多功能綜合性實驗方法研究

摘要:我院對當前我國高校所設計算機專業的硬件課程實驗做了調查和分析，發現各種實驗裝置功能具有單一性，實驗場地或實驗環境要求相對獨立且具有分散性，實驗手段和方法明顯具有滯后性。為此，本文提出按實驗內容劃分為“層次結構”的概念，對多功綜合實驗方法提出了研究思路和建設性意見。

關鍵詞:硬件課程實驗;實驗方法;層次結構;仿真技術

上世紀八十年代以來，計算機的迅速普及帶動了各高等院校計算機專業學科點的快速增加，特別是各高校的擴招、職業教育的推進等活動，更加速了計算機教育的推廣和普及。目前，在設有計算機學科教學點的大專院校，都必須開設相關課程的實驗。一般而言，計算機學科開設的硬件課程有:“電子技術”、“數字邏輯”、“組成原理”、“系統結構”、“控制技術”、“微機接口技術”、“單片機應用技術”、“EDA設計技術”等。為了完成這些課程的實驗教學，各院校又必須增加相關的實驗儀器和實驗設備，這些實驗儀器和設備功能相對單一，實驗環境或場地又相對分散，實驗儀器或裝置更新速度很快，造成了各高校資金的重復投入，實驗場地、工作人員的分散設置。本文力

求通過對現有計算機硬件課程的設置、課程實驗內容的安排及創新型人才的培養要求等方面的研究，找出一種集多功能于一體、綜合創新型實驗方法，替代功能分散型、實驗驗證型方法的現狀。

1計算機硬件課程實驗現狀

1.1課程設置與實驗

以武漢大學計算機科學與技術專業為例，共開設硬件課程(包括實驗)14門，其中基礎硬件課程8門、系統硬件課程6門。在這些課程教學中，課程實驗為260學時，實踐144學時，分別占全學科(基礎課實驗除外)總實驗學時和實踐學時的59.1%和57.6%。各硬件課程學時分配如圖1所示。

圖1硬件課程設置

基金項目:2008年湖北省高等學校省級教學研究項目(NO:2008024)。

作者簡介:高輝(1956-)，男，高級工程師，本科，研究方向為智能控制。

很顯然，這些課程設置的目的在于:一方面讓學生掌握寬厚的基礎知識，特別是硬件基礎知識;另一方面是注重學生的實踐環節，努力培養其動手能力，并通過實驗和實踐活動，培養學生獨立分析問題和解決問題的能力。

據相關資料分析，國內外知名大學的計算機及其相關專業，在實踐教學上都加大了時間和資金投入，并且都在努力做到理論教學與實踐相結合，教學科研與產業發展的無縫對接。

1.2實驗儀器與實驗方法

由圖1可以看出，各硬件課程基本設置有課程實驗和實踐環節，占總學時數的45.3%。計算機硬件實驗課程的考核注重理論和實踐兩方面能力的培養，要求學生在掌握抽象理論的同時，要能把它們運用到具體的實驗中去。

然而，這些課程活動的實施必須依靠實驗儀器和實驗設備進行，不僅如此，還得加上正確的實驗方法或手段。目前各高校正在使用的實驗裝置，絕大多數都是由不同的實驗儀器生產廠商所提供，部分實驗儀則是自行研制并生產。這些實驗儀器或裝置，沒有統一的生產許可證，也沒有國家統一的生產標準或行業標準，操作方法或實驗手段各不相同，甚至在實驗內容上都有所不同。

這些實驗儀器的特點如下:

(1) 功能的分散性。為了完成各門課程的實驗，每一門課程必須配有一種獨立的、功能相對單一的實驗儀器。這不僅增加了學校的經濟負擔，而且給學生的實驗過程增加了難度，每門課程實驗學生都要花不少時間熟悉和掌握某種實驗儀的操作方法或步驟，不利于將主要精力放在內容設計上。

(2) 內容的重復性。各課程之間實驗設置經常出現重復現象，如模/數、數/模轉換實驗，在“數字邏輯”實驗、“微機接口技術”實驗、“控制技術”和“單片機應用技術”等實驗課程中都有設置。功能的重復直接帶來的是資源的浪費。

(3) 實驗方法的驗證性和技術的滯后性。目前幾乎所有的課程實驗儀，其實驗過程基本上是“驗證”過程，學生按照實驗指導書上的實驗步驟，一步一步完成各單元實驗，調動不了學生的主觀能動性，滋生了學生之間相互抄襲實驗結果的現象。不僅如此，實驗手段仍然采用原始的“牽線”、“搭橋”技術，這種方法既費時又完全與當今EDA設計技術相脫離。

更重要的是，各科實驗方法和手段完全依賴廠商所提供的方法，或根據原始版本重新簡單編寫。這些實驗方法或手段嚴重地脫離了當前各高校特別是研究型大學正在實施的“創新型”、“設計型”人材培養的宗旨[1]。

2研究方法與思路

2.1層次結構體系

根據各高校硬件課程實驗內容調查結果顯示，每門課程都要開設6～12個單元實驗。綜合各科課程實驗內容分析，發現可以劃分為“基本單元電路”、“功能模塊電路”和“系統級電路”實驗等多個層次。以“數字邏輯”、“計算機組成原理”和“計算機系統結構”3門課程為例，各課程實驗內容組成如圖2所示的層次結構圖。其他課程的實驗內容也都可劃分為這3個基本的層次結構。

圖2硬件課程層次結構圖

層次結構體系給我們兩個方面的啟示:一是說明硬件課程的教學過程是一個由簡到繁、由易到難的循序漸進的過程，符合基本的教學規律;二是硬件課程的實驗和實踐教學也必須遵循這個規律，并可按照這一規律去合理安排實驗內容、尋找科學的實驗方法或手段。使整個教學過程沿著“先分析”、“后設計”、“再創新”的正確軌道向前邁進。

2.2充分發揮計算機仿真技術的作用

計算機仿真技術的發展和應用為計算機及其相關專業課程實驗提供了非常大的幫助。目前許多高校都已將這一技術使用到不同實驗中，各計算機仿真軟件可應用于計算機專業的課程實驗對應如表1所示。

表1計算機仿真軟件應用于課程實驗對照表

序號仿真軟件實驗輸入方法適合課程參考文獻

1Altera:MAX+plus Ⅱ、Quartus數字單元電路:圖形輸入數字邏輯

計算機組成原理文獻[2]、文獻[3]

2IIT:Multisim數字與模擬電路電子技術與電路文獻[4]、文獻[5]

3Lab:Proteus總線與接口單片機應用技術

微機接口技術文獻[6]、文獻[7]

4SimpleScalar系統級設計計算機系統結構

EDA設計技術文獻[8]、文獻[9]

下面對表1中所列各仿真軟件簡略介紹如下，詳細應用請參考表中所列參考文獻。

MAX+plus和Quartus是Altera公司EDA軟件，主要用于FPGA和CPLD電路的設計，具有圖形輸入和硬件程序設計語言等多種輸入方式。由于該軟件包含有電路仿真功能，故也可應用于數字電路的教學實驗中。

Multisim是加拿大IIT公司的電路設計與仿真軟件。該軟件具有如下顯著特點:

(1) 圖形工作界面友好、易學易用、操作方便，直接利用其繪圖功能設計模擬/數字電路圖，并設置各種虛擬測量儀器;

(2) 強大的分析功能，可提供14種不同的分析工具，并根據測量參數及時調整電路參數，也可人為設置故障模擬;

(3) 強大的虛擬儀器功能，這些功能特別適合于模擬電子單元電路的快速設計與調試。

Proteus是英國Labcenter公司的電路分析與仿真軟件。該軟件的主要特點:一是支持多種類型(如果8051、68000、AVR、PIC等系列)的單片機仿真;二是可實現單片機及外圍接口電路(如串口RS232、IIC和SPI、LCD等)的仿真;三是支持第三方的軟件編譯和調試環境(如Keil uVision2)，還具有路原理圖繪制功能。這些特點應用于單片機系統、微機總線與接口的設計與實驗是非常有用的。

SimpleScalar是Wisconsin-Madison大學發布的一個開放性軟件，由于源代碼是公開的，且具有良好的可移植性和可擴展性，能夠支持不同層次設計人員的要求，因而得到廣泛應用。該軟件可用作于計算機專業高年級本科生或研究生，作為系統設計模擬軟件。

2.3硬件實驗與虛擬實驗相結合

按照“層次結構”的思想，為了將所有的硬件課程實驗集中在一個實驗載體上完成，同時又要遵循

“體積小、操作方便、性價比高”的設計原則，作者分析和研究了目前國內主要廠家生產的多種教學儀器:清華科教儀器廠生產的TEC系列，唐都科教儀器公司生產的TDN系列，啟東計算機總廠生產的DICE系列等。本人提出如下設計思想:第一，硬件實驗的軟件化，即在微型計算機上加裝相關軟件完成部分實驗。以上儀器的技術性能與傳統儀器相比總體上都有明顯提高，部分儀器的實驗方法或手段也融入了現代EDA的新方法。如采用MAX3000/7000系列CPLD器件完成“單元層次”級的數字電路(如計數器、譯碼器等)實驗，因為在EDA設計軟件中，圖形輸入法是極易理解和掌握的設計方法，非常適合低年級學生使用，配合其內部的仿真軟件，可很好地幫助學生理解并完成各單元電路的實驗。第二，可將硬件實驗與多媒體技術相結合。如在計算機組成原理的“模塊層次”級實驗中，學生很難通過硬件實驗“看到”處理器內數據與信號的傳輸過程，但可以采用動漫技術，將硬件實驗中的這一傳輸過程在計算機屏上跟蹤與顯示出來，達到非常好的效果[10]。第三，對于部分硬件電路實驗(如存儲器、模/數、數/模轉換、接口電路等)可以采用全硬件、也可以采用軟硬件相結合的方法實現。由于“系統層次”級的實驗，各院校對實驗深度要求難以統一，可設計成適應面更廣、實驗內容和功能較多的實驗儀器，以供選擇。但有一點是相同的，那就是用軟硬件相結合的方設計出開放式、高性能的實驗儀[11]。

3結語

現在微型計算機已是相當普及，而且是各高校常用的實驗“設備”。依據“層次結構”的思想，充分利用當今的計算機軟件技術、計算機仿真技術，采用“PC機+硬件實驗儀”模式，完全有可能將多個硬件課程分散的實驗儀集中在一起，并提高其性能，完善實驗方法。但它不是一個簡單的“積木”組合，需要做的工作相當多。例如，是否需要國家有關部門著手制定統一的教學實驗大綱、統一的實驗儀生產行業標準和生產規范，以及統一的實驗方法或手段?由此可見，它不僅僅是一個技術層面的問題，還需要各級領導者的高度重視和支持，包括組織多個職能部門的相互配合和技術攻關。

參考文獻:

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[11] 湯志忠，楊春武. 開放式實驗CPU設計[M]. 北京:清華大學出版社，2007.

The Multi-function Comprehensive Experimental Methods Studies

GAO Hui

(School of Computer， Wuhan University， Wuhan 430079， China)

Abstract: The professional hardware course experiment is surveyed and analyzed for high school. We discover various experiment to equip function one and experiment environment to request opposite independence and scatter， test means and method to obviously fall behind. Therefore， the concept of “layer structure” on test contents and study way of multi-function comprehensive experimental methods are put forward.

Key words: the hardware course tests; experimental methods; layer structure; simulation technique

(編輯:姚彥如)