計算機組成原理與系統結構實踐教學改革研究

摘要:該文結合當前某校“計算機組成原理與系統結構” 實驗設備及實驗教學的現狀，精心設計了實驗內容，提出一些切實可行的實驗教學改進方法，以卻保計算機組成原理與系統結構實驗的教學質量，切實提高學生的思考能力和動手能力。

關鍵詞:組成原理與系統結構;實踐教學;改革

中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-6030-02

The Improvement and Research about Experiment Teaching of the Organization Principle of Computer and System Structure

YANG Hong-jie， YI Ming

(Hunan University of Arts and Science， Department of Computer Science and Technology， Changde 415000， China)

Abstract: This text combine some school \" whether computer make up principle and system structure \" experimental facilities and experiment current situation of teaching at present， design the experiment content meticulously， put forward some feasible experiment teaching and improve the method， by but assuare the computer makes up the teaching quality of the principle experimenting， improve students' thinking ability and manipulative ability conscientiously.

Key words: organization principle and system structure; practice teaching; educational reform

計算機組成原理與系統結構是一門重要的核心專業課程，與之配套的實驗課也是一門重要的實踐課程。它有著邏輯性強、實踐性強、內容多難度大的特點。根據教學大綱的要求，通過該實踐課程，使學生對計算機系統的工作原理、內部之間的聯系、控制信號的作用等有深刻的理解，建立整機的概念，培養分析問題、解決問題和實際動手能力。

我系從1998年起，開設了計算機組成原理實驗，配置了TEC-2型實驗設備，2004年，將計算機組成原理與系統結構課程合并，并為之新增了DVCC系列實驗設備。通過幾年時間的實踐教學，現就提高計算機組成原理與系統結構實踐教學質量和學生的綜合技能做一些初步的探討。

新增DVCC系列為學生提供了創造性的設計平臺，板上擴展了在系統可編程大規模電路CPLD器件ISP1032E。它的全部引腳對外開放，學生可采用VHDL或ABLE等設計控制邏輯，且在PC機上有相應的可視化的監控軟件，PC機由原來的仿真終端變成了監測和控制部件，是一種軟硬結合的實驗方式。鑒于現有設備特點，我們精心設計了實驗內容。本實驗課程的主要教學方式分為驗證型、設計型和綜合型。其中設計、驗證型有運算器實驗、存儲器實驗、FIFO先進先出實驗、總線控制實驗、硬部線控制器的實驗、乘法器實驗和微程序控制器實驗。綜合型實驗作為課程設計內容，如帶移位運算的模型機的設計與實現、復雜模型機的設計與實現、基于流水技術構成模型機實驗、擴展I/O的設計等。這樣，實驗體系就形成了運算器——存儲器——數據通路——微程序控制器——基本模型機——復雜模型機系統。

1 運算器必做選做并存

DVCC機運算器(74LS181)可實現8位或16位字長16種功能運算，TEC-2機運算器(AM2901)可實現16位字長8種功能運算，并可觀察C、Z、V、S等標志位的狀況態，據現有設備，在運算器實驗中選最基本的8位運算器開始，從怎樣加輸入控制信號入手，再逐步增加到各種寄存器，實現多種功能這是必做的內容。16位運算器實驗作為選做內容，經教師指導同意后可開始實驗。通過對比分析可知不論是8位機還是16位機，用什么器件組成的運算器、控制器都與數據通路有關，通路越簡單運算器本身越簡單。

2 存儲器實驗驗證與設計并行

存儲器實驗是對靜態隨機存儲器6264的讀寫驗證，即用控制信號開關給定存儲地址通過數據開關將數據存入，并讀出(原數據在LED上顯示)，觀察數據是否一致。通過實驗使學生掌握RAM的工作特性及數據的讀寫方法，這是驗證性實驗內容。

TEC-2機主存儲器擴展，TEC-2機主存儲器由4KROM與2KRAM組成，通過未用的信號MCS3-MCS7作為內存擴展的片選信號，可采用6116RAM擴展4K內存將TEC-2系統內存擴展板與TEC-2主機相聯，通過對6116RAM讀寫信號、片選信號及主機AB15-AB11等的使用，掌握正確的主存擴展原理和方法，并進入TEC-2監控狀態讀寫8000H-87FFH地址段的數據，驗證其擴展電路正確性。

我們還增設了FIFO先進先出存儲器設計性的實驗項目。本實驗是通過對CPLD器件ISP1032E編程來實現一個簡單的8位×4位的FIFO。教師通過對CPLD原理、結構功能的講解，學生編寫程序，并將編譯文件(.JED)下載，運行控制實現。通過實驗使學生掌握在系統可編程芯片1032E的使用方法。當系統斷電時，6264RAM、6116RAM存儲信息丟失。通過“軟件化”來設計，形成“創新性”實驗，通過數據寫入方式不同，使學生擴展了存儲器的相關知識。

3 微程序控制器與硬布線控制器比較

微程序控制器實驗目的是使學生了解微程序控制器的設計思想和組成原理、掌握微程序控制器的使用方法，掌握微程序的編制、寫入、觀察微程序的運行。實現方法是:

1) 根據機器指令畫出對應的微程序流程圖;

2) 根據微程序流程圖設計微指令，并按微指令格式轉換成二進制代碼;

3) 通過對以下例子程序的寫入、讀出、單步運行與連續運行的調試，初步建立整機工作概念，為下一個模型機設計打下良好的基礎。例子程序如下:

助記符機器指令碼說明

IN0000 0000 ;\"外部開關量輸入確\"KD0～KD7的開關狀態→R0

ADD addr0001 0000 ××××××××; R0+[addr]→R0

STA addr0010 0000 ××××××××; R0→[addr]

OUT addr0011 0000 ××××××××; [addr]→BUS

JMP addr0100 0000 ××××××××; [addr]→PC

硬布線控制器實驗是設計一個簡單的硬布線控制器，用開關置不同的指令，觸發時序，就可以實現不同的指令操作。如所設計的三條指令:

指令碼 操作說明

00INPUT->DR1 將數據開關中的數送入暫存器DR1中，

INPUT->LED 并由LED數碼管來顯示

01INPUT->DR2將數據開關中的數送入暫存器DR2中，

INPUT->LED 并由LED數碼管來顯示

10DR1+DR2->LED將運算單元中DR1加DR2的運算結果送入LED數碼管來顯示

1100->LED LED數碼管顯示為00

通過實驗更深入理解了硬布線控制器本質上就是一個組合電路，它將輸入邏輯信號轉換成一組輸出邏輯信號(控制信號)，即根據指令系統的操作時間表用組合邏輯線路形成的微命令序列，是所有各部件需要的各種微操作信號。微程序控制器實驗中首先要設計微指令，微指令的設計是在硬件形成的基礎上，微指令的格式取決于硬件構成，如TEC-2機每條微指令長56位，DVCC機每條微指令長24位。

4 綜合性實驗中教師的引導作用

在整個綜合性實驗過程中，教師原則僅作啟發引導 ，以達到拋磚引玉之目的。鼓勵學生獨立思考 ，獨立分析故障 ，獨立解決出現的問題 ，利用所學到的各種技術手段進行調試 。

首先，教師要利用很少的時間，采取多媒體的教學手段，讓學生對這個實驗的目的、原理、步驟、調試過程、結果等有一個明確的認識。由于組成原理實驗儀上配有 CAI 軟件 ，通過CAI介紹實驗的儀器、實驗方法、實驗操作過程等 ，可以很清楚地看到規范的操作 ，詳細生動的解釋 ，使學生可以感受到實驗的全部過程 ，產生很烈的實驗欲望。然后學生開始進行硬件和軟件的設計，教師在輔導時，可以有以下幾點教學方法。

1) 保持良好的實驗精神:教師在這一過程中工作量是很大的，要按組驗收、提問，有的還需要幫助排除錯誤，所以教師需要具有較高的思想素質、專業功底，豐富的實踐經驗，有些學生在實驗首次失敗的情況下，會有挫折感、心浮氣躁、慌了手腳，而做實驗就必須靜心、踏實，這時教師要安撫他們的情緒，然后讓學生想辦法快速地排除故障。

2) 堅持以學生動手為主原則:若硬件無故障，又連線無誤的話，學生在調試過程中可通過實驗箱上的LED顯示燈觀察數據總線、地址總線數據的正確性，或在PC窗口上看到正確的動態的紅色的指令流和數據流，形象直觀，學生可對指令的執行過程一目了然，教師自己也感到很欣慰。但第一次實驗成功的學生是少數，在這種情況下，教師就要講究教學策略， 最大限度地調動學生的積極性和主觀能動性 ，適應學生的心理特點，要求學生可借助反復觀看CAI 軟件的理論講解和實驗演示，以幫助自己解決所遇到的問題，并且教師對一些共性的問題可集中講解。

如果在實驗的過程中遇到問題，教師可對實驗中一些共性的錯誤進行必要的提示，比如:在系統結構綜合性實驗中，單股線與排線連線有幾十根，教師要提醒學生單股線連接位置要正確，排線引腳的連接要對應，每根排線引腳的具體數目只要有細微的錯誤，就可能導致實驗失敗。此時教師要及時提醒學生，但不能動手替學生接線，要斷絕學生的依賴性。

3) 組織討論與總結:在設計過程中和設計完成時應當盡可能的組織學生參與討論和總結 ，這不僅可以使學生能力的培養更扎實 ，使更多的學生受益 ，也能夠培養他們的成就感和進行科學研究的能力。

如在學生實驗失敗又自己找不出原因的情況下，除了教師對學生要進行耐心引導，幫助分析失敗的原因外，還可以采取組織不同層次的相關學生進行討論的教學方式，例如在復雜模型機設計實驗中如何判斷硬件的故障還是軟件的故障從而找出失敗的原因，最簡單的方法是用基本模型機示例程序運行，示例程序能正常執行，就可以確定硬件沒有問題。如果是硬件故障，則應確定是芯片的問題還是連接線路的問題，同學之間可以相互檢查連接線路;若是軟件問題，則檢查所設計的程序，DVCC模型機有16條基本指令，要根據復雜模型機的硬件電路設計機器指令，再根據機器指令要求微程序流程圖及微程序，最后形成16進制文件，同學們也可一起仔細觀察指令的執行情況，確定哪一條指令或微指令的設計出錯。

在討論中，教師可就理論與實驗相關問題提問，體現設計性和啟發性，例如，如果復雜模型機設計實驗中增加一條指令，那這條指令應如何設計;對基礎一般的學生，則要求能說出本實驗中每條指令的執行過程，調試過程中遇到的問題是怎么解決的。通過這種討論教學，能使不同層次學生受益，既保證了教學質量，也對學生進行了鍛煉提高。

參考文獻:

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