賈彥竹, 石　松，包新月，劉　升

(淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,安徽 淮北 235000)

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計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

賈彥竹, 石松，包新月，劉升

(淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,安徽 淮北 235000)

[摘要]通過(guò)分析國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究進(jìn)展和國(guó)內(nèi)幾種典型的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理，剖析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足之處，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了切實(shí)可行的建議，對(duì)組成原理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方式和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果, 促進(jìn)普通高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)；組成原理；實(shí)驗(yàn)；高校

0引言

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)全國(guó)考研統(tǒng)考課程。教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)十分重要, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)各組成部分的工作原理，建立整機(jī)概念和計(jì)算機(jī)內(nèi)部指令運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程和時(shí)空關(guān)系。

為更好的進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，國(guó)內(nèi)科教儀器廠(chǎng)已研制了多種計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 這些平臺(tái)具有清晰的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)FPGA結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制，配有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)步驟等，基本上滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。但國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也存在著不少不足之處，如實(shí)驗(yàn)連線(xiàn)較多，注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，忽視了實(shí)驗(yàn)原理，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教材脫節(jié)，不能體現(xiàn)最新的計(jì)算機(jī)組成的原理和技術(shù)等。

國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究主要集中于基于FPGA和VHDL的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和基于虛擬技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究和設(shè)計(jì)，以及通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法、實(shí)驗(yàn)考核和師資隊(duì)伍建設(shè)等，進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的研究。本文主要概述計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)展，討論國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理，分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)、不足和改進(jìn)措施，并對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究進(jìn)展

為了提高計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)學(xué)者做出了多方面的研究，與計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有關(guān)的文獻(xiàn)主要集中在以下幾個(gè)方面：

1.1基于EDA技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

采用 FPGA芯片、SRAM和其它外圍芯片，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求, 重新規(guī)劃不同的實(shí)驗(yàn)控制邏輯，把實(shí)驗(yàn)邏輯下載到 FPGA片中構(gòu)成自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于FPGA芯片結(jié)合VHDL語(yǔ)言可以重復(fù)編程使用，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能,提高系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。文獻(xiàn)1在FPGA上實(shí)現(xiàn)了微處理器的設(shè)計(jì)，采用微程序控制的方法，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)工具觀察分析處理器工作時(shí)內(nèi)部信息流動(dòng)[1]。文獻(xiàn)2-6提出并利用FPGA和VHDL語(yǔ)言，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用和現(xiàn)代硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)組成原理實(shí)驗(yàn)中的主要器件進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì),將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行設(shè)置與優(yōu)化[2-6]。文獻(xiàn)7-8介紹了應(yīng)用 EDA技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)改革的思路和方法，并在實(shí)驗(yàn)中使用 Verilog設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的計(jì)算機(jī) ,并使用FPGA開(kāi)發(fā)工具仿真和驗(yàn)證其設(shè)計(jì)[7-8]。文獻(xiàn)9從技術(shù)和EDA、FPGA發(fā)展應(yīng)用的角度,研究了目前計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改造的必要性,并對(duì)JZYL-Ⅱ型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了分析[9]。

1.2虛擬實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)可以不受時(shí)間和空間的限制，不用在實(shí)驗(yàn)室完成，不需要有實(shí)驗(yàn)儀器。對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)方式有著巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)不像數(shù)字電路等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢雍?jiǎn)單；即使復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)電路，也很難完全再現(xiàn)計(jì)算機(jī)的工作原理，但通過(guò)虛擬的方式卻可以全面再現(xiàn)運(yùn)算器、存儲(chǔ)器等工作原理。文獻(xiàn)10提出了一種積木式的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，介紹了該方案的整體設(shè)想及實(shí)驗(yàn)安排[10]。文獻(xiàn)11-14研究了基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)方法。針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況,在對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室功能架構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,從面向?qū)ο蟮慕嵌瘸霭l(fā)研究了基于Web的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程[11-14]。文獻(xiàn)15采用面向?qū)ο蟮姆抡娣椒ㄟM(jìn)行建模,應(yīng)用離散事件系統(tǒng)仿真的基本理論和方法,使得虛擬環(huán)境的操作真實(shí)感強(qiáng)[15]。文獻(xiàn)16針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求和現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)室的不足，提出了“計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了具體的研究和設(shè)計(jì)[16]。

1.3改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法和考核方式提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過(guò)分析當(dāng)前我國(guó)高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，深入剖析其中存在的問(wèn)題，提出幾點(diǎn)切實(shí)可行的改進(jìn)方法，以提高計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,推進(jìn)我國(guó)高校普通計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)的發(fā)展[18]。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)考核、成績(jī)?cè)u(píng)定和師資隊(duì)伍建設(shè)等方面，進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面一些研究與探索[19,20]。

2國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能比較

2.1國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概況

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、寄存器實(shí)驗(yàn)、總線(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)、時(shí)序?qū)嶒?yàn)、控制器實(shí)驗(yàn)、模型機(jī)實(shí)驗(yàn)和輸入輸入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)高校使用的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀種類(lèi)較多，代表性的有清華大學(xué)科教儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的TEC系列實(shí)驗(yàn)儀、西安唐都科教儀器公司生產(chǎn)的TDN-CM+系列實(shí)驗(yàn)箱；還有早期的復(fù)旦大學(xué)科教儀器廠(chǎng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)箱，以及武漢眾友CPTH、江蘇啟東DVCC-C9JH和上海星研COP2018等計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱等。這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式都是由單片機(jī)和FPGA實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制，結(jié)構(gòu)和功能都不盡相同，但都能夠完成以上這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿(mǎn)足了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的基本要求，填補(bǔ)了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的空白。下面以清華大學(xué)科教儀器廠(chǎng)設(shè)計(jì)的TEC-8為主，結(jié)合其它幾臺(tái)典型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析國(guó)內(nèi)主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理和不足之處。

2.2國(guó)內(nèi)主要計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

和實(shí)際計(jì)算機(jī)的基本組成一樣，計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)序電路、總線(xiàn)傳輸控制電路和簡(jiǎn)單的IO電路組成。清華大學(xué)科教儀器廠(chǎng)設(shè)計(jì)的TEC-8組成原理實(shí)驗(yàn)儀的框圖示與圖1，實(shí)驗(yàn)儀主要組成單元有ALU單元、寄存器、RAM、時(shí)序電路、總線(xiàn)控制和指令控制等。

實(shí)驗(yàn)儀的運(yùn)算器由ALU單元和寄存器組成，TEC-8實(shí)驗(yàn)儀和TDN-CM++實(shí)驗(yàn)儀都使用兩片74LS181組成ALU，實(shí)現(xiàn)8位的算邏運(yùn)算。其它實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用FPGA模擬8位ALU運(yùn)算單元。運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)的目的就是了解運(yùn)算器的組成，掌握運(yùn)算器的工作原理，驗(yàn)證運(yùn)算器的算術(shù)邏輯運(yùn)算功能。另外TEC-8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以使用自帶的邏輯筆測(cè)試節(jié)拍脈沖信號(hào)。寄存器用于向運(yùn)算器提供A和B兩個(gè)操作數(shù)，保存運(yùn)算結(jié)果等。TEC-8實(shí)驗(yàn)儀由1 片 EPM7064芯片提供4個(gè)8位的寄存器R0～R3， 作為通用寄存器使用，如圖1中的虛線(xiàn)內(nèi)所示。其它實(shí)驗(yàn)儀使用74HC574等鎖存器作為寄存器，武漢眾友的CPTH實(shí)驗(yàn)儀還包括累加器A，工作寄存器W等。使用74LS181作為ALU和課本的知識(shí)一致，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些。

存儲(chǔ)器和CPU一起組成主機(jī)。除了TEC-8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器由雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器IDT7132組成外，其它實(shí)驗(yàn)儀的存儲(chǔ)器都是由普通靜態(tài)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，如6116、2114等。通過(guò)存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)，了解存儲(chǔ)器EM 的工作原理及控制方法，掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和讀出數(shù)據(jù)的過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)儀的時(shí)序電路由時(shí)鐘源、時(shí)序脈沖產(chǎn)生和譯碼電路、時(shí)序啟停邏輯等組成，提供CPU周期所需的時(shí)序信號(hào)，用于讀取并執(zhí)行指令； TEC-8實(shí)驗(yàn)的時(shí)序電路有兩片由2片GAL22V10實(shí)現(xiàn)，其它的實(shí)驗(yàn)儀由FPGA實(shí)現(xiàn)。掌握時(shí)序電路工作原理和分析方法，對(duì)深入的理解計(jì)算機(jī)的組成原理有很大的幫助。

控制器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部分，控制器的基本功能就是把機(jī)器指令轉(zhuǎn)換為按照一定時(shí)序來(lái)控制機(jī)器各組成部件的工作信號(hào)，產(chǎn)生系列動(dòng)作，完成指令所規(guī)定的操作。實(shí)驗(yàn)儀的控制器都是由單片機(jī)配合FPGA實(shí)現(xiàn)，主要側(cè)重于微程序控制器實(shí)驗(yàn)，掌握微程序控制器的實(shí)現(xiàn)方法，尤其是微地址轉(zhuǎn)移邏輯的實(shí)現(xiàn)原理。TEC-8的微指令可以實(shí)現(xiàn)模型機(jī)基本指令，采用的微指令字長(zhǎng)40位，順序字段11 位(判別字段P4～P0，后繼微地址NμA5～NμA0)，控制字段29 位，微命令采用直接控制方式?？刂拼鎯?chǔ)器由5片58C65組成，控存容量40K*8，微地址寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯都是由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。TDN-CM+的微指令字長(zhǎng)24位，不全是直接控制方式，加入了三個(gè)譯碼字段。其它幾種實(shí)驗(yàn)儀都和TDN-CM+類(lèi)似，使用混合的控制方式。

總線(xiàn)是一組能為多個(gè)部件共享的公共信息傳輸線(xiàn)路，決定計(jì)算機(jī)性能、功能、可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化程度等重要因素。實(shí)驗(yàn)儀的總線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的總線(xiàn)控制功能。TDN-CM+的總線(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)仲裁功能，實(shí)際上是由VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì)上述控制邏輯，并將生成的目標(biāo)文件下載至 CPLD 芯片中；其它實(shí)驗(yàn)儀沒(méi)有總線(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)，TEC-8提供了數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)。

2.3計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能比較

以上通過(guò)對(duì)典型的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的分析，對(duì)國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論。可以看出，國(guó)內(nèi)高校配置的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿(mǎn)足了計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，提高了課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量和實(shí)踐能力，是理論教學(xué)深化和補(bǔ)充。相比較而言，TEC-8實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)功能完善，技術(shù)先進(jìn)，如雙端口內(nèi)存和雙端口寄存器的使用，但這些技術(shù)在普通計(jì)算機(jī)中卻很少使用，實(shí)驗(yàn)儀硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，學(xué)生難于短時(shí)間理解實(shí)驗(yàn)的工作原理。其它幾種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，TDN-CM+是74LS181結(jié)合FPGA實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器和控制器功能，其它平臺(tái)都是用單片機(jī)和FPGA仿真運(yùn)算器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器功能的，這些不同的設(shè)計(jì)方式使學(xué)生較難理解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理，更不能反映實(shí)際計(jì)算機(jī)的工作原理。

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器等組成，總線(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。不同總線(xiàn)之間的連接每個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的方式也不相同。如TEC-8、TDN-CM+和CPTH實(shí)驗(yàn)儀的總線(xiàn)連接使用開(kāi)關(guān)和排線(xiàn)，使用較方便；COP2018的連線(xiàn)就相當(dāng)麻煩，每次實(shí)驗(yàn)要連接多條線(xiàn)，糾錯(cuò)也很困難。除TEC-8外使用數(shù)碼管顯示外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都配備了液晶顯示屏。還可以將實(shí)驗(yàn)儀和PC機(jī)通過(guò)串口或者USB口聯(lián)機(jī)，使用聯(lián)機(jī)軟件操作。圖2是COP2018實(shí)驗(yàn)儀隨機(jī)的聯(lián)機(jī)軟件在選擇“運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)”后，顯示的數(shù)據(jù)通路圖?？梢钥吹?，數(shù)據(jù)通路圖可以實(shí)時(shí)反映運(yùn)算器、存儲(chǔ)器等的操作，包括節(jié)拍點(diǎn)位、控制信號(hào)對(duì)寄存器、運(yùn)算器和存儲(chǔ)器的影響，以及總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的傳輸，給學(xué)生建立整機(jī)的觀點(diǎn)。

3計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)交互性和擴(kuò)展性差，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?，影響學(xué)生創(chuàng)新能力

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)配備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用簡(jiǎn)化了教師的工作量，學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)步驟連接好導(dǎo)線(xiàn)，輸入控制信號(hào)，觀察輸出信號(hào)就完成了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)組成原理的理論知識(shí)。這樣學(xué)生就側(cè)重于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽略了實(shí)驗(yàn)原理。另外由于計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連線(xiàn)較多，總線(xiàn)包括地址總線(xiàn)ABUS、數(shù)據(jù)總線(xiàn)DBUS、指令總線(xiàn)IBUS，還有控制信號(hào)等，所以學(xué)生大部分時(shí)間都浪費(fèi)在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備上，另外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖容^單一，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，影響學(xué)生的創(chuàng)新能力，影響教學(xué)效果。

3.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和課本內(nèi)容不一致，和實(shí)際的計(jì)算機(jī)技術(shù)脫節(jié)

計(jì)算機(jī)組成原理課本的一些重要的知識(shí)內(nèi)容沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，如Cache、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM等，這些技術(shù)是實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)重要的技術(shù)。另外計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比實(shí)驗(yàn)中的模型機(jī)復(fù)雜的多，多級(jí)總線(xiàn)、多核CPU、多級(jí)Cache、睿頻加速和多種IO總線(xiàn)，這在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上都沒(méi)有得到體現(xiàn)。

4總結(jié)和展望

4.1總結(jié)

國(guó)內(nèi)高校為計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程配置的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本滿(mǎn)足了計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，提高了教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)踐能力，是理論教學(xué)深化和補(bǔ)充。但也存在著實(shí)驗(yàn)繁瑣、和教材不配套等不足之處。

國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究主要集中在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和基于FPGA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，以及計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改進(jìn)。缺乏針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的更為系統(tǒng)的、深入的理論研究。

隨著國(guó)內(nèi)高校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)模擬的方式幫助用戶(hù)建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，加深對(duì)計(jì)算機(jī)“時(shí)空”概念的理解和對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的整體分析和解決問(wèn)題的能力。

4.2計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)建議和展望

4.2.1虛擬技術(shù)將再現(xiàn)計(jì)算機(jī)的組成原理和工作過(guò)程

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為虛擬實(shí)驗(yàn)帶來(lái)新的生機(jī)，特別是對(duì)于一些復(fù)雜的課程，如計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用3D數(shù)字化技術(shù)、高分辨率的顯示技術(shù)、多傳感器技術(shù)、多種交互技術(shù)，能夠生成逼真的3D虛擬場(chǎng)景，再現(xiàn)計(jì)算機(jī)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、指令流、數(shù)據(jù)流、多核CPU、多級(jí)Cache、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器等工作原理和工作過(guò)程，并能使學(xué)生與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因而能夠提供比現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置更佳的性能和更好的教學(xué)效果。

4.2.2學(xué)生自主設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)

嵌入式系統(tǒng)的普及和大規(guī)模可編程集成電路的發(fā)展，特別是SOPC技術(shù)的出現(xiàn)和完善，學(xué)生可以使用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上,實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理。另外嵌入式計(jì)算機(jī)的模塊化，學(xué)生可以買(mǎi)到CPU模塊、存儲(chǔ)器模塊，以及IO接口模塊，可以自主設(shè)計(jì)和拼裝計(jì)算機(jī)，這樣可以真正理解計(jì)算機(jī)組成原理。

4.2.3計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)方式將多樣化

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，不同的需求產(chǎn)生不同的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，集成度也是越來(lái)越高。如PC系列微機(jī)基于Intel微處理器的架構(gòu)，Mac系列微機(jī)的架構(gòu)，手機(jī)和平板的架構(gòu)等。因此計(jì)算機(jī)組成原理課程也將隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新不斷更新教學(xué)內(nèi)容。不同的計(jì)算機(jī)組成方式需要不同的實(shí)驗(yàn)方式，通過(guò)模擬、仿真或者在實(shí)際架構(gòu)上的計(jì)算機(jī)上實(shí)驗(yàn)，肯定會(huì)出現(xiàn)多種教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

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The Exploration into Experimental Teaching of Principle of Computer Organization

JIA Yanzhu, SHI Song, BAO xinyue, LIU Sheng

(SchoolofComputerScienceandTechnology,HuaibeiNormalUniversity,Huaibei235000,China)

Abstract：Through the analysis of the research progress of computer composition principle experiment teaching and the typical experimental instruments for computer organization, the characteristics of the experimental instruments and the deficiencies of experiment teaching were analyzed. The advanced practical suggestions for the experimental teaching were proposed, and the development trend of the composition principle experiment was studied. Through improving the experiment method and the experiment teaching effect, the development of the teaching of computer composition principle in ordinary university will be promoted.

Key words：computer; principle of organization; experiment; university

[收稿日期]2016-01-17

[基金項(xiàng)目]安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No. KJ2014A225)

[第一作者簡(jiǎn)介]賈彥竹(1972-),女,山東菏澤人，淮北師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，主要從事模糊數(shù)學(xué)和信號(hào)處理研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP391

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1674-2273(2016)03-0074-05