摘要:我院對(duì)當(dāng)前我國(guó)高校所設(shè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件課程實(shí)驗(yàn)做了調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)裝置功能具有單一性，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地或?qū)嶒?yàn)環(huán)境要求相對(duì)獨(dú)立且具有分散性，實(shí)驗(yàn)手段和方法明顯具有滯后性。為此，本文提出按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為“層次結(jié)構(gòu)”的概念，對(duì)多功綜合實(shí)驗(yàn)方法提出了研究思路和建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞:硬件課程實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)方法;層次結(jié)構(gòu);仿真技術(shù)

上世紀(jì)八十年代以來，計(jì)算機(jī)的迅速普及帶動(dòng)了各高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科點(diǎn)的快速增加，特別是各高校的擴(kuò)招、職業(yè)教育的推進(jìn)等活動(dòng)，更加速了計(jì)算機(jī)教育的推廣和普及。目前，在設(shè)有計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)點(diǎn)的大專院校，都必須開設(shè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。一般而言，計(jì)算機(jī)學(xué)科開設(shè)的硬件課程有:“電子技術(shù)”、“數(shù)字邏輯”、“組成原理”、“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“控制技術(shù)”、“微機(jī)接口技術(shù)”、“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”、“EDA設(shè)計(jì)技術(shù)”等。為了完成這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，各院校又必須增加相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這些實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備功能相對(duì)單一，實(shí)驗(yàn)環(huán)境或場(chǎng)地又相對(duì)分散，實(shí)驗(yàn)儀器或裝置更新速度很快，造成了各高校資金的重復(fù)投入，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、工作人員的分散設(shè)置。本文力

求通過對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件課程的設(shè)置、課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求等方面的研究，找出一種集多功能于一體、綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)方法，替代功能分散型、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型方法的現(xiàn)狀。

1計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

1.1課程設(shè)置與實(shí)驗(yàn)

以武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，共開設(shè)硬件課程(包括實(shí)驗(yàn))14門，其中基礎(chǔ)硬件課程8門、系統(tǒng)硬件課程6門。在這些課程教學(xué)中，課程實(shí)驗(yàn)為260學(xué)時(shí)，實(shí)踐144學(xué)時(shí)，分別占全學(xué)科(基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)除外)總實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)踐學(xué)時(shí)的59.1%和57.6%。各硬件課程學(xué)時(shí)分配如圖1所示。

圖1硬件課程設(shè)置

基金項(xiàng)目:2008年湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(NO:2008024)。

作者簡(jiǎn)介:高輝(1956-)，男，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>

很顯然，這些課程設(shè)置的目的在于:一方面讓學(xué)生掌握寬厚的基礎(chǔ)知識(shí)，特別是硬件基礎(chǔ)知識(shí);另一方面是注重學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)，努力培養(yǎng)其動(dòng)手能力，并通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

據(jù)相關(guān)資料分析，國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)的計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)，在實(shí)踐教學(xué)上都加大了時(shí)間和資金投入，并且都在努力做到理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，教學(xué)科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的無縫對(duì)接。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方法

由圖1可以看出，各硬件課程基本設(shè)置有課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，占總學(xué)時(shí)數(shù)的45.3%。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程的考核注重理論和實(shí)踐兩方面能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生在掌握抽象理論的同時(shí)，要能把它們運(yùn)用到具體的實(shí)驗(yàn)中去。

然而，這些課程活動(dòng)的實(shí)施必須依靠實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行，不僅如此，還得加上正確的實(shí)驗(yàn)方法或手段。目前各高校正在使用的實(shí)驗(yàn)裝置，絕大多數(shù)都是由不同的實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠商所提供，部分實(shí)驗(yàn)儀則是自行研制并生產(chǎn)。這些實(shí)驗(yàn)儀器或裝置，沒有統(tǒng)一的生產(chǎn)許可證，也沒有國(guó)家統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，操作方法或?qū)嶒?yàn)手段各不相同，甚至在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上都有所不同。

這些實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)如下:

(1) 功能的分散性。為了完成各門課程的實(shí)驗(yàn)，每一門課程必須配有一種獨(dú)立的、功能相對(duì)單一的實(shí)驗(yàn)儀器。這不僅增加了學(xué)校的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程增加了難度，每門課程實(shí)驗(yàn)學(xué)生都要花不少時(shí)間熟悉和掌握某種實(shí)驗(yàn)儀的操作方法或步驟，不利于將主要精力放在內(nèi)容設(shè)計(jì)上。

(2) 內(nèi)容的重復(fù)性。各課程之間實(shí)驗(yàn)設(shè)置經(jīng)常出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，如模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，在“數(shù)字邏輯”實(shí)驗(yàn)、“微機(jī)接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)、“控制技術(shù)”和“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”等實(shí)驗(yàn)課程中都有設(shè)置。功能的重復(fù)直接帶來的是資源的浪費(fèi)。

(3) 實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證性和技術(shù)的滯后性。目前幾乎所有的課程實(shí)驗(yàn)儀，其實(shí)驗(yàn)過程基本上是“驗(yàn)證”過程，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟，一步一步完成各單元實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)不了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，滋生了學(xué)生之間相互抄襲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象。不僅如此，實(shí)驗(yàn)手段仍然采用原始的“牽線”、“搭橋”技術(shù)，這種方法既費(fèi)時(shí)又完全與當(dāng)今EDA設(shè)計(jì)技術(shù)相脫離。

更重要的是，各科實(shí)驗(yàn)方法和手段完全依賴廠商所提供的方法，或根據(jù)原始版本重新簡(jiǎn)單編寫。這些實(shí)驗(yàn)方法或手段嚴(yán)重地脫離了當(dāng)前各高校特別是研究型大學(xué)正在實(shí)施的“創(chuàng)新型”、“設(shè)計(jì)型”人材培養(yǎng)的宗旨[1]。

2研究方法與思路

2.1層次結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)各高校硬件課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)查結(jié)果顯示，每門課程都要開設(shè)6～12個(gè)單元實(shí)驗(yàn)。綜合各科課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析，發(fā)現(xiàn)可以劃分為“基本單元電路”、“功能模塊電路”和“系統(tǒng)級(jí)電路”實(shí)驗(yàn)等多個(gè)層次。以“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成原理”和“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”3門課程為例，各課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成如圖2所示的層次結(jié)構(gòu)圖。其他課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也都可劃分為這3個(gè)基本的層次結(jié)構(gòu)。

圖2硬件課程層次結(jié)構(gòu)圖

層次結(jié)構(gòu)體系給我們兩個(gè)方面的啟示:一是說明硬件課程的教學(xué)過程是一個(gè)由簡(jiǎn)到繁、由易到難的循序漸進(jìn)的過程，符合基本的教學(xué)規(guī)律;二是硬件課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)也必須遵循這個(gè)規(guī)律，并可按照這一規(guī)律去合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、尋找科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法或手段。使整個(gè)教學(xué)過程沿著“先分析”、“后設(shè)計(jì)”、“再創(chuàng)新”的正確軌道向前邁進(jìn)。

2.2充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的作用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)提供了非常大的幫助。目前許多高校都已將這一技術(shù)使用到不同實(shí)驗(yàn)中，各計(jì)算機(jī)仿真軟件可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)如表1所示。

表1計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)對(duì)照表

序號(hào)仿真軟件實(shí)驗(yàn)輸入方法適合課程參考文獻(xiàn)

1Altera:MAX+plus Ⅱ、Quartus數(shù)字單元電路:圖形輸入數(shù)字邏輯

計(jì)算機(jī)組成原理文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]

2IIT:Multisim數(shù)字與模擬電路電子技術(shù)與電路文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]

3Lab:Proteus總線與接口單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)

微機(jī)接口技術(shù)文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]

4SimpleScalar系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EDA設(shè)計(jì)技術(shù)文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]

下面對(duì)表1中所列各仿真軟件簡(jiǎn)略介紹如下，詳細(xì)應(yīng)用請(qǐng)參考表中所列參考文獻(xiàn)。

MAX+plus和Quartus是Altera公司EDA軟件，主要用于FPGA和CPLD電路的設(shè)計(jì)，具有圖形輸入和硬件程序設(shè)計(jì)語言等多種輸入方式。由于該軟件包含有電路仿真功能，故也可應(yīng)用于數(shù)字電路的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

Multisim是加拿大IIT公司的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。該軟件具有如下顯著特點(diǎn):

(1) 圖形工作界面友好、易學(xué)易用、操作方便，直接利用其繪圖功能設(shè)計(jì)模擬/數(shù)字電路圖，并設(shè)置各種虛擬測(cè)量?jī)x器;

(2) 強(qiáng)大的分析功能，可提供14種不同的分析工具，并根據(jù)測(cè)量參數(shù)及時(shí)調(diào)整電路參數(shù)，也可人為設(shè)置故障模擬;

(3) 強(qiáng)大的虛擬儀器功能，這些功能特別適合于模擬電子單元電路的快速設(shè)計(jì)與調(diào)試。

Proteus是英國(guó)Labcenter公司的電路分析與仿真軟件。該軟件的主要特點(diǎn):一是支持多種類型(如果8051、68000、AVR、PIC等系列)的單片機(jī)仿真;二是可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)及外圍接口電路(如串口RS232、IIC和SPI、LCD等)的仿真;三是支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境(如Keil uVision2)，還具有路原理圖繪制功能。這些特點(diǎn)應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)、微機(jī)總線與接口的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)是非常有用的。

SimpleScalar是Wisconsin-Madison大學(xué)發(fā)布的一個(gè)開放性軟件，由于源代碼是公開的，且具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性，能夠支持不同層次設(shè)計(jì)人員的要求，因而得到廣泛應(yīng)用。該軟件可用作于計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)本科生或研究生，作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬軟件。

2.3硬件實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

按照“層次結(jié)構(gòu)”的思想，為了將所有的硬件課程實(shí)驗(yàn)集中在一個(gè)實(shí)驗(yàn)載體上完成，同時(shí)又要遵循

“體積小、操作方便、性價(jià)比高”的設(shè)計(jì)原則，作者分析和研究了目前國(guó)內(nèi)主要廠家生產(chǎn)的多種教學(xué)儀器:清華科教儀器廠生產(chǎn)的TEC系列，唐都科教儀器公司生產(chǎn)的TDN系列，啟東計(jì)算機(jī)總廠生產(chǎn)的DICE系列等。本人提出如下設(shè)計(jì)思想:第一，硬件實(shí)驗(yàn)的軟件化，即在微型計(jì)算機(jī)上加裝相關(guān)軟件完成部分實(shí)驗(yàn)。以上儀器的技術(shù)性能與傳統(tǒng)儀器相比總體上都有明顯提高，部分儀器的實(shí)驗(yàn)方法或手段也融入了現(xiàn)代EDA的新方法。如采用MAX3000/7000系列CPLD器件完成“單元層次”級(jí)的數(shù)字電路(如計(jì)數(shù)器、譯碼器等)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵贓DA設(shè)計(jì)軟件中，圖形輸入法是極易理解和掌握的設(shè)計(jì)方法，非常適合低年級(jí)學(xué)生使用，配合其內(nèi)部的仿真軟件，可很好地幫助學(xué)生理解并完成各單元電路的實(shí)驗(yàn)。第二，可將硬件實(shí)驗(yàn)與多媒體技術(shù)相結(jié)合。如在計(jì)算機(jī)組成原理的“模塊層次”級(jí)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生很難通過硬件實(shí)驗(yàn)“看到”處理器內(nèi)數(shù)據(jù)與信號(hào)的傳輸過程，但可以采用動(dòng)漫技術(shù)，將硬件實(shí)驗(yàn)中的這一傳輸過程在計(jì)算機(jī)屏上跟蹤與顯示出來，達(dá)到非常好的效果[10]。第三，對(duì)于部分硬件電路實(shí)驗(yàn)(如存儲(chǔ)器、模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、接口電路等)可以采用全硬件、也可以采用軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。由于“系統(tǒng)層次”級(jí)的實(shí)驗(yàn)，各院校對(duì)實(shí)驗(yàn)深度要求難以統(tǒng)一，可設(shè)計(jì)成適應(yīng)面更廣、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和功能較多的實(shí)驗(yàn)儀器，以供選擇。但有一點(diǎn)是相同的，那就是用軟硬件相結(jié)合的方設(shè)計(jì)出開放式、高性能的實(shí)驗(yàn)儀[11]。

3結(jié)語

現(xiàn)在微型計(jì)算機(jī)已是相當(dāng)普及，而且是各高校常用的實(shí)驗(yàn)“設(shè)備”。依據(jù)“層次結(jié)構(gòu)”的思想，充分利用當(dāng)今的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，采用“PC機(jī)+硬件實(shí)驗(yàn)儀”模式，完全有可能將多個(gè)硬件課程分散的實(shí)驗(yàn)儀集中在一起，并提高其性能，完善實(shí)驗(yàn)方法。但它不是一個(gè)簡(jiǎn)單的“積木”組合，需要做的工作相當(dāng)多。例如，是否需要國(guó)家有關(guān)部門著手制定統(tǒng)一的教學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱、統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)儀生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)范，以及統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法或手段?由此可見，它不僅僅是一個(gè)技術(shù)層面的問題，還需要各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)者的高度重視和支持，包括組織多個(gè)職能部門的相互配合和技術(shù)攻關(guān)。

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The Multi-function Comprehensive Experimental Methods Studies

GAO Hui

(School of Computer， Wuhan University， Wuhan 430079， China)

Abstract: The professional hardware course experiment is surveyed and analyzed for high school. We discover various experiment to equip function one and experiment environment to request opposite independence and scatter， test means and method to obviously fall behind. Therefore， the concept of “l(fā)ayer structure” on test contents and study way of multi-function comprehensive experimental methods are put forward.

Key words: the hardware course tests; experimental methods; layer structure; simulation technique

(編輯:姚彥如)