生自己的計(jì)算機(jī)中，每個學(xué)生都可以自行設(shè)計(jì)，所以不需要專門硬件知識和硬件設(shè)備。這樣操作的優(yōu)點(diǎn)，可以讓學(xué)生關(guān)注計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的邏輯組成與工作機(jī)制，建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。

2） 利用計(jì)算機(jī)動畫演示，把一些抽象知識直觀顯示。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、難度大、過程描述抽象。例如，如何實(shí)現(xiàn)總線、指令以及控制器的工作流程只能靠一些原理圖來講解，學(xué)生學(xué)起來枯燥、抽象、難以理解。引入計(jì)算機(jī)動畫演示，可以把時序概念直觀顯示出來，增加學(xué)生對抽象知識的感性認(rèn)識。

3） 利用FPGA技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程電子電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用的是Xilinx公司基于FPGA技術(shù)的BASYS2實(shí)驗(yàn)平臺，選用Verilog HDL硬件描述語言?？紤]到學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過FPGA相關(guān)課程，把所有關(guān)鍵器件進(jìn)行模塊化封裝。學(xué)生采用模塊調(diào)用的方法，以各部件的數(shù)據(jù)流和控制流的協(xié)調(diào)運(yùn)行為基礎(chǔ)，以完成各個器件的設(shè)計(jì)和定義。

4） 構(gòu)建過程化的實(shí)驗(yàn)考核體系。過程化的成績評定方法是將實(shí)驗(yàn)成績評價覆蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程。成績由六個部分組成，包括預(yù)習(xí)完成情況、實(shí)驗(yàn)出勤率、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)問題解答、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)六個成績。

22實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

將整個實(shí)驗(yàn)分為三個層次：基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了“驗(yàn)證性[CD4/5]設(shè)計(jì)性[CD4/5]創(chuàng)新性”三層實(shí)踐環(huán)節(jié)。

1） 基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。根據(jù)西部高校學(xué)生現(xiàn)狀，特別是民族學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)校首先引入了計(jì)算機(jī)硬件組裝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^學(xué)生自己動手組裝，理解主機(jī)板、CPU、內(nèi)存條、硬盤，將所學(xué)知識與實(shí)際的計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，建立起感性認(rèn)識，激起學(xué)習(xí)興趣，為后繼教學(xué)打下基礎(chǔ)?；A(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要針對于計(jì)算機(jī)關(guān)鍵器件的工作原理和邏輯連接。目前，建立了三個基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：8位進(jìn)位并行加法器設(shè)計(jì)、快速乘法器設(shè)計(jì)、靜態(tài)隨機(jī)存儲器設(shè)計(jì)。

2） 設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上完成的，學(xué)生通過自己設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部分，主要在指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制單元設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)只給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求學(xué)生自己查閱資料，自己進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和論證，教師只是簡單提示操作步驟和注意事項(xiàng)，以供學(xué)生參考。實(shí)驗(yàn)最大限度的發(fā)揮了學(xué)生的動手能力和分析解決問題能力。對于在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，教師應(yīng)采用提示和建議，盡可能讓學(xué)生自己動手解決。目前，建立了三個設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)：系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)、組合邏輯控制器設(shè)計(jì)和微程序控制器設(shè)計(jì)。

3） 綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中最后一個環(huán)節(jié)，它沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，以小組為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。微處理器設(shè)計(jì)作為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，將功能描述作為評價因子，微處理器設(shè)計(jì)面向應(yīng)用，可以側(cè)重運(yùn)算和控制，最終根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的完整性和復(fù)雜性來評價實(shí)驗(yàn)完成的質(zhì)量，給出相應(yīng)成績，以激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情。

3工程導(dǎo)向?qū)嶒?yàn)教學(xué)融合案例

本課程選用的教材是唐朔飛主編的《計(jì)算機(jī)組成原理》，選用教材中的內(nèi)容做實(shí)驗(yàn)，保持了實(shí)驗(yàn)與教材內(nèi)容的基本一致行。采用基本模型機(jī)為基礎(chǔ)，以工程導(dǎo)向?yàn)閰⒄談澐譃榱鶄€模塊?；灸Ｐ蜋C(jī)的頂層原理圖如圖1所示，其中包括實(shí)驗(yàn)1～4中的六個模塊。

[TP池濤t01tif，BP]

[BT7]圖1計(jì)算機(jī)組成基本模型機(jī)的頂層原理圖[HJ5mm]

1） 頂層原理圖設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和要求，完成面向工程的小系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選用合適的器件，完成各器件之間的邏輯連接。接著進(jìn)行地址線和數(shù)據(jù)線定義和連接，然后完成控制信號的定義和連接，最終完成原理圖設(shè)計(jì)。本階段的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)是選用合適的芯片。只有充分分析和理解各個芯片的功能和工作原理，才能保證所選芯片正確以及所有的邏輯連接正確，確保連接信號的完整性和無二義性，這是設(shè)計(jì)出正確無誤的原理圖的基礎(chǔ)。

2） 基于VHDL端口定義和調(diào)用。正確完成了原理圖設(shè)計(jì)，還需要對所有芯片進(jìn)行時序控制和控制信號設(shè)計(jì)，完成基于VHDL語言接口及事件定義。例如，在ALU設(shè)計(jì)中，要求實(shí)現(xiàn)6種基本操作：加、減、乘、除、移位和清零，并把結(jié)果存入寄存器C中。用VHDL實(shí)現(xiàn)ALU時，首先需要學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個框圖作為ALU器件，并定義其引腳，由于要完成六種運(yùn)算，需建立組合邏輯電路。在定義其運(yùn)算過程時應(yīng)考慮其時序特性，在VHDL中可以通過使用類屬定義來實(shí)現(xiàn)。

3） FPGA實(shí)現(xiàn)。完成了VHDL定義后，需要將所有實(shí)驗(yàn)邏輯下載到FPGA芯片中，進(jìn)行硬件仿真調(diào)試。這是基于門陣列邏輯電路的測試，運(yùn)行過程和結(jié)果都以電平邏輯呈現(xiàn)，特別是時序特征更是難以觀察，所以需要設(shè)定專門的輸入端口和輸出端口。例如，筆者可以使用開關(guān)量作為輸入端口，輸出則連接LED燈，通過觀察LED燈亮暗狀態(tài)來查看輸出端口中的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步測試實(shí)驗(yàn)功能。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確，學(xué)生在排查問題時，只需要查看代碼和方案設(shè)計(jì)的合理性。

4結(jié)束語

本文分析了西部高校計(jì)算機(jī)組成原理在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容兩方面進(jìn)行了探索并提出了改進(jìn)措施。將這些改革措施運(yùn)用到了實(shí)際教學(xué)中，不但使學(xué)生從本質(zhì)上理解課程中枯燥的理論知識點(diǎn)，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力。此外，教師在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，一組進(jìn)行同屆民族班和漢班教學(xué)的對比實(shí)驗(yàn)，一組觀察兩屆民族班（一個大專班和一個本科生班）的教學(xué)效果。實(shí)踐證明，采用新的教學(xué)模式，大大調(diào)動了學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作的積極性，增強(qiáng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，收到了顯著的成效。

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