《计算机组成原理实验教学探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理实验教学探讨（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机组成原理实验教学探讨 西安唐都科教仪器公司 “计算机组成原理”这门课主要讲授计算机的基本组成原理和模型计算机的实现方法，可使学生对计算机系统的基本原理有一个清晰的概念和认识，能更好的培养学生的创新意识和设计能力，也可使学生对计算机系统结构方面有一个初步的认识和理解。涉及的内容为从计算机的各组成部件到完整的模型计算机，从模型计算机的指令系统到存储系统与存储技术、输入输出系统与 I/O 技术等。 “计算机组成原理”这门课是基础课，内容要完整，其教学手段要形象化，使学生容易学会本课程内容，可适当引进大规模逻辑设计手段，但不要过于复杂，不要片面追求所谓“先进” ，如： “全面 FPGA设计”或“
2、16 位是高性能”等，因为这些所谓的“先进”一点都不代表当今计算机发展的先进技术，反而成了学生学懂本门课的障碍，计算机组成原理课程还是要让学生搞懂原理和完整的计算机构成，使用图形化的调试工具能帮助学生很好地理解课程内容，使本课程达到好教易学的效果。 一、 “计算机组成原理”课程实验教学的意义 “计算机组成原理”课程中的概念抽象，计算机内部的组成情况无法直观显现，具有难教难学的特点，所以具有图形化调试工具的实验教学则对本门课程能起到非常好的教学效果。通过实验，学生可将书本上难于理解的概念搞明白，又能对计算机真实的工作过程有个完整的理解和把握，对于学生掌握本门课的内容和知识要点，并顺利通过考研都能
3、起到很大的作用。 “计算机组成原理”作为基础课，为开展后续的专业基础课“计算机体系结构”和专业课“计算机系统设计”的教学可打下坚实的基础。其后再通过专业基础课“计算机体系结构”和专业课“计算机系统设计”的教学和实践，可使学生掌握一个完整的计算机系统的设计理念和实现方法，由此就可使学生培养出能够设计并实现一个完整、真实的计算机系统的知识、方法、能力和信心，从而为我国计算机产业的发展奠定人才基础和技术基础。 二、 “计算机组成原理”课程实验内容 1. 通过对计算机运算器、存储器、控制器等各部件的实验，来研究组成计算机的每个部件的工作原理及设计方法。 2. 通过对几种不同复杂程度的模型计算机的设计实
4、验，来研究计算机的各组成部件是如何配合协调工作的，并由此掌握设计计算机系统的方法，在此基础上还可扩展到输入输出系统实验。 3. 通过计算机系统结构方面的设计和研究实验，可使学生学习掌握一些计算机结构方面的原理和设计方法。 详细实验项目如下： 运算器及设计实验 （1）基本运算器实验 （2）超前进位加法器设计实验 （3）阵列乘法器设计实验 存储系统及设计实验 （1）静态随机存储器实验 （2）Cache控制器设计实验 控制器及设计实验 （1）时序发生器设计实验 （2）微程序控制器实验 系统总线与总线接口实验 （1）系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验 （2）具有中断控制功能的总线接口设计 （
5、3）具有DMA控制功能的总线接口设计 模型计算机的设计实验 （1）CPU与简单模型机设计实验 （2）硬布线控制器模型机设计实验 （3）复杂模型机设计实验 输入、输出系统实验 （1）具有中断处理功能的模型计算机设计实验 （2）具有DMA处理功能的模型计算机设计实验 （3）典型I/O接口8253 扩展设计实验 先进计算机结构的设计及研究实验 （1）基于RISC处理器的模型计算机设计实验 （2）基于重叠技术的模型计算机设计实验 （3）基于流水技术的模型计算机设计实验 三、实验方法 1. 开放性实验设计 本门课程从部件到整机都是需要实验的，更需要具有开放性和可设计性，所以需要关心实验设备的可设计的的软
6、硬件空间有多大，其调试实现的难易程度有多大。应采用开放式的单元化结构电路，使学生用排线就可以将各部件高效快捷地连接起来构成模型计算机，强调开放、强调可设计空间，这对实验的效率和成功率都是重要的。 2. 以部件单元电路为主，并结合 CPLD/FPGA设计手段 基于开放式单元电路的实验计算机的构建方法，可以大大简化实验计算机的设计难度和规模，在突出重点的同时还能保证具有极高的实验效率和成功率。在掌握了部件和整机电路的工作原理和实现方法之后，也可以在 CPLD/FPGA 器件上来实现其部分设计，但不是要把整个机器都装到 FPGA 里面去，否则无法使用图形调试环境，系统就无法调试，应该是把部分电路装入
7、到里面，把硬件的设计空间通过 FPGA 或 CPLD 来放大。这样就可根据教学中对主次内容的划分，来合理安排实验电路的设计重点、规模和难度了。 3. 图形界面调试方法 计算机系统调试的难易是和调试环境有关系的，如果使用实时图形调试界面，可多方位、动态实时显示计算机各部件之间的数据传送过程以及各部件和总线上的所有信息，则使计算机部件及系统设计和调试变得简单和容易。实时图形调试界面可使部件和整机实验更加形象直观，使学生可以轻松了解复杂部件的内部结构和使用方法，并可实时跟踪部件的工作状态。 四、对实验设备的要求 1要有先进丰富的课程内容 要使用实时动态图形调试实验方法，进行计算机组成原理的实验教学，
8、应包含并行运算器、Cache 高速缓存、CPU 设计、外总线接口设计、中断、DMA 等实验内容，并可开展CISC、RISC、重叠、流水、超标量等先进计算机系统结构的设计和实验研究。 2要具有先进的实时动态图形调试方式 要为各计算机部件（运算器、存储器、控制器）分别提供实时动态图形调试工具，使学生可以轻松了解复杂部件的内部结构和操作方法，并可实时跟踪部件的工作状态。在模型计算机整机调试的图形调试工具方面，除提供数据通路图、微程序流程图二种图形调试方式外，还要有交互式微程序自动生成和当前微指令功能的模拟、系统调试过程的保存及回放等多种先进和实用的调试功能。 3具有先进的运算器部件 运算器部件要内含
9、算术、逻辑和移位三个运算部件，其中移位运算采用桶形移位器，各部件独立并行工作，体现主流运算器设计思想。 4具有 Cache 控制器部件设计 Cache 高速缓存控制器设计实验，可使学生理解高速缓存的基本原理和设计思想。 5控制器部件设计 微程序控制器部件要由微程序存储器，微命令寄存器，微地址寄存器，微命令译码器，编程电路等构成，其微指令格式和微指令定义可由学生自行设计确定。也可以使用CPLD/FPGA 构造组合逻辑控制器，实现计算机硬布线控制器的设计。 6具有先进的系统总线和总线接口设计 系统总线结构要与主流的 80x86 微机相类似，实验构建的模型计算机总线接口信号，除数据总线、地址总线外，
10、其控制总线要根据计算机功能的要求来设计，由此可以开展关于计算机总线接口的设计实验。如：基本输入输出功能的总线接口设计实验、具有中断控制功能和 DMA控制功能的总线接口设计实验等。 7具有灵活、实用的时序发生电路和操作台设计 时序发生器其机器周期可以在2节拍和4节拍之间选择，为实验教学提供更大的灵活性；操作控制台要使得系统在独立使用时，操作起来更为合理、更为方便和实用。 8要具有系统电路的保护性设计 要具有总线竞争报警等保护性电路设计，保证系统的安全运行。 9要具有系统电路检测功能和实验电路查错功能 具有系统电路检测功能和实验电路查错功能，既可对系统电路进行维护性检测，还可对实验电路连线的正确与否进行检查。
