“計(jì)算機(jī)組成原理”中設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的教學(xué)探討

摘要：本文通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，在原理教學(xué)過(guò)程中引入設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，不僅加深了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成和工作原理的理解，同時(shí)提高了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913（2007）08-0003-03

1 引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門承前啟后、承上啟下的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，由于涉及知識(shí)面廣、內(nèi)容多、更新快，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，普遍覺(jué)得內(nèi)容抽象、難于理解。為了最大限度發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)基本原理和設(shè)計(jì)方法有一個(gè)清楚的了解，我們開設(shè)了配套的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。通過(guò)親自設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵部分，學(xué)生可以進(jìn)一步融會(huì)貫通理論教學(xué)內(nèi)容，提高其綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。同時(shí)，設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)也為后續(xù)課程“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”的開設(shè)打下良好基礎(chǔ)，將理論課和實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容更好的銜接，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性、協(xié)作精神和創(chuàng)新能力具有積極的作用。

本文主要介紹在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)踐工作，希望能對(duì)同行有一定的借鑒作用。

2 設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的內(nèi)容

通過(guò)對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)內(nèi)容的分析，并結(jié)合后續(xù)課程“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)需要，我們?cè)O(shè)置了三個(gè)部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，每個(gè)部分都有明確的教學(xué)目標(biāo)。第一部分為指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；第二部分為控制單元的設(shè)計(jì)；第三部分為簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。并要求每?jī)擅麑W(xué)生為一組，共同完成各個(gè)部分的設(shè)計(jì)任務(wù)。

2.1 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要安排在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程講授指令系統(tǒng)的過(guò)程中。這樣可以讓學(xué)生帶著問(wèn)題和任務(wù)更主動(dòng)地學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，充分地理論聯(lián)系實(shí)際，根據(jù)設(shè)計(jì)中對(duì)計(jì)算機(jī)功能和組成的要求來(lái)完成對(duì)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并可以在“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行完善。教學(xué)實(shí)踐表明，將計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)安排在“計(jì)算機(jī)組成原理”講授指令系統(tǒng)的過(guò)程中，可以讓學(xué)生在理論和實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上更深入地理解機(jī)器指令和指令系統(tǒng)之間的關(guān)系，掌握指令系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，還有利于對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的理解。

2.1.1 設(shè)計(jì)要求

要求為一個(gè)八位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路、運(yùn)算器都是八位的，具有256字節(jié)的存儲(chǔ)器、八個(gè)通用寄存器以及其他的必要部件。設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)要求必須包含如下指令和尋址方式：

（1）數(shù)據(jù)傳送指令：包括取數(shù)、存數(shù)，寄存器之間傳送數(shù)據(jù)等指令。取數(shù)、存數(shù)應(yīng)具有立即數(shù)、存儲(chǔ)器立即尋址、寄存器立即尋址等方式。

（2）運(yùn)算指令：包括加法、減法、自加1、移位、取反等算術(shù)運(yùn)算指令。

（3）轉(zhuǎn)移指令：無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、條件轉(zhuǎn)移指令。

（4）停機(jī)指令。

2.1.2 確定指令系統(tǒng)及指令編碼

由于設(shè)計(jì)的是八位計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，可以采用單字長(zhǎng)和雙字長(zhǎng)指令。例如，八位計(jì)算機(jī)的指令格式可以為：

一個(gè)完備的指令系統(tǒng)必須包括數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)邏輯運(yùn)算、程序控制等指令，能夠?qū)崿F(xiàn)約20~30條指令和常用的尋址方式，例如：

（1）取指令 （雙字長(zhǎng)指令）

MOV AC， Mi Mi-->AC （AC為累加器，Mi為存儲(chǔ)器地址）

（2）加法運(yùn)算指令（單字長(zhǎng)指令）

ADD AC，Ri AC＋Ri-->AC （AC為累加器，Ri為通用寄存器i）

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，表1給出了設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的一種方案。

指令系統(tǒng)的性能決定了計(jì)算機(jī)的基本功能，因而指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心問(wèn)題。一臺(tái)真實(shí)的計(jì)算機(jī)通常是非常復(fù)雜的，學(xué)生不可能在有限時(shí)間中設(shè)計(jì)出來(lái)。我們要求學(xué)生設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)功能較簡(jiǎn)單，基本指令簡(jiǎn)單、典型，學(xué)生容易掌握，也有利于后續(xù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開展。

2.2 控制單元的設(shè)計(jì)

控制單元的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)?；究刂茊卧脑O(shè)計(jì)問(wèn)題包括如何形成和連接受控部件的控制信號(hào)，以及在何時(shí)使這些控制信號(hào)有效。學(xué)生獨(dú)立地設(shè)計(jì)控制單元，不僅可以使學(xué)生剖析和體驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路和方法，為今后設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)打下初步基礎(chǔ)，而且可以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生有更多的想象空間和發(fā)揮空間。

2.2.1 設(shè)計(jì)要求

控制單元的設(shè)計(jì)有組合邏輯和微程序控制兩種方法，我們要求用組合邏輯來(lái)產(chǎn)生控制指令執(zhí)行的控制信號(hào)序列。整個(gè)設(shè)計(jì)需要綜合考慮，根據(jù)每個(gè)微操作對(duì)應(yīng)的邏輯表達(dá)式生成控制信號(hào)。

2.2.2 組合邏輯控制單元的設(shè)計(jì)

根據(jù)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)每一條指令進(jìn)行細(xì)化，對(duì)指令執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行分析，確定執(zhí)行每一條指令所需的微操作數(shù)及節(jié)拍數(shù)、確定系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)、以及確定每個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)的微操作，形成每條指令的微操作時(shí)間序列表。并根據(jù)微操作時(shí)間序列表，在節(jié)拍信號(hào)和指令譯碼信號(hào)的作用下，得到所有微操作的控制信號(hào)以及使該控制信號(hào)有效的條件，形成每個(gè)微操作對(duì)應(yīng)的邏輯表達(dá)式。根據(jù)邏輯表達(dá)式及其對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)產(chǎn)生電路，就可以完成具有整個(gè)指令系統(tǒng)的控制單元的設(shè)計(jì)。

控制單元的設(shè)計(jì)內(nèi)容我們有意識(shí)地安排在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程講授控制器的過(guò)程中。學(xué)生們對(duì)于課堂上講授的有關(guān)控制單元的原理、概念和設(shè)計(jì)方法并沒(méi)有直觀的印象，單純的理論學(xué)習(xí)難免枯燥，難以提起學(xué)生們的興趣。教學(xué)實(shí)踐證明，在“計(jì)算機(jī)組成原理”講授控制單元的過(guò)程中，學(xué)生們對(duì)自己在第一階段設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)中的每一條指令執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)八位字長(zhǎng)計(jì)算機(jī)的控制單元進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，可以把控制單元中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，可以有效加深對(duì)計(jì)算機(jī)工作中數(shù)據(jù)流和控制流概念的理解，進(jìn)一步弄清計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)空關(guān)系，并極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段，根據(jù)自頂向下的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的大體框架，即總體結(jié)構(gòu)圖，以求有一個(gè)大體的框架，對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作起到指導(dǎo)作用。再依據(jù)自頂向下的設(shè)計(jì)思想，把整個(gè)計(jì)算機(jī)劃分為多個(gè)模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后綜合，完成整個(gè)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.3.1 設(shè)計(jì)要求

要求設(shè)計(jì)一個(gè)八位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，該計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路、運(yùn)算器都是八位的，具有256字節(jié)的存儲(chǔ)器、八個(gè)通用寄存器以及其他必要部件。在功能上，要求該計(jì)算機(jī)能夠完成單字節(jié)或雙字節(jié)加/減、單字節(jié)無(wú)符號(hào)乘法、16位除以8位除法等多種基本運(yùn)算。要求設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能完成指定的功能，功能較強(qiáng)而又簡(jiǎn)潔。

2.3.2 總體設(shè)計(jì)

按照學(xué)生所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)的要求，參考一般計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，圖2給出了八位計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖的一種設(shè)計(jì)方案，規(guī)定了各功能部件的功能和各功能部件之間數(shù)據(jù)通路的走向。

在圖2中，AR為地址寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器，IR為指令寄存器，AC為累加器，GR為通用寄存器組，ALU為算術(shù)邏輯運(yùn)算單元。C標(biāo)志寄存器用來(lái)寄存進(jìn)位C標(biāo)志，Z標(biāo)志寄存器用來(lái)寄存結(jié)果為零的Z標(biāo)志。另外在圖2中還有兩個(gè)四選一開關(guān)和一個(gè)二選一開關(guān)，其中的一個(gè)四選一開關(guān)是用于形成C標(biāo)志的輸入，另一個(gè)四選一開關(guān)用于控制數(shù)據(jù)總線，二選一開關(guān)用于控制地址總線。

2.3.3 功能部件的設(shè)計(jì)

基于所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)，確定每一個(gè)功能部件的功能、功能部件與外部的連接端口信號(hào)、各功能部件與數(shù)據(jù)總線連接方案。

（1）運(yùn)算器的設(shè)計(jì)

運(yùn)算器由ALU、通用寄存器堆GR、累加器寄存器AC及數(shù)據(jù)選擇開關(guān)等組成，具有進(jìn)位（C）、結(jié)果為0（Z）等狀態(tài)標(biāo)志位。

能實(shí)現(xiàn)最常用的算術(shù)運(yùn)算（加、進(jìn)位加、減、借位減、自加1、自減1等）、邏輯運(yùn)算（邏輯與、或、非）及移位、數(shù)據(jù)傳送等功能。

（2）控制器的設(shè)計(jì)

控制器包括脈沖源、啟動(dòng)電路、節(jié)拍發(fā)生器、程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、地址寄存器AR和控制信號(hào)產(chǎn)生部件。整個(gè)設(shè)計(jì)需要綜合考慮，根據(jù)每個(gè)微操作對(duì)應(yīng)的邏輯表達(dá)式生成控制信號(hào)。

（3）數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)源較多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意各個(gè)數(shù)據(jù)源在數(shù)據(jù)總線上是否沖突。

簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有助于學(xué)生在理論和實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，深入了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分的工作原理及相互聯(lián)系，加深對(duì)計(jì)算機(jī)工作中數(shù)據(jù)流和控制流概念的理解，加深整機(jī)概念，進(jìn)一步弄清計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

3 結(jié)論

“計(jì)算機(jī)組成原理”是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵課程，在完成基本原理知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。正是基于此點(diǎn)，根據(jù)從事計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我校在理論教學(xué)過(guò)程中引入了設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，充分重視培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。不僅活躍了課堂氣氛、拓展了師生溝通的渠道，而且便于在教學(xué)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問(wèn)題，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、加深學(xué)生對(duì)所學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)的理解、增強(qiáng)學(xué)生開創(chuàng)能力是非常有益的，符合新時(shí)期人才培養(yǎng)的需要。

在“計(jì)算機(jī)組成原理”設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)方案越來(lái)越豐富，反映出學(xué)生的求知欲望是很強(qiáng)的，而且富有創(chuàng)新精神。設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)踐使我們深深體會(huì)到，除理論教學(xué)外，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手提高其綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，是培養(yǎng)大學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)和有效途徑，無(wú)疑將對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)起到積極作用。

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收稿日期：2007-1-18

作者簡(jiǎn)介：劉芳（1971-），女，博士，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院講師。主講“計(jì)算機(jī)原理”與“計(jì)算機(jī)原理課程設(shè)計(jì)”兩門主干課。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和信息安全。

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