計算機原理和結構課程實驗教學方案的設計

□ 何玉新

一、引言

在計算機專業教學中，計算機實驗教學是提高大學生操作能力和專業素質的主要方法和手段。計算機原理和結構課程是計算機學科的基礎課程，起到承上啟下的作用，而與之配套的實驗教學對學生掌握此門課程起到關鍵作用。

根據教學大綱的要求，通過計算機原理和結構的實驗教學，使學生全面了解和熟悉計算機系統的組成、工作原理、內部之間的聯系、控制信號的作用，建立整機概念，幫助學生培養分析問題和解決問題的能力。在進行實驗教學方案設計時，首先確立實驗教學模式和管理模式，在此基礎上再對實驗教學方案進行設計。

二、以學生為主體的實驗教學模式

教學模式，是在一定的教育思想、教學理論、學習理論指導下的教學活動進程的穩定結構形式。自20世紀90年代以來，一種新的以“學”為中心的教學設計正在國外興起并迅速發展。這種理論都是圍繞如何幫助學生的“學”，要求在教學過程中老師處于非中心地位，學生取代老師處于中心地位。

這種教學設計分為兩個方面:一方面是外在要求，即為學生創造良好的學習環境和條件;另一方面是內在要求，激發學生自主學習的意識和能力，培養學生自主學習的習慣，主動建構知識結構。以“學”為中心的教學設計相對課堂教學更適用于實驗教學，實驗教學是通過學生自行操作、觀察和記錄，將知識轉變為能力的重要手段，也是學生對所學知識重新組織和建構的重要途徑。結合教學，有針對性地設計實驗方案的過程，還可以針對不同層次的學生設計不同的實驗方案，因人施教，更符合大綱的要求。所以，良好的實驗教學環境以及有針對性的實驗方案，能夠幫助學生在實驗學習過程中發揮主動性、積極性與創造性，充分體現出學生的認知主體作用。

三、實驗管理模式和教學軟件

實行開放式教學更利于實驗教學的管理。老師主要把握好宏觀指導和計劃學時數，把實驗時間的支配權下放給學生，讓學生在實驗前自主地完成查閱資料、設計步驟等實驗準備，既能夠為每個實驗做好更充分的準備，也便于學生消化吸收理論課程。

根據實驗內容安排不同的人員組成實驗小組，讓不同層次的學生相互交叉，輪流組合，在自主設計實驗、安裝器材、總結結果的過程中培養互相配合、共同提高的團隊精神。

教學實踐上使用CAI軟件介紹實驗中所用到的器材，步驟以及具體要求等，不僅讓學生更直觀地了解到規范操作過程，詳細生動地講解，還可以讓學生熟悉實驗的整個過程，激發強烈的實驗動手欲望。通過反復觀看理論講解和實驗演示，還能夠幫助學生解決實驗過程中遇到的難點和問題。

四、實驗教學方案的設計

(一)驗證性實驗方案的確立。驗證性實驗的目的是學生通過實驗對計算機的基本組成模塊、總線等進行實驗活動，從實踐的角度進一步理解理論知識。驗證性實驗方案還設計了兩個整機實驗，即給出已設計的指令系統、微指令進行整機測試，使學生從整體上理解微控制技術下計算機的各組成部件是怎樣工作的，以及控制信號的作用和控制方式。在具體的實驗教學環節，共設計了驗證性實驗題目六個，經過幾輪教學，效果較好。下面分別對這幾個實驗題目進行介紹。一是運算器實驗，實驗目的是掌握簡單運算器的組成和數據傳送通路，在該實驗中學生進行運算器的算術運算、邏輯運算、進位控制和移位運算的驗證。二是存儲器實驗，實驗目的是掌握隨機存儲器RAM工作特性，掌握靜態隨機存儲器RAM的數據讀寫方法。在該實驗中學生用手動撥位開關進行對SRAM的讀寫操作。三是微程序控制器的組成和微程序設計實驗，實驗目的是掌握微控制器的組成，微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行，掌握EEPROM的工作特性和讀寫方法。四是總線控制實驗，實驗目的是理解總線的概念和特性，掌握總線傳輸控制特性。五是簡單模型機實驗，實驗目的是在“微程序控制器的組成和微程序設計實驗”的基礎上，將各單元組成系統，構造一臺基本模型計算機。本實驗定義五條指令，IN、ADD、OUT、STA、JMP，編寫相應的微程序，并上機調試運行，形成整機概念。六是復雜模型機實驗，實驗目的是綜合運用所學計算機組成和結構知識，設計并實現較為完整的模型計算機。該實驗指令系統設計包括算術邏輯指令、I/O指令、訪存指令、轉移指令和停機指令。尋址模式有直接尋址、間接尋址、變址尋址和相對尋址。

(二)運用EDA技術設計計算機組成和結構的單元模塊。隨著理論教學和驗證性教學進行的同時，讓學生課后用MAX+PLUS II進行單元模塊的設計和仿真實驗。這些單元模塊包括寄存器、程序計數器PC、存儲器、運算器、時序電路等。這樣一方面可以使學生進一步理解和掌握各模塊的功能和作用，另一方面可以激發學生自己設計的積極性、主動性，同時熟練了MAX+PLUS II的使用，為即將進行的課程設計做好準備。

(三)運用EDA技術進行課程設計。在這一階段，完全解除教材和課堂知識的約束，學生可自行設計出電路、程序、選題選元器件、計算機程序語言。同時實驗室將所有的實驗平臺全面對學生進行開放，這樣培養了學生的創造性思維，從而充分調動了學生學習熱情和積極性。下面具體介紹課程設計的教學方案。

1.實施方案。課程設計的內容是完成模型計算機的設計和CPLD實現，課程設計的目的是通過知識的綜合運用，加深對計算機系統各模塊的工作原理及相互聯系的認識。設計題目包括硬布線控制器的設計與實現，流水型微程序控制器的設計與實現，流水型硬布線控制器的設計與實現，基于RISC處理器構成的模型機的設計與實現等。課程設計使用VHDL為設計語言，選用了MAX+PLUS II作為設計軟件，硬件使用了CPLD開發系統，其中的CPLD芯片為ALTERA MAX EPM7128SLC84-15。

2.設計、仿真和CPLD實現。MAX+PLUS II的設計過程包括設計輸入、項目編譯、項目校驗和項目編程。模塊設計要求進行時序仿真以驗證設計的正確性，對于課程設計，不僅要求完成模型計算機的時序仿真，還要完成CPLD實現和硬件驗證。數字系統設計的一般方法是采用自頂向下的層次化設計。在MAX+PLUS II中，可利用層次化設計方法來實現自頂向下的設計。一般在電路的具體實現時先組建底層設計，然后進行頂層設計。MAX+PLUS II支持功能仿真和時序仿真兩種形式。功能仿真用于大型設計編譯適配之前的仿真，而時序仿真是再編譯適配生成時序信息文件之后進行的仿真。仿真時先建立仿真波形文件，設置輸入信號波形，運行仿真器進行仿真。最后進行系統的編程下載，完成CPLD實現和硬件驗證。

3.設計舉例——模型計算機的設計方法。模型計算機的設計過程如圖1所示。一是確定設計總要求。總線結構:單總線，數據總線位數8位、地址總線8位;存儲器:內存容量1K*8位;控制器:用硬布線控制器實現24位微操作控制信號;運算器:實現加、減等8種操作;外設:輸入設備用開關輸入二進制數據，七段數碼管和LED作輸出設備;指令系統規模:16條指令，4種類型，4種尋址方式。二是設計模型機邏輯框圖。模型計算機的邏輯框圖如圖2所示。SRAM由1K*8的靜態存儲器IDT7130構成，其他的運算器、寄存器和控制器在復雜可編程邏輯器件(CPLD)上設計。三是設計指令系統。指令類型:算術/邏輯運算指令，進行加、減、與、或、取反等;訪存指令及轉移指令;I/O指令;停機指令HALT。指令操作數尋址方式:直接尋址、間接尋址、變址尋址和相對尋址。四是設計指令執行流程。根據模型計算機結構框圖設計指令系統中每條指令的執行流程。一條指令從內存取出到執行結束，需要若干個機器周期，任何指令的第一個機器周期都是“取指令周期”，一條指令一共需要幾個機器周期取決于指令在機內實現的復雜程度。

圖1 模型計算機的設計過程

圖2 模型計算機的邏輯框圖

五、結語

該實驗教學方案已經過兩輪的教學實踐，教學效果較好。但也對教師提出了較高的要求，教師要對計算機原理和結構、EDA兩方面的技術都熟悉。學生在課程設計過程遇到困難教師能夠及時指導。第二輪教學編寫了詳細的實驗指導書，做好實驗準備，學生課后預習、認真準備，這樣效果更佳。在實驗教學過程中不斷改進教學方案，根據各界學生的具體情況相應調整實驗教學的細節，使其更好地服務于教學，取得最佳的教學效果。

［1］白中英，楊春武.計算機組成原理題解、題庫與實驗［M］.北京:科學出版社，2001

［2］徐晨，顧暉.應用EDA技術改革計算機組成原理實驗教學［J］.電氣電子教學學報，2004

［3］建英，徐愛萍.計算機組成原理實驗課教改方案的設計［J］.實驗室研究與探索，2005