計算機(jī)組成原理課程實驗教學(xué)探討

楊澤雪 閔莉 王建偉

摘要：針對計算機(jī)組成原理課程理論和實驗教學(xué)的特點，分析實驗教學(xué)存在的問題，提出通過計算機(jī)組成原理虛擬實驗系統(tǒng)和新型三段式實驗項目加強(qiáng)實驗教學(xué)，該項目包括設(shè)計一個初始指令集、設(shè)計一個數(shù)據(jù)通路和控制單元、為處理器編寫模擬器3個部分，說明通過該項目學(xué)生可以開發(fā)和模擬自己的處理器，從而提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)組成原理；計算機(jī)專業(yè)；實驗教學(xué)；虛擬實驗系統(tǒng)；處理器

引 言

計算機(jī)組成原理是計算機(jī)專業(yè)本科生必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在計算機(jī)系統(tǒng)層次中具有承上啟下的作用，是學(xué)習(xí)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等后續(xù)課程的基礎(chǔ) 。計算機(jī)組成原理主要講解計算機(jī)的硬件組成及整機(jī)的工作原理，課程的內(nèi)容主要包括運算器、控制器、存儲器、CPU、總線、指令系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)等 。計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)應(yīng)建立在硬件、軟件組成的系統(tǒng)平臺上，不應(yīng)被理解為單純的硬件課程，還需要用到匯編語言和操作系統(tǒng)等方面的知識。課程目的也不應(yīng)該只局限在學(xué)習(xí)硬件知識上，而更應(yīng)該立足于如何利用課程學(xué)習(xí)到的計算機(jī)各部件的工作原理設(shè)計實現(xiàn)實用的系統(tǒng)，使學(xué)生具有較強(qiáng)的計算機(jī)應(yīng)用能力和創(chuàng)造力。

為了實現(xiàn)理論和實踐的結(jié)合，計算機(jī)組成原理的實驗教學(xué)非常重要。實驗教學(xué)在教學(xué)計劃中占據(jù)相當(dāng)大的比重，只有抓住實踐環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生把理論知識真正轉(zhuǎn)化成自己的能力。

1 課程理論和實踐教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 理論教學(xué)現(xiàn)狀

對于計算機(jī)組成原理的理論教學(xué)，國內(nèi)外模式存在較大差異。國外的教學(xué)主要以學(xué)生為主，通過給學(xué)生布置研究性課題或仿真性課題、閱讀文獻(xiàn)，讓學(xué)生自主完成課程的學(xué)習(xí)；學(xué)生可以在完成課題的過程中學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟計算機(jī)各部件的組成及工作原理，通過完成閱讀性作業(yè)擴(kuò)展自己的知識面，能夠更好地達(dá)到課程要求的理淪和實踐相結(jié)合的目標(biāo) 。國內(nèi)的教學(xué)主要以教師為主，通過課堂教學(xué)和課內(nèi)實驗完成教學(xué) ；而課堂教學(xué)主要依靠教師的單向性講解給學(xué)生灌輸相關(guān)的基本概念和知識，學(xué)生與教師之間缺少交流，一旦跟不上教師節(jié)奏，學(xué)生將失去學(xué)習(xí)的興趣；課后的閱讀量比較小，大多數(shù)學(xué)生主要以通過考試為目的；課內(nèi)實驗大多以驗證性實驗為主，很難達(dá)到理論和實踐相結(jié)合的日標(biāo)。

1.2 實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

目前在很多學(xué)校計算機(jī)組成原理的實踐教學(xué)得不到重視，整門課程大多以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔，實驗學(xué)時只占課程的1/4，而且實驗課程內(nèi)容陳舊。輔助實踐教學(xué)的計算機(jī)組成原理課程設(shè)計也應(yīng)該在本課程中占據(jù)重要作用，而這方面實施效果不是很好，導(dǎo)致該課程以學(xué)為用的宗旨難以實現(xiàn)。在實踐教學(xué)方面，主要存在以下幾方面的問題。

1）實驗設(shè)備與實驗內(nèi)容落后。

大多數(shù)實驗設(shè)備都是某些公司開發(fā)的，更新困難，導(dǎo)致實驗內(nèi)容陳舊，只是一些最簡單最基本的驗證性實驗。而計算機(jī)發(fā)展迅速，實驗設(shè)備和實驗內(nèi)容很難跟上新技術(shù)的發(fā)展，使得實驗缺乏創(chuàng)新性和自主性。

2）實驗內(nèi)容層次少。

大多數(shù)實驗以驗證性實驗為主，缺少綜合性的設(shè)計實驗和自主性的創(chuàng)新實驗。驗證性實驗只是機(jī)械地完成實驗步驟，即使不懂得內(nèi)部工作原理也能完成實驗，學(xué)生要想完成一個綜合性的計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計很困難。

3）實驗考核方法不合理。

課程的考核主要以理論成績?yōu)橹鳎瑢嶒灢糠忠蟛桓?，而實驗的考核方法單一，主要以提交實驗報告為主，考核以小組為單位進(jìn)行實驗，組內(nèi)有些同學(xué)敷衍了事，考核結(jié)果不夠公正。

2 實驗課程改進(jìn)方法

2.1 建立計算機(jī)組成原理課程的虛擬實驗系統(tǒng)

在計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)中，實驗作為學(xué)生深刻理解理論知識的一個重要方面，成為教學(xué)中不可缺少的重要組成部分。虛擬實驗系統(tǒng)是現(xiàn)代教育系統(tǒng)中一種重要的教學(xué)資源，對實現(xiàn)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量有重要的意義。

虛擬實驗系統(tǒng)是組成原理實驗教學(xué)手段的有效補(bǔ)充。絕大部分學(xué)校的實驗設(shè)備都無法百分之百滿足所有學(xué)生需求，而且組成原理的實驗設(shè)備還具有更新快、價格昂貴等難以克服的問題，模擬實驗軟件以其低成本、高效率等特點成為組成原理實驗教學(xué)不可或缺的部分。豐富的模擬元件和參數(shù)設(shè)置提高了實驗的靈活性，降低了學(xué)校的實驗成本，還可以有效避免實驗中真實物理器件的損耗，擴(kuò)充組成實驗的范圍和空間。圖1給出了計算機(jī)組成原理虛擬實驗系統(tǒng)功能圖。

虛擬實驗系統(tǒng)給出了實驗操作過程，包括運算器組成實驗、存儲器組成實驗、控制器工作原理實驗和輸入輸出系統(tǒng)實驗，使學(xué)生更好地理解課堂所學(xué)的原理，更好地提高學(xué)生的綜合分析能力、動手能力和解決問題的能力，教師也能更方便地開展教學(xué)。

2.2 設(shè)置計算機(jī)組成原理綜合實驗項目

在課內(nèi)實驗設(shè)置上，可以將實驗分成驗證性、設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新型4種類型，而除了驗證性為必修實驗外，其他幾類可以通過課內(nèi)大作業(yè)形式完成，基于學(xué)時的限制，還可以增加課程設(shè)計的環(huán)節(jié)。

例如可以開發(fā)一個新型的由3部分組成的項目，要求學(xué)生開發(fā)和模擬自己的處理器。學(xué)生分組設(shè)計并對自己的指令集進(jìn)行編碼，設(shè)計一個執(zhí)行其指令集的數(shù)據(jù)通路和微控制指令，并在計算機(jī)上模擬其處理器的模型。該項目給學(xué)生自由發(fā)揮的空間，讓學(xué)生設(shè)計自己的指令集，同時要求他們?yōu)樽约旱闹噶罴幋a并編譯一個小程序。通過為他們的處理器建立一個模擬器，學(xué)生可以真正看到在自己的處理器上運行的程序。項目不需耍特殊的硬件或軟件，也不要求學(xué)生有深厚的數(shù)字邏輯設(shè)計或編程經(jīng)驗。

該項目包括設(shè)計一個初始指令集、設(shè)計一個數(shù)據(jù)通路和控制單元以及為處理器編寫模擬器3個組成部分。通過該項目，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了處理器的工作過程，而且體驗了設(shè)計處理器的過程，還以模擬器的方式學(xué)習(xí)了如何在實際的計算機(jī)結(jié)構(gòu)研究過程巾評價處理器的性能。

2.2-1 設(shè)計指令集

首先要求學(xué)生設(shè)計和編寫自己的指令集，需要確定機(jī)器中應(yīng)該包含哪些寄存器，創(chuàng)建一個機(jī)器指令序列，并且對每個指令編寫一個唯一的二進(jìn)制代碼。可限制為同定長度的8位編碼，指令存儲在至少256個字節(jié)的存儲器中，不允許復(fù)制一個現(xiàn)有的指令集。指令集至少包含寄存器和存儲器之問的數(shù)據(jù)傳輸指令、基本的算術(shù)運算指令和條件控制指令。表l給出了一個指令集的例子。

學(xué)生設(shè)計的指令集可能與MIPS是相同的，提交的說明書可能與MIPS指令集具有相同的格式和日的，而區(qū)別往往在于指令的名字不同。這在學(xué)生初次實現(xiàn)這個項目時是允許的，但可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計多樣化的指令集，例如8080，8086，JVM，PDP-8等。

另外，學(xué)生設(shè)計的指令集可能過于龐大。對于好的學(xué)生，可能傾向于制定具有很多層的復(fù)雜機(jī)器，而對于沒有很好理解課程內(nèi)容的學(xué)生來說，可能設(shè)計容易理解但是執(zhí)行復(fù)雜的指令，比如浮點算術(shù)運算或結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計中的while循環(huán)概念，一般省略分支指令。這種情況教師可以引導(dǎo)學(xué)生刪除某些指令，比做大的修改更容易。

2.2.2設(shè)計數(shù)據(jù)通路

這部分要求學(xué)生設(shè)計執(zhí)行指令集的數(shù)據(jù)通路和控制單元，需要說明數(shù)據(jù)通路的詳細(xì)工作過程。數(shù)據(jù)通路需包含寄存器組，包括程序汁數(shù)器、指令寄存器、ALU、多路復(fù)用器、寄存器堆、符號擴(kuò)展單元以及將各部件進(jìn)行連接的導(dǎo)線等。數(shù)據(jù)通路不需要給出控制機(jī)器狀態(tài)，控制多路復(fù)用器的輸入，對各個寄存器的時鐘輸入等過程。學(xué)生需要提交控制代碼，每條指令的控制代碼需要根據(jù)一系列的微組合指令序列來編寫。對于每條微組合指令，學(xué)生需要指定需要輸入控制的每個多路復(fù)用器和設(shè)備的狀態(tài)，也要指定哪個奇存器接收指令的數(shù)據(jù)。

當(dāng)學(xué)生設(shè)計數(shù)據(jù)通路時，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)通路無法執(zhí)行指令情況。這有可能是因為濫用總線導(dǎo)致的，所以要求學(xué)生禁用總線，并畫出所有部件之間的導(dǎo)線，使數(shù)據(jù)通路更清晰并且正確。

2.2.3設(shè)計模擬器

這個部分要求編寫一個處理器的模擬器。為了證明自己的模擬器運行正常，研究其處理器的效率，該項目要求學(xué)生在他們的模擬器上執(zhí)行由他們的指令集中指令編寫的具有不同大小數(shù)據(jù)的程序。完成后，學(xué)生必須提交他們的模擬器代碼，模擬器輸出文件，并報告討論他們的處理器的性能。

該處理器模擬器可以采用C或Java編寫，還包括寄存器、RAM和機(jī)器的其他組件。模擬器必須是周期準(zhǔn)確的，這意味著每個微組合控制指令必須進(jìn)行建模。將由指令集編寫的程序代碼裝入模擬RAM陣列來開始模擬過程，并將模擬的結(jié)果寫入到一個輸出文件中，用以驗證他們的程序工作正常。該模擬器還打印出執(zhí)行的指令和模擬周期的數(shù)目，從而評估其處理器的指令性能。

3 結(jié)語

后期我們會將虛擬實驗系統(tǒng)和綜合實驗項目應(yīng)用于學(xué)校的實際教學(xué)中，并在實踐中進(jìn)行完善，結(jié)合該課程理論和實踐教學(xué)的特點，研究該計劃的后續(xù)發(fā)展方向，形成該課程的完整實驗教學(xué)方案，對計算機(jī)硬件人才的培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。