計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)新方法的探討

摘要：本文以培養(yǎng)創(chuàng)新與設(shè)計(jì)型人才為目標(biāo)，介紹我院“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革的具體措施及實(shí)施后的效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn);CPU; EDA; 教學(xué)改革

中圖分類號：G64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號：1672-5913（2007）04-0052-05

1 引言

“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。該課程的目的是讓學(xué)生通過實(shí)踐環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試出一臺(tái)簡單的教學(xué)型模型機(jī)（CPU），從而掌握計(jì)算機(jī)組成原理部件的工作原理，建立整機(jī)概念。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)理論知識(shí)，自主獲取知識(shí)，有效地提高了分析問題和解決問題的能力。

在學(xué)院適應(yīng)信息科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)體系思想的指導(dǎo)下，圍繞創(chuàng)建科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新的基本環(huán)境，我們以培養(yǎng)具有創(chuàng)新與設(shè)計(jì)基本能力的高素質(zhì)人才為目的和定位，經(jīng)過六年的實(shí)踐，摸索出一套新型的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法與管理模式。下面詳細(xì)敘述之。

2 具體實(shí)施方案

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革

計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課多年來一直采用傳統(tǒng)的芯片搭電路的方法，此方法過于陳舊，限制了學(xué)生能動(dòng)性的發(fā)揮。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入現(xiàn)代EDA技術(shù)是必然趨勢。

在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中我們引入該技術(shù)，采用先進(jìn)的虛擬設(shè)計(jì)及仿真軟件工具，結(jié)合自主研發(fā)的DDA實(shí)驗(yàn)箱，可以設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的五大功能部件，實(shí)現(xiàn)了指令的調(diào)度等先進(jìn)技術(shù)的驗(yàn)證和性能分析實(shí)驗(yàn)。

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的改革及教材建設(shè)

EDA技術(shù)的發(fā)展已從根本上改變了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)模式，我們必須適應(yīng)這一趨勢。其次，為進(jìn)一步配合開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，先后研發(fā)了適用于高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多種教學(xué)平臺(tái)，并開發(fā)了相應(yīng)的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”能用多種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，解決了硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題，使這門實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

屬于國家級科研項(xiàng)目的新一代DDAIII型設(shè)計(jì)平臺(tái)，2005年通過鑒定（以國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院陳火旺院士為主任委員的鑒定委員會(huì)），達(dá)到國際先進(jìn)水平。實(shí)驗(yàn)軟件工具緊跟國際步伐，引入了高級的虛擬設(shè)計(jì)與仿真軟件工具QuartusⅡ，并加入了后期測試工具邏輯分析儀。目前我們正由“DDAⅠ型設(shè)計(jì)平臺(tái)＋MaxplusⅡ” 改為“DDAⅢ型設(shè)計(jì)平臺(tái)＋QuartusⅡ”。

我們還編寫了配套實(shí)驗(yàn)教材，每年修改并增加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過五年的實(shí)踐教學(xué)，該教材已獲得湖南大學(xué)出版社2006圖書出版基金資助出版。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)計(jì)劃大綱要求，結(jié)合工程實(shí)際來確實(shí)，充分考慮了可操作性與可行性。基于EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的CPU設(shè)計(jì)的靈活性很大，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的CPU。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的最終目的是讓學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出CPU，但首先，學(xué)生必須知道CPU的各個(gè)功能部件如何工作，以及相互之間是如何配合構(gòu)成CPU的。因此，為滿足教學(xué)需要，我們自己先設(shè)計(jì)出一個(gè)教學(xué)用的八位模型機(jī)。

根據(jù)這一模型機(jī)再設(shè)計(jì)出一套實(shí)驗(yàn)。包括：總線傳輸實(shí)驗(yàn)；八位運(yùn)算器的組成及復(fù)合運(yùn)算實(shí)驗(yàn)；存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)；時(shí)序電路的組成、控制原理實(shí)驗(yàn)；微程序控制器實(shí)驗(yàn)；模型機(jī)組成與程序運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；由于本期實(shí)驗(yàn)課程為64學(xué)時(shí)，我們將每個(gè)模塊劃分為軟件部分和硬件調(diào)試兩部分。這些實(shí)驗(yàn)相互關(guān)聯(lián)形成一個(gè)系統(tǒng)。另外還安排了部分選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如下表中的15-23項(xiàng)），可用不同的方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)CPU，以供同學(xué)選擇，滿足不同層次學(xué)生的需要。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下（所用設(shè)備為：PC機(jī)、自制DDA實(shí)驗(yàn)箱、邏輯分析儀）：

(4)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織、方法

培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰驮O(shè)計(jì)創(chuàng)新能力是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo)。為了貫徹這一指導(dǎo)思想，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)我們采用半開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，課堂上教師只是啟發(fā)性的講解各模塊的工作原理，其余部分全部由學(xué)生獨(dú)立完成。每位學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)并根據(jù)自己的實(shí)際能力除在規(guī)定的上課時(shí)間內(nèi)完成必做的14個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還有9個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可選做，完成選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目者可適當(dāng)加分。實(shí)驗(yàn)室全天開放，學(xué)生除上課時(shí)間外可自由來實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。任課教師除上課時(shí)間外，每周還安排了多次答疑時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)中的模塊我們只給出框圖，其具體內(nèi)容要求學(xué)生自己用電路圖或VHDL硬件描述語言完成。在編譯調(diào)試過程中遇到困難盡量由學(xué)生根據(jù)理論所學(xué)內(nèi)容自己解決，并記錄在實(shí)驗(yàn)日志中，讓教師充分了解每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。另外每個(gè)模塊還設(shè)置了障礙讓學(xué)生修改，提高他們的實(shí)驗(yàn)興趣。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排遵循驗(yàn)證與設(shè)計(jì)相結(jié)合，注重基礎(chǔ)，突出應(yīng)用的原則。

實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按圖1的流程運(yùn)行，課上課下相結(jié)合，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格遵循課前預(yù)習(xí)、課堂訓(xùn)練、課后準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)調(diào)試（實(shí)驗(yàn)日志記錄）、驗(yàn)收、測試的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。其中實(shí)驗(yàn)日志記錄環(huán)節(jié)是這學(xué)期實(shí)行的新舉措，它是通往實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)收之路的咽喉。它將貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，體現(xiàn)學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)的情況，是學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要證明。學(xué)生應(yīng)當(dāng)認(rèn)真對待，給出手寫稿。實(shí)驗(yàn)日志按時(shí)間順序主要記錄：實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中遇到的問題及解答（必做）；回答實(shí)驗(yàn)教材中以及教師課堂上提出的思考題（必做）；學(xué)生結(jié)合背景知識(shí)，由實(shí)驗(yàn)中某部分引申，提出的一些看法（選做，老師視情況給予加分）。

(5)制定嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)考核制度

為了規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們制定了嚴(yán)格的考核制度。對學(xué)生的成績我們綜合其課堂訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收、實(shí)驗(yàn)日志、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、平時(shí)開放實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)測試等進(jìn)行評定。特別是最后的實(shí)驗(yàn)測試，對每位同學(xué)給出不同的題目，學(xué)生必需根據(jù)所給題目修改電路、編寫測試程序、最后下載到實(shí)驗(yàn)箱正確調(diào)試出結(jié)果。這大大地減少了學(xué)生之間抄襲實(shí)驗(yàn)的惡劣現(xiàn)象。具體評分標(biāo)準(zhǔn)如下：

實(shí)驗(yàn)總成績（100%）=平時(shí)成績1（40%）+ 平時(shí)成績2（40%）+ 測試成績（20%）；

平時(shí)成績1=實(shí)踐操作總成績（綜合考查課堂訓(xùn)練+實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)收，考慮用百分比分等級）；

平時(shí)成績2=預(yù)習(xí)報(bào)告總成績（10%）+ 實(shí)驗(yàn)日志實(shí)驗(yàn)報(bào)告總成績（30%）；

實(shí)踐操作總成績、預(yù)習(xí)報(bào)告總成績、實(shí)驗(yàn)日志總成績（下全簡寫為總成績）計(jì)算公式如下：

實(shí)驗(yàn)考核表格中的項(xiàng)目設(shè)置：

課堂訓(xùn)練：等級法表示，例：A等=0.9 ， B等=0.8 ，C等=0.7 ，D等=0.6 。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收：等級法表示。

預(yù)習(xí)報(bào)告：百分制。

實(shí)驗(yàn)日志、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：百分制。

測試成績：百分制。

3 方案實(shí)施后的實(shí)驗(yàn)效果

這套新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理模式應(yīng)用于本期2004級十個(gè)班的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。課程結(jié)束后我們進(jìn)行了問卷調(diào)查，學(xué)生普遍認(rèn)為這門實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容安排由淺入深，由部分到整體，各模塊環(huán)環(huán)相扣，便于引導(dǎo)初學(xué)者扎根于基礎(chǔ)，每一次實(shí)驗(yàn)都能在清晰的思路下完成，每完成一次實(shí)驗(yàn)都非常有成就感；同時(shí)又能吸引他們繼續(xù)深入，最終完成CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。當(dāng)他們調(diào)試CPU時(shí)那種喜悅的心情無法用言語表達(dá)；“預(yù)習(xí)-日志-報(bào)告”三環(huán)相接的方法便于讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)理解得更加透徹，同時(shí)杜絕了學(xué)生的惰性行為；實(shí)驗(yàn)室的開放又極大的方便了同學(xué)細(xì)心鉆研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；手寫日志、報(bào)告及實(shí)驗(yàn)測試方法很大程度上減少了實(shí)驗(yàn)抄襲現(xiàn)象。

學(xué)生反映這門實(shí)驗(yàn)課是他們投入最多的一門課，很充實(shí)，學(xué)到了很多知識(shí)；提高了他們對理論課的興趣，加深了對理論的理解；同時(shí)也提高了他們分析問題，解決問題的能力。總之，學(xué)生感覺這門實(shí)驗(yàn)課收獲很大，是他們進(jìn)大學(xué)后做過的“最痛苦”、“最耗時(shí)”、“最快樂”、“最難忘”的實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革經(jīng)過六年的實(shí)踐摸索，現(xiàn)已取得階段性成果。半開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成功在我院2000、2001、2002、2003、2004級學(xué)生中試行。現(xiàn)有的課程內(nèi)容安排、組織、管理及考核模式極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。興趣是最好的老師，學(xué)生能主動(dòng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自主學(xué)習(xí)、自主發(fā)現(xiàn)、自主探索。

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)更是日新月異。因此，計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式、方法也需不斷更新變化。改革是一個(gè)持續(xù)不斷的過程，需要我們不斷的研究與探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方愷晴. 基于EDA技術(shù)的教學(xué)型CPU的設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005(9).

[2] 呂海蓮. 基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)模式探索[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2005(增刊):88-89.

投稿日期：2006-08-20

作者簡介：方愷晴（1969.12-），女（漢族），湖南長沙人，本科，高級工程師。