馮國(guó)富,馬玉奇,易叢琴,董立夫

（上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306）

面向數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成原理銜接的實(shí)踐環(huán)節(jié)

馮國(guó)富,馬玉奇,易叢琴,董立夫

（上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306）

針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)內(nèi)容無(wú)顯式銜接、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段滯后等問(wèn)題，提出一種面向數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成原理有效銜接的實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)以EDA原理圖設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)方法，充分結(jié)合數(shù)字邏輯課程的核心知識(shí)，實(shí)現(xiàn)具備計(jì)算機(jī)處理器特征的原型設(shè)計(jì)，并將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)顯式地劃分為手動(dòng)時(shí)序控制與自動(dòng)時(shí)序控制兩個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，使學(xué)生在數(shù)字邏輯課程的基礎(chǔ)上理解與感受計(jì)算機(jī)的運(yùn)行機(jī)制。教學(xué)實(shí)踐表明，該實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅使學(xué)生有效地掌握數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識(shí)，并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理打下良好基礎(chǔ)。

數(shù)字邏輯；處理器；計(jì)算機(jī)組成原理；EDA原理圖

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類主干課程從低到高依次為數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)[1]，而數(shù)字邏輯作為此系列課程的先導(dǎo)課程[2]，在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)體系中具有重要作用，與計(jì)算機(jī)組成原理課程有很強(qiáng)的銜接性。計(jì)算機(jī)組成原理課程著眼于計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)，數(shù)字邏輯課程側(cè)重于電子實(shí)現(xiàn)，此兩門課程間有必然的聯(lián)系，尤其是在數(shù)據(jù)通路和時(shí)序控制的概念上[3]。

對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)不僅要以數(shù)字邏輯理論教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)[4]，更應(yīng)該充分考慮與計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的銜接[56]。目前，雖然這兩門課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)體系中相輔相成，但在實(shí)際的理論教學(xué)上銜接度很低，甚至許多計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)不到兩門課程間的關(guān)系。傳統(tǒng)數(shù)字邏輯實(shí)踐環(huán)節(jié)僅作為理論課的簡(jiǎn)單擴(kuò)展，實(shí)踐內(nèi)容多為計(jì)數(shù)器、加法器等孤立知識(shí)點(diǎn)，缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容與思想的體現(xiàn)，且在教學(xué)中得不到足夠重視，在成績(jī)中只占10%～20%的比例[7]，加之傳統(tǒng)手工實(shí)驗(yàn)方式使用效率較低[8]，使這兩門課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上很難取得實(shí)質(zhì)性的銜接。

1 實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)

作為數(shù)字邏輯課程向計(jì)算機(jī)組成原理過(guò)渡的實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)踐內(nèi)容應(yīng)以計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)為框架，即包括輸入/輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器及總線結(jié)構(gòu)[9]。筆者提出的實(shí)踐環(huán)節(jié)分10個(gè)實(shí)驗(yàn)，覆蓋數(shù)字邏輯課程中的核心教學(xué)內(nèi)容，包括編碼器、譯碼器、加法器、寄存器、分頻器、計(jì)數(shù)器等，實(shí)現(xiàn)具有計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)五大部件特征的原型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)具有計(jì)算機(jī)處理器特征的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以手動(dòng)控制，也可由控制器自動(dòng)控制。實(shí)踐環(huán)節(jié)總體圖見(jiàn)圖1。

實(shí)踐內(nèi)容完全基于數(shù)字邏輯課程的核心知識(shí)，通過(guò)顯式引入數(shù)據(jù)總線、自定義組合控制電路及控制總線，融合各個(gè)核心知識(shí)，最終構(gòu)建一個(gè)具有處理器特征的原型系統(tǒng)。同時(shí)，借以數(shù)據(jù)總線與自定義組合控制電路分別強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)通路與時(shí)序控制這兩個(gè)重要概念。該原型系統(tǒng)采用模塊化[10]設(shè)計(jì)方法，其中，輸入模塊包括二路輸入裝置（八位撥碼開(kāi)關(guān)和八位按鍵），輸出顯示模塊包括數(shù)碼管顯示和LED燈；加法器對(duì)寄存器1與寄存器2的數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運(yùn)算，并將相加的結(jié)果存入寄存器3；控制器由分頻器、計(jì)數(shù)器及譯碼器組成，并通過(guò)組合控制電路為系統(tǒng)提供時(shí)序控制。

圖1 實(shí)踐環(huán)節(jié)總體圖

2 核心環(huán)節(jié)分析

在模塊化設(shè)計(jì)的同時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)著重引入手動(dòng)時(shí)序控制和自動(dòng)時(shí)序控制兩個(gè)核心環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生有效理解計(jì)算機(jī)的工作原理。

2.1 手動(dòng)時(shí)序控制環(huán)節(jié)

所謂手動(dòng)時(shí)序控制，即學(xué)生借助鍵盤或其他設(shè)備等，手動(dòng)操控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行，使學(xué)生能夠清晰地看到系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。

由實(shí)踐環(huán)節(jié)總體圖可知，要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)時(shí)序控制，需引入三態(tài)緩沖門控制各模塊與四位數(shù)據(jù)總線的通斷狀態(tài)。在此采用矩陣鍵盤按鍵1、按鍵2、按鍵3及按鍵Enter，分別產(chǎn)生控制信號(hào)OE0～OE6，控制三態(tài)緩沖門的通斷及寄存器。其中OE0為第一路輸入的三態(tài)緩沖門控制信號(hào)，OE1為第二路輸入的三態(tài)緩沖門控制信號(hào)，OE2為寄存器1的三態(tài)緩沖門控制信號(hào)，OE3為寄存器2的三態(tài)緩沖門控制信號(hào)，OE4為寄存器1控制信號(hào)，OE5為寄存器2控制信號(hào)，OE6為控制輸出運(yùn)算器結(jié)果的三態(tài)緩沖門控制信號(hào)。為了方便手動(dòng)操作，在此環(huán)節(jié)不對(duì)運(yùn)算器的結(jié)果進(jìn)行寄存。具體操作見(jiàn)表1。

表1 手動(dòng)時(shí)序控制的具體操作

2.2 自動(dòng)時(shí)序控制環(huán)節(jié)

控制器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的主要機(jī)制[11]，自動(dòng)時(shí)序控制環(huán)節(jié)也是本次實(shí)踐的重點(diǎn)和難點(diǎn)。自動(dòng)時(shí)序控制器具體分為4個(gè)子模塊：一是分頻器；二是3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器；三是3線—8線譯碼器；四是自定義組合控制電路。控制器功能圖如圖2所示。

圖2 控制器功能圖

首先，使用分頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的分頻（使用HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)），產(chǎn)生低頻信號(hào)；其次，基于D觸發(fā)器設(shè)計(jì)3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)分頻信號(hào)的計(jì)數(shù)；譯碼器對(duì)計(jì)數(shù)器的3位數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼輸出I0～I(xiàn)7，產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)；最后，通過(guò)自定義組合控制電路，對(duì)這8個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)進(jìn)行分配，產(chǎn)生控制信號(hào)OE0～OE7，其中OE7為寄存器3的控制信號(hào)。自定義組合控制電路的真值表見(jiàn)表2。

3 實(shí)驗(yàn)方法選擇

通常在傳統(tǒng)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生使用標(biāo)準(zhǔn)IC，利用自底向上的設(shè)計(jì)思路，在面包板上接線操作。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握典型芯片的基本特性和主要應(yīng)用，同時(shí)一定程度上鍛煉動(dòng)手能力和邏輯分析能力。但由于各器件之間需要許多連線，一旦改變?cè)O(shè)計(jì)方案，不但需要更換器件，還需要重新進(jìn)行大量的連線操作，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有相當(dāng)一部分精力花費(fèi)在連線、查錯(cuò)等瑣事上[12]，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)枯燥、乏味，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

基于HDL語(yǔ)言（硬件描述語(yǔ)言）設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用自頂向下的設(shè)計(jì)思路[13]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以編程為主。直接利用HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)功能模塊的描述與連接，提高了實(shí)驗(yàn)成功率。然而計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生往往重視軟件忽略硬件，把HDL語(yǔ)言看成普通的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，不能建立起對(duì)硬件電路的直觀認(rèn)識(shí)，同時(shí)基于HDL語(yǔ)言的實(shí)驗(yàn)方式也不能很好地體現(xiàn)時(shí)序等概念。

此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于接線錯(cuò)綜復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，而基于硬件描述語(yǔ)言的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)語(yǔ)言描述線路連接，也不能顯式地體現(xiàn)數(shù)據(jù)通路。

表2 自定義組合控制電路真值表

鑒于此，筆者提出以基于QuartusⅡ的邏輯電路原理圖設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)方法，采用原理圖設(shè)計(jì)代替語(yǔ)言描述，意在讓學(xué)生深刻理解計(jì)算機(jī)硬件的概念，同時(shí)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

以輸入模塊的設(shè)計(jì)為例，先介紹采用原理圖設(shè)計(jì)方法的具體過(guò)程。本系統(tǒng)采用二路輸入，第一路輸入為8位撥碼開(kāi)關(guān)；第二路輸入為8位按鍵。輸入分別經(jīng)8線—3線優(yōu)先編碼器生成3位二進(jìn)制編碼。8線—3線優(yōu)先編碼電路原理圖見(jiàn)圖3，仿真波形見(jiàn)圖4。

圖3 8線—3線優(yōu)先編碼電路原理圖

圖4 8線—3線優(yōu)先編碼電路波形仿真圖

在實(shí)現(xiàn)原理圖輸入、波形仿真后，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模塊符號(hào)文件的生成，以便在上層設(shè)計(jì)中直接調(diào)用。此外，系統(tǒng)還包括數(shù)碼管輸出顯示模塊、實(shí)現(xiàn)3位二進(jìn)制數(shù)加法運(yùn)算的運(yùn)算器、帶三態(tài)緩沖門的4位并行寄存器等，在此不一一贅述。

此實(shí)驗(yàn)方法不僅使學(xué)生對(duì)硬件電路有直觀的認(rèn)識(shí)，而且可以很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高設(shè)計(jì)效率及實(shí)驗(yàn)成功率。

4 教學(xué)效果

（1）加深了學(xué)生對(duì)數(shù)字邏輯課程核心知識(shí)的理解與掌握。

（2）形成了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)的初步認(rèn)識(shí)。

（3）通過(guò)原理圖設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。

（4）實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐操作的結(jié)合，大大增加了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的學(xué)習(xí)興趣。

（5）由于實(shí)踐環(huán)節(jié)以自主性實(shí)驗(yàn)為主，所以學(xué)生對(duì)其中各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)提出各自的設(shè)計(jì)思路，很好地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

此教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容不僅涵蓋了數(shù)字邏輯課程的重要知識(shí)，包括編碼器、譯碼器、運(yùn)算器、寄存器、計(jì)數(shù)器等，與計(jì)算機(jī)組成原理中核心教學(xué)內(nèi)容形成顯式銜接，同時(shí)劃分為手動(dòng)時(shí)序控制和自動(dòng)時(shí)序控制兩個(gè)實(shí)踐階段，并以原理圖設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)手段，使學(xué)生有效地建立起對(duì)計(jì)算機(jī)硬件及其運(yùn)行機(jī)制的直觀認(rèn)識(shí)。

該實(shí)踐環(huán)節(jié)運(yùn)用于上海海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，是計(jì)算機(jī)專業(yè)大一學(xué)生的必修課程，設(shè)置于數(shù)字邏輯課程之后的短學(xué)期，先于第二學(xué)年的計(jì)算機(jī)組成原理課程，并獨(dú)立設(shè)課、有獨(dú)立學(xué)分，課程實(shí)施后，取得了較好的教學(xué)效果。

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（編輯：孫怡銘）

1672-5913(2017)02-0141-05

G642

上海海洋大學(xué)教改項(xiàng)目“嵌入式操作系統(tǒng)上海海洋大學(xué)重點(diǎn)課程建設(shè)”（A1-0201-00-1050）。

馮國(guó)富，男，副教授，研究方向?yàn)楦咝阅苡?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，jt_f@163.com。