淺析計算機組成原理綜合設計性實驗的教學實踐

肖敏

（貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025）

淺析計算機組成原理綜合設計性實驗的教學實踐

肖敏

（貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025）

本文根據計算機組成原理課程的特點，分析了開展綜合設計性實驗的必要性，并以設計一臺基本模型計算機為例講述了綜合設計性實驗的教學方法，對計算機組成原理實驗課程的教學具有一定的指導意義。

計算機組成原理；綜合設計性實驗；教學實踐

計算機組成原理是計算機專業及其相關專業的一門專業基礎課程，在計算機硬件課程體系中起著承前啟后的作用，具有舉足輕重的地位。該門課程理論性強、較為抽象、內容繁雜，學生在學習過程中容易感到枯燥、乏味、難于理解，對所學的知識較難有一個感性的認識。實驗教學有助于對抽象理論的理解，增強學生對計算機各部件的感性認識，因此對整個課程的教學效果具有決定性作用。

一、計算機組成原理課程特點

1.理論性強。計算機組成原理著重講述了單處理機系統的組成和工作原理，其中涉及了較多的理論性研究內容，例如計算機系統的層次結構、運算器、存儲器、中央處理器、輸入/輸出設備、總線等部件的基本構成及其工作原理[1]，從而造成學生對所學的知識容易感到枯燥、乏味，提不起學習的興趣，影響相應的教學效果。

2.內容抽象。課程中所講述的內容涉及的是各部件的內部結構，但這些部件均被高度集成化或進行了封裝，學生無法獲取一個直觀的印象，只能靠書本上的一些原理圖和老師的講解來理解所學內容，這就造成學生常常反映所學內容較為抽象，理解困難，無法將所學的知識具體化、形象化。例如CPU內部具體的構成，它是如何進行指令的執行和數據的處理，存儲單元具體又是如何尋址、如何組成相應的存儲器等問題。

3.內容繁雜。該門課程中每個章節涉及到的各種概念及原理繁多且復雜，使得學生對一些基本概念容易混淆，如對CPU周期、指令周期、存儲周期、總線周期等概念的區分[2]；另外在學習該門課程前還必須先修一些其他相關課程，增加了學生學習的難度。如在學習運算器章節前應先學習數字電子技術課程，在學習存儲器記憶原理時還需先學習模擬電路課程，在學習磁表面存儲器的讀寫原理時對相關的物理學知識也需有所掌握[3]，因此造成學生對所學知識的理解困難，不易記憶。

二、設置綜合設計性實驗的必要性

傳統的實驗教學一般是作為理論教學的補充和輔助，大多以驗證為目的[4]，使得學生的動手能力沒有得到充分的發揮，通常學生只是按照實驗書上列出的步驟進行按部就班的操作，沒有對所做的實驗進行深層次的思考和認識，限制了學生的創造力。另外驗證性實驗通常是各單元部件的實驗，這樣就使得學生在完成實驗后，還是無法將所學知識進行系統性的整合，從而清晰地建立一個計算機整機的概念，造成了學生對整個知識體系掌握的片面性和模糊性。本課程的教學目標是要培養學生對計算機硬件結構的分析、應用、設計能力，并在此基礎上培養其創新能力。要完成這樣的教學目標，顯然傳統的驗證性實驗教學是無法達到的，因此在驗證性實驗的基礎上開設綜合設計性實驗，將運算器、存儲器、微程序控制器等各單元部件實驗內容進行有機的結合，就顯得尤為必要。

三、實驗教學模式的改革

要想激發學生的學習興趣，培養學生分析、設計、調試、創新能力，較好地完成綜合設計性實驗的教學，采用傳統的“教師主講式”教學模式無法達到這樣的要求，必須采用以“教師為主導、學生為主體”的教學模式。教師作為教學的設計者及組織者要最大限度地引導學生參與到整個教學過程中，讓每個學生都積極參與學習的全過程并有所發展，成為學習的主體。還要將多種教學方法靈活運用到整個實驗教學過程中的不同階段，這樣才能激發學生學習的興趣，將理論教學和實踐教學相結合，幫助學生建立計算機整機概念，培養學生的創新思維和意識，使其具有相應的設計和動手能力。以下就以設計一臺基本模型計算機為例講述綜合設計性實驗的教學實踐方法。

四、基本模型計算機實驗的教學實例

1.實驗目的及內容。CPU的組成及微指令的執行是計算機組成原理課程中的重點和難點，學生通常會對微指令與機器指令如何存儲和執行感到困惑，CPU如何正確地從主存中取得機器指令？微指令序列如何“解釋”相應的機器指令并正確執行？微指令的執行順序如何確定？要解決這些問題，光靠理論課的講解還不足以使學生有深刻的認識和理解，各單元部件的驗證性實驗也無法很好地解決學生的這些疑問。必須是將運算器、存儲器、微程序控制器等單元部件組合成一臺基本模型計算機，通過為其設計幾條機器指令，并編寫相應的微程序，上機進行調試、驗證等一系列的操作，才能使學生通過完成這樣的綜合設計性實驗，清晰地建立一個整機的概念。

2.具體實踐方法。要很好地完成這樣一個實驗，指導教師必須對學生進行正確的引導，可將啟發式、任務式[5]、討論式[5]幾種教學方法融合進這個實驗的教學中，在實驗的不同階段使用不同的教學方法，調動學生的積極性，發揮其創造性，讓學生積極思考，動腦設計，動手操作，從而達到提高教學效果的目的。①設計階段。該階段主要是幫助學生對所要完成的實驗內容進行相應的分解，分析所要解決的關鍵問題、尋找合理的解決方案、協助其理清思路，此階段可以運用啟發式和討論式教學法。教師首先應啟發學生將復雜的實驗內容進行合理的步驟分解，找出完成實驗的關鍵點，并讓學生以小組為單位討論實現關鍵步驟的合理解決方案，從旁點撥和引導學生主動思考和進行設計。關鍵步驟包括：首先讓學生分析要完成這個實驗，必須使用到哪些相關單元部件、有哪些關鍵步驟，這樣還能使學生重新回憶曾經做過的單元部件的相關實驗，增強學生對已學知識的記憶；確定需要用到的相關部件后，還得確定這些部件如何進行數據的傳遞，它們之間需要有哪些連接線用以控制它們正確的進行工作；讓學生討論、分析所要執行的指令都完成了哪些功能，指令和數據應該如何進行存儲，指令的字長是多少，需要占用多少存儲空間；啟發學生根據所給的指令助記符寫下正確的機器指令代碼，確定相應的指令和操作數在存儲器中的地址；引導學生根據指令助記符的要求設計數據通路框圖，畫出相應的微程序流程圖，并確定相應微指令的微地址。這部分屬于實驗中較為重要和困難的部分，是考驗學生對該部分知識掌握情況和設計、思維能力的一個重要環節；結合已知的該實驗機的微程序控制器原理圖和微指令格式，將設計出來的微程序流程圖轉化為相應的微指令序列，并以列表的方式將所用到的微指令列出，要求具體到每個微命令信號。這個環節較為復雜，需要學生有很強的邏輯思維能力和設計能力，并且對相關的微指令中各微命令信號較為熟悉。在此還應讓學生弄清相應的微指令在控制存儲器中對應存儲位置的分布情況。②調試測試階段。該階段主要是鍛煉學生的動手能力，以及對問題的分析能力，可檢驗學生對之前所做的存儲器單元和微程序控制單元實驗的掌握情況。其關鍵步驟包括：指導學生將相應的機器指令代碼寫入存儲器中并檢驗寫入存儲器的數據是否正確；指導學生將相應的微指令代碼寫入控制存儲器中并檢驗寫入控制存儲器的數據是否正確；讓學生按照單步微程序、單步機器程序、程序運行與暫停三種不同的方式來運行寫入的機器程序和微程序，并記錄下相應的結果；讓學生分析實驗所得結果是否與理論設計相符，如果不相符時，可引導學生討論分析每一條微指令運行的結果中其微地址部分、PC地址部分、存儲器地址部分、當前總線內容部分是否正確，是否與相應的微程序流程圖吻合。引導學生逐步找出未能正確完成實驗的原因，并改正設計中的錯誤或遺漏之處，助其順利完成實驗，培養其分析問題、解決問題的能力，增強其自信心。③提高階段。該階段主要目的是檢驗學生在前兩個階段是否已正確掌握所學的知識，并能將所學知識較好地進行融會貫通、靈活運用。此階段可通過任務式教學法完成該環節的實驗教學，關鍵步驟包括：教師根據學生之前完成基礎實驗內容的具體情況，進一步設置不同難度的附加實驗任務，比如增加機器指令的條數、更改操作數的尋址方式、增加中斷功能等，針對不同難度的任務設置不同的獎勵分數，學生可根據自己的能力選擇不同難度的任務，完成低難度任務后可挑戰更高難度的任務。這樣不同能力層次的學生都可以得到充分的鍛煉，不會因為任務過難或過易而失去學習的興趣，使各能力層次學生的創新設計能力都得到了提高；對于難度較大的任務，可給予學生關鍵點的提示，讓學生能根據所給提示，按任務要求正確分析出應該如何分解任務、畫出微程序流程圖、編寫相應的微程序代碼；學生再次上機實驗，驗證自己設計的微程序運行結果是否正確；教師驗收實驗結果，并對學生進行簡單答辯，考核學生對實驗內容掌握的真實程度，并記錄下相應的成績以備成績評定時所用。

通過以上幾個階段的實踐教學后，學生對模型機內各部件如何傳遞數據、CPU如何執行指令序列就有了較為清晰的認識，從而達到了幫助學生建立整機概念的目的，有效提高了教學效果。本方法經過實際運用到實驗教學中，取得了不錯的教學效果。

3.成績的考核。綜合設計性實驗以激發學生學習興趣、幫助其內化知識、運用所學知識解決問題、培養其創新能力為目的，實驗考核注重的是對分析能力、設計能力、創新能力的考核，不能單純以是否完成實驗內容為考核標準，應綜合考慮學生在實驗過程中有無較強的分析能力、設計中是否有巧妙之處、完成任務的方法是否有創新點、實驗報告中的錯誤分析和自我總結處是否有自己獨特的見解。綜合設計性實驗的成績按實驗的完成水平和難度占40%、答辯成績占30%、實驗報告的質量（包括其規范度和創新性）占30%進行配比。這樣的成績考核方式既增強了學生進行實驗的自覺性又鼓勵了學生進行創新的積極性。

實驗教學是讓學生在理論學習之后進行知識鞏固的重要手段，在實驗教學中重視綜合設計性實驗的開展，使其和驗證性實驗進行緊密的配合，才能讓學生在熟悉單元部件之后正確地建立起整機的概念，從而提高計算機組成原理實驗課的教學效果，培養出具有分析能力、設計能力、創新能力的學生。

[1]白中英.計算機組成原理（第五版·立體化教材）[M].北京：科學出版社，2013：354.

[2]唐朔飛.計算機組成原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2008：428.

[3]蔣本珊.計算機組成原理（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2013：325.

[4]楊新宇.計算機組成原理實驗教學改革探索[J].計算機教育，2013，（18）：45-57.

[5]徐愛萍，許先斌，蔡朝暉等.信息化時代“計算機組成原理”課程的教學研究[J].計算機教育，2009，（10）：42-44.

A Brief Analysis of Teaching Practice on Comprehensive Designing Experiment of Computer Composition Principle

Xiao Min
（Department of Computer Science and Technology，Guizhou University，Guiyang 550025 China）

According to the features of Computer Composition Principle course，this article analyzes the necessity of carrying out comprehensive designing experiment.Take designing a basic model computer，for example，the teaching method of comprehensive designing experiment is described in this paper.It has a certain directing meaning to the experiment teaching of computer composition principle.

Computer Composition Principle；comprehensive designing experiment；teaching practice

G642.0

A

1674-9324（2014）22-0216-03

貴州大學教育教學改革研究項目，項目編號：JG2013140。

肖敏（1979-），34歲，女，布依族，碩士研究生，講師，研究方向：計算機組成及體系結構、數據庫安全。