计算机组成原理实验教学改革探讨
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0155-02
Abstract：This paper analyzes the important role of the current computer composition principle experiment teaching situation and existing problems，experimental teaching in teaching computer organization，and then propose a computer composition principle experiment teaching reform ideas，and finally summarized.
Key words：experimental teaching；computer organization；experimental arrangement；experiment Reform
本文主要阐述了计算机组成原理实验教学的改革思路。以全面提高教学质量为宗旨，以创新设计模式为主要指导思想，将硬件描述语言、先进的EDA开发工具和技术引入实验中，逐步更新传统硬件实验中的陈旧内容、模式及其实验平台，将成为计算机组成原理实验的一个发展趋势。改进后的计算机组成实验将实用性、技术的前沿性和实现实验的趣味性很好地结合，对课程的内容有很好的对应性。从而提高了学生学习的兴趣，提升了学生的就业竞争力。
1 计算机组成原理实验教学的现状及存在问题分析
计算机组成原理课程是计算机专业的一门核心课程，也是全国计算机专业硕士研究生入学试必考的科目之一，它在整个计算机专业课程体系中具有承上启下的作用[1]。计算机组成原理实验是“计算机组成原理”课程的配套实验，属于涉及计算机内部工作机制的硬件类实验。在计算机技术飞速发展的今天，硬件的理论知识只有通过实验环节才能加深理解，实验能使学生掌握计算机硬件设计、制造、调试和运行维护等多方面的技能，训练学生动手能力，培养创新能力及认真、严谨的科研作风。
《计算机组成原理》实验教学重点是组成计算机的基本部件，包括存储器、运算器、控制器、输入输出系统和连接它们之间的系统总线的构成、组织方式和工作原理；该课程的难点是如何掌握以控制流和数据流为主线，将计算机的各大部件联系起来，建立整机概念。所以，该门课的实验教学方法起到了至关重要的作用[3]。传统的实验教学方法是：首先教师讲解实验，学生再按照指导书的实验步骤，利用现成实验箱按部就班地进行验证实验，最后教师检查实验数据记录。这种教学方式使学生不求甚解，根本无法直观、形象地描述计算机内部组成的工作过程和原理。
2 计算机组成原理实验教学改革的思路
针对目前计算机组成原理实验教学中存在的普遍问题，作者根据在教学中曾进行过的有效尝试提出了一些改革思路。
我院所用的计算机组成原理实验器材是复旦大学研制的FD-CES多功能计算机实验系统，主要包括运算器、控制器、存储器、总线四个部件实验和一个整机实验。以前做实验基本上都属于验证型实验，实验课时，教师先讲一下实验原理，然后学生就按照厂家配备的实验板和实验步骤进行连线和操作，很多学生只是机械的按实验步骤连线和操作，根本不明白每步操作代表什么含义，有什么作用。为了提高学生独立思考和解决问题的能力，我们将运算器、存储器和总线实验由原来的验证型实验改成设计型实验。在实验前一周，教师首先在课堂上对实验原理进行讲解，然后再把实验电路板的线路图复印给学生，让学生事先对整个电路详图有一定的了解，实验时，教师再结合实验板和线路图讲清实验板上各个芯片和信号的作用，最后由教师引导学生自行设计实验步骤并完成实验内容。在实验教学中我们引入了一种新的实践教学方法，发挥现代化的计算机，结合计算机图形技术、网络技术、多媒体技术进行计算机辅助实践教学。这种教学方法将计算机中比较抽象的工作原理和工作过程以动画的形式演示出来，让学生能清楚地了解数据流动的过程和最终结果，更好地掌握整机的概念。采用这种教学方式更直观、更形象、更具有吸引力。这样能够进一步发挥学生的能动性、提高学习兴趣。
3 实验教学内容的设计安排
实验教学的安排按照由浅入深，循序渐进的方式进行，合理选择实验内容，尽量避免过多过杂。内容选择注意举一反三，即以启发思维为主，对设计型、综合型实验只要能完成预定实验目标即可，不苛求实验过程与步骤的统一。实验教师在实验中主要起到引导的作用，实验前的讲解以重点、难点和注意事项为主，而不需要面面俱到。可以先提出一些问题，让学生带着问题去做、去观察、去思考。实验中，则应以学生为主体，让每个同学通过操作行为感受计算机的物理过程。鼓励学生自己修改实验，有时学生对自己设计的实验内容没有把握，一旦经过操作实践后就清楚了。他在实验一起上修改实验步骤，观察修改后的结果，实际上就是了解改动部分在整个操作过程中所起的作用，这种作用的认识和理解不是通过说教得来的，而是切身经历的、看到的，学生对它的理解、记忆就要深刻的多。
具体实验具体的实验内容应覆盖计算机组成原理课程教学中的各重要方面：计算器，存储器，时序部件，总线和整机实验。类型分为选作和必做。每个实验分属验证型、设计型或综合型。根据以上思考，我们在实验内容的选择、实验步骤的设计和实验文档的组织等诸方面都做了精心的考虑和安排，尝试为“计算机组成原理”课程编写了《计算机组成原理实验指导书》。现列举几个必做实验内容如下。 3.1 实验一：运算器部件实验
（1）实验类型。
设计型实验。
（2）实验目的。
①掌握4位函数发生器74181，先行进位发生器74182，以及多功能8位移位寄存器74198的工作原理和使用方法。
②掌握16位串/并运算器的工作原理及设计方法。
（3）实验要求。
①用四片4位并行算术逻辑运算单元74181、一片先行进位发生电路74182、两片74198及两片74377等，组装一个组间进位并行/串行可变的16位运算器（每组四位）。
②验证集成电路74181、74198的功能。
③分别测试16位运算器组间串行进位和并行进位情况下的最大进位延迟时间。
3.2 实验二：存储部件实验
（1）实验类型。
设计型实验（给定实验方案，自行设计硬件连线和实验步骤）。
（2）实验目的。
①掌握半导体静态RAM6116的特性和使用方法。
②掌握多片存储器的扩展技术和片选技术。
（3）实验要求。
①用两片6116（2K×8）构成一个4K×8bit 的RAM。
②测量6116的读/写时间。
3.3 实验三：时序电路部件实验
（1）实验类型。
验证型实验。
（2）实验目的。
①增强对计算机时序系统的认识。
②掌握使用中小规模集成电路研制计算机时序电路的方法。
（3）实验要求。
验证一个性能如下的计算机时序电路如下。
①能产生四个机器周期状态：M0，M1，M2，M3。
②每个机器周期状态均含有四个节拍电位：T0，T1，T2，T3。
③每个节拍电位中含有三个完整的时钟脉冲：CP1，CP2，Φ。
3.4 实验四：总线传输实验
（1）实验类型。
设计型实验。
（2）实验目的。
①通过一个简单的8位总线传输线路了解总线传输控制技术。
②熟悉几种常用的三态输出期间的性能和使用方法。
（3）实验要求。
给定实验部件，试设计连线和试验步骤，构成一个8位单总线系统，利用它完成存储器和寄存器的读写，并通过总线实现内存和存储器之间的数据交换。
3.5 实验五：整机实验
（1）实验类型。
综合型实验。
（2）实验目的。
①了解多累加器计算机的特点；
②了解几种寻址方式的控制过程；
③掌握微程序控制的计算机的设计方法，加深了解微程序的特点；
④通过设计和调试了解计算机如何执行指令，如何控制I/O设备工作。
（3）实验要求。
对实验仪资源进行剪裁，自行研制一台实验计算机。要求实验计算机具有以下特点。
①有外部设备。
②运算器采用单累加器结构（KA、KB、KC、KR分别置于左、右、右、左）。
③操作数采用直接地址方式。
④外设和主存统一编址，当a10=0，访问主存；a10=1，访问外设。
⑤自编微指令格式和微程序。
⑥自编调试程序及应用程序。
4 结语
改进后的计算机组成实验将实用性、技术的前沿性和实现实验的趣味性很好地结合，对课程的内容有很好的对应性，具有鲜明的特点和极强的针对性，使学生不仅能亲手触摸到如今高速发展的现代计算机主流应用的开发技术，还能提高学生学习的兴趣，提升学生的就业竞争力。
总之，以全面提高教学质量为宗旨，以创新设计模式为主要指导思想，将硬件描述语言、先进的EDA开发工具和技术引入实验中，逐步更新传统硬件实验中的陈旧内容、模式及其实验平台，将成为计算机组成原理实验的一个发展趋势。
