计算机原理和结构课程实验教学方案的设计

□ 何玉新

一、引言

在计算机专业教学中，计算机实验教学是提高大学生操作能力和专业素质的主要方法和手段。计算机原理和结构课程是计算机学科的基础课程，起到承上启下的作用，而与之配套的实验教学对学生掌握此门课程起到关键作用。

根据教学大纲的要求，通过计算机原理和结构的实验教学，使学生全面了解和熟悉计算机系统的组成、工作原理、内部之间的联系、控制信号的作用，建立整机概念，帮助学生培养分析问题和解决问题的能力。在进行实验教学方案设计时，首先确立实验教学模式和管理模式，在此基础上再对实验教学方案进行设计。

二、以学生为主体的实验教学模式

教学模式，是在一定的教育思想、教学理论、学习理论指导下的教学活动进程的稳定结构形式。自20世纪90年代以来，一种新的以“学”为中心的教学设计正在国外兴起并迅速发展。这种理论都是围绕如何帮助学生的“学”，要求在教学过程中老师处于非中心地位，学生取代老师处于中心地位。

这种教学设计分为两个方面:一方面是外在要求，即为学生创造良好的学习环境和条件;另一方面是内在要求，激发学生自主学习的意识和能力，培养学生自主学习的习惯，主动建构知识结构。以“学”为中心的教学设计相对课堂教学更适用于实验教学，实验教学是通过学生自行操作、观察和记录，将知识转变为能力的重要手段，也是学生对所学知识重新组织和建构的重要途径。结合教学，有针对性地设计实验方案的过程，还可以针对不同层次的学生设计不同的实验方案，因人施教，更符合大纲的要求。所以，良好的实验教学环境以及有针对性的实验方案，能够帮助学生在实验学习过程中发挥主动性、积极性与创造性，充分体现出学生的认知主体作用。

三、实验管理模式和教学软件

实行开放式教学更利于实验教学的管理。老师主要把握好宏观指导和计划学时数，把实验时间的支配权下放给学生，让学生在实验前自主地完成查阅资料、设计步骤等实验准备，既能够为每个实验做好更充分的准备，也便于学生消化吸收理论课程。

根据实验内容安排不同的人员组成实验小组，让不同层次的学生相互交叉，轮流组合，在自主设计实验、安装器材、总结结果的过程中培养互相配合、共同提高的团队精神。

教学实践上使用CAI软件介绍实验中所用到的器材，步骤以及具体要求等，不仅让学生更直观地了解到规范操作过程，详细生动地讲解，还可以让学生熟悉实验的整个过程，激发强烈的实验动手欲望。通过反复观看理论讲解和实验演示，还能够帮助学生解决实验过程中遇到的难点和问题。

四、实验教学方案的设计

(一)验证性实验方案的确立。验证性实验的目的是学生通过实验对计算机的基本组成模块、总线等进行实验活动，从实践的角度进一步理解理论知识。验证性实验方案还设计了两个整机实验，即给出已设计的指令系统、微指令进行整机测试，使学生从整体上理解微控制技术下计算机的各组成部件是怎样工作的，以及控制信号的作用和控制方式。在具体的实验教学环节，共设计了验证性实验题目六个，经过几轮教学，效果较好。下面分别对这几个实验题目进行介绍。一是运算器实验，实验目的是掌握简单运算器的组成和数据传送通路，在该实验中学生进行运算器的算术运算、逻辑运算、进位控制和移位运算的验证。二是存储器实验，实验目的是掌握随机存储器RAM工作特性，掌握静态随机存储器RAM的数据读写方法。在该实验中学生用手动拨位开关进行对SRAM的读写操作。三是微程序控制器的组成和微程序设计实验，实验目的是掌握微控制器的组成，微程序的编制、写入，观察微程序的运行，掌握EEPROM的工作特性和读写方法。四是总线控制实验，实验目的是理解总线的概念和特性，掌握总线传输控制特性。五是简单模型机实验，实验目的是在“微程序控制器的组成和微程序设计实验”的基础上，将各单元组成系统，构造一台基本模型计算机。本实验定义五条指令，IN、ADD、OUT、STA、JMP，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。六是复杂模型机实验，实验目的是综合运用所学计算机组成和结构知识，设计并实现较为完整的模型计算机。该实验指令系统设计包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、转移指令和停机指令。寻址模式有直接寻址、间接寻址、变址寻址和相对寻址。

(二)运用EDA技术设计计算机组成和结构的单元模块。随着理论教学和验证性教学进行的同时，让学生课后用MAX+PLUS II进行单元模块的设计和仿真实验。这些单元模块包括寄存器、程序计数器PC、存储器、运算器、时序电路等。这样一方面可以使学生进一步理解和掌握各模块的功能和作用，另一方面可以激发学生自己设计的积极性、主动性，同时熟练了MAX+PLUS II的使用，为即将进行的课程设计做好准备。

(三)运用EDA技术进行课程设计。在这一阶段，完全解除教材和课堂知识的约束，学生可自行设计出电路、程序、选题选元器件、计算机程序语言。同时实验室将所有的实验平台全面对学生进行开放，这样培养了学生的创造性思维，从而充分调动了学生学习热情和积极性。下面具体介绍课程设计的教学方案。

1.实施方案。课程设计的内容是完成模型计算机的设计和CPLD实现，课程设计的目的是通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。设计题目包括硬布线控制器的设计与实现，流水型微程序控制器的设计与实现，流水型硬布线控制器的设计与实现，基于RISC处理器构成的模型机的设计与实现等。课程设计使用VHDL为设计语言，选用了MAX+PLUS II作为设计软件，硬件使用了CPLD开发系统，其中的CPLD芯片为ALTERA MAX EPM7128SLC84-15。

2.设计、仿真和CPLD实现。MAX+PLUS II的设计过程包括设计输入、项目编译、项目校验和项目编程。模块设计要求进行时序仿真以验证设计的正确性，对于课程设计，不仅要求完成模型计算机的时序仿真，还要完成CPLD实现和硬件验证。数字系统设计的一般方法是采用自顶向下的层次化设计。在MAX+PLUS II中，可利用层次化设计方法来实现自顶向下的设计。一般在电路的具体实现时先组建底层设计，然后进行顶层设计。MAX+PLUS II支持功能仿真和时序仿真两种形式。功能仿真用于大型设计编译适配之前的仿真，而时序仿真是再编译适配生成时序信息文件之后进行的仿真。仿真时先建立仿真波形文件，设置输入信号波形，运行仿真器进行仿真。最后进行系统的编程下载，完成CPLD实现和硬件验证。

3.设计举例——模型计算机的设计方法。模型计算机的设计过程如图1所示。一是确定设计总要求。总线结构:单总线，数据总线位数8位、地址总线8位;存储器:内存容量1K*8位;控制器:用硬布线控制器实现24位微操作控制信号;运算器:实现加、减等8种操作;外设:输入设备用开关输入二进制数据，七段数码管和LED作输出设备;指令系统规模:16条指令，4种类型，4种寻址方式。二是设计模型机逻辑框图。模型计算机的逻辑框图如图2所示。SRAM由1K*8的静态存储器IDT7130构成，其他的运算器、寄存器和控制器在复杂可编程逻辑器件(CPLD)上设计。三是设计指令系统。指令类型:算术/逻辑运算指令，进行加、减、与、或、取反等;访存指令及转移指令;I/O指令;停机指令HALT。指令操作数寻址方式:直接寻址、间接寻址、变址寻址和相对寻址。四是设计指令执行流程。根据模型计算机结构框图设计指令系统中每条指令的执行流程。一条指令从内存取出到执行结束，需要若干个机器周期，任何指令的第一个机器周期都是“取指令周期”，一条指令一共需要几个机器周期取决于指令在机内实现的复杂程度。

图1 模型计算机的设计过程

图2 模型计算机的逻辑框图

五、结语

该实验教学方案已经过两轮的教学实践，教学效果较好。但也对教师提出了较高的要求，教师要对计算机原理和结构、EDA两方面的技术都熟悉。学生在课程设计过程遇到困难教师能够及时指导。第二轮教学编写了详细的实验指导书，做好实验准备，学生课后预习、认真准备，这样效果更佳。在实验教学过程中不断改进教学方案，根据各界学生的具体情况相应调整实验教学的细节，使其更好地服务于教学，取得最佳的教学效果。

［1］白中英，杨春武.计算机组成原理题解、题库与实验［M］.北京:科学出版社，2001

［2］徐晨，顾晖.应用EDA技术改革计算机组成原理实验教学［J］.电气电子教学学报，2004

［3］建英，徐爱萍.计算机组成原理实验课教改方案的设计［J］.实验室研究与探索，2005