□ 何玉新

一、引言

在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高大學(xué)生操作能力和專業(yè)素質(zhì)的主要方法和手段。計(jì)算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)課程，起到承上啟下的作用，而與之配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生掌握此門課程起到關(guān)鍵作用。

根據(jù)教學(xué)大綱的要求，通過計(jì)算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生全面了解和熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成、工作原理、內(nèi)部之間的聯(lián)系、控制信號(hào)的作用，建立整機(jī)概念，幫助學(xué)生培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先確立實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和管理模式，在此基礎(chǔ)上再對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

教學(xué)模式，是在一定的教育思想、教學(xué)理論、學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)程的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式。自20世紀(jì)90年代以來，一種新的以“學(xué)”為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)正在國外興起并迅速發(fā)展。這種理論都是圍繞如何幫助學(xué)生的“學(xué)”，要求在教學(xué)過程中老師處于非中心地位，學(xué)生取代老師處于中心地位。

這種教學(xué)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面:一方面是外在要求，即為學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件;另一方面是內(nèi)在要求，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)。以“學(xué)”為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)相對(duì)課堂教學(xué)更適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過學(xué)生自行操作、觀察和記錄，將知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰Φ闹匾侄危彩菍W(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)重新組織和建構(gòu)的重要途徑。結(jié)合教學(xué)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過程，還可以針對(duì)不同層次的學(xué)生設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，因人施教，更符合大綱的要求。所以，良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境以及有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)方案，能夠幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性，充分體現(xiàn)出學(xué)生的認(rèn)知主體作用。

三、實(shí)驗(yàn)管理模式和教學(xué)軟件

實(shí)行開放式教學(xué)更利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理。老師主要把握好宏觀指導(dǎo)和計(jì)劃學(xué)時(shí)數(shù)，把實(shí)驗(yàn)時(shí)間的支配權(quán)下放給學(xué)生，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前自主地完成查閱資料、設(shè)計(jì)步驟等實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，既能夠?yàn)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)做好更充分的準(zhǔn)備，也便于學(xué)生消化吸收理論課程。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排不同的人員組成實(shí)驗(yàn)小組，讓不同層次的學(xué)生相互交叉，輪流組合，在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、安裝器材、總結(jié)結(jié)果的過程中培養(yǎng)互相配合、共同提高的團(tuán)隊(duì)精神。

教學(xué)實(shí)踐上使用CAI軟件介紹實(shí)驗(yàn)中所用到的器材，步驟以及具體要求等，不僅讓學(xué)生更直觀地了解到規(guī)范操作過程，詳細(xì)生動(dòng)地講解，還可以讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，激發(fā)強(qiáng)烈的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手欲望。通過反復(fù)觀看理論講解和實(shí)驗(yàn)演示，還能夠幫助學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的難點(diǎn)和問題。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的設(shè)計(jì)

(一)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方案的確立。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成模塊、總線等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，從實(shí)踐的角度進(jìn)一步理解理論知識(shí)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方案還設(shè)計(jì)了兩個(gè)整機(jī)實(shí)驗(yàn)，即給出已設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)、微指令進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，使學(xué)生從整體上理解微控制技術(shù)下計(jì)算機(jī)的各組成部件是怎樣工作的，以及控制信號(hào)的作用和控制方式。在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，共設(shè)計(jì)了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)題目六個(gè)，經(jīng)過幾輪教學(xué)，效果較好。下面分別對(duì)這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行介紹。一是運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆蘸唵芜\(yùn)算器的組成和數(shù)據(jù)傳送通路，在該實(shí)驗(yàn)中學(xué)生進(jìn)行運(yùn)算器的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、進(jìn)位控制和移位運(yùn)算的驗(yàn)證。二是存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆针S機(jī)存儲(chǔ)器RAM工作特性，掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的數(shù)據(jù)讀寫方法。在該實(shí)驗(yàn)中學(xué)生用手動(dòng)撥位開關(guān)進(jìn)行對(duì)SRAM的讀寫操作。三是微程序控制器的組成和微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆瘴⒖刂破鞯慕M成，微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行，掌握EEPROM的工作特性和讀寫方法。四是總線控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢斫饪偩€的概念和特性，掌握總線傳輸控制特性。五是簡單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃凇拔⒊绦蚩刂破鞯慕M成和微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，將各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)定義五條指令，IN、ADD、OUT、STA、JMP，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試運(yùn)行，形成整機(jī)概念。六是復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖蔷C合運(yùn)用所學(xué)計(jì)算機(jī)組成和結(jié)構(gòu)知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較為完整的模型計(jì)算機(jī)。該實(shí)驗(yàn)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪存指令、轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。尋址模式有直接尋址、間接尋址、變址尋址和相對(duì)尋址。

(二)運(yùn)用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成和結(jié)構(gòu)的單元模塊。隨著理論教學(xué)和驗(yàn)證性教學(xué)進(jìn)行的同時(shí)，讓學(xué)生課后用MAX+PLUS II進(jìn)行單元模塊的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)。這些單元模塊包括寄存器、程序計(jì)數(shù)器PC、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、時(shí)序電路等。這樣一方面可以使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握各模塊的功能和作用，另一方面可以激發(fā)學(xué)生自己設(shè)計(jì)的積極性、主動(dòng)性，同時(shí)熟練了MAX+PLUS II的使用，為即將進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

(三)運(yùn)用EDA技術(shù)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。在這一階段，完全解除教材和課堂知識(shí)的約束，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)出電路、程序、選題選元器件、計(jì)算機(jī)程序語言。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室將所有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)全面對(duì)學(xué)生進(jìn)行開放，這樣培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，從而充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性。下面具體介紹課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方案。

1.實(shí)施方案。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是完成模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和CPLD實(shí)現(xiàn)，課程設(shè)計(jì)的目的是通過知識(shí)的綜合運(yùn)用，加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)題目包括硬布線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，流水型微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，流水型硬布線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于RISC處理器構(gòu)成的模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。課程設(shè)計(jì)使用VHDL為設(shè)計(jì)語言，選用了MAX+PLUS II作為設(shè)計(jì)軟件，硬件使用了CPLD開發(fā)系統(tǒng)，其中的CPLD芯片為ALTERA MAX EPM7128SLC84-15。

2.設(shè)計(jì)、仿真和CPLD實(shí)現(xiàn)。MAX+PLUS II的設(shè)計(jì)過程包括設(shè)計(jì)輸入、項(xiàng)目編譯、項(xiàng)目校驗(yàn)和項(xiàng)目編程。模塊設(shè)計(jì)要求進(jìn)行時(shí)序仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)于課程設(shè)計(jì)，不僅要求完成模型計(jì)算機(jī)的時(shí)序仿真，還要完成CPLD實(shí)現(xiàn)和硬件驗(yàn)證。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法是采用自頂向下的層次化設(shè)計(jì)。在MAX+PLUS II中，可利用層次化設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)。一般在電路的具體實(shí)現(xiàn)時(shí)先組建底層設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。MAX+PLUS II支持功能仿真和時(shí)序仿真兩種形式。功能仿真用于大型設(shè)計(jì)編譯適配之前的仿真，而時(shí)序仿真是再編譯適配生成時(shí)序信息文件之后進(jìn)行的仿真。仿真時(shí)先建立仿真波形文件，設(shè)置輸入信號(hào)波形，運(yùn)行仿真器進(jìn)行仿真。最后進(jìn)行系統(tǒng)的編程下載，完成CPLD實(shí)現(xiàn)和硬件驗(yàn)證。

3.設(shè)計(jì)舉例——模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法。模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程如圖1所示。一是確定設(shè)計(jì)總要求?？偩€結(jié)構(gòu):單總線，數(shù)據(jù)總線位數(shù)8位、地址總線8位;存儲(chǔ)器:內(nèi)存容量1K*8位;控制器:用硬布線控制器實(shí)現(xiàn)24位微操作控制信號(hào);運(yùn)算器:實(shí)現(xiàn)加、減等8種操作;外設(shè):輸入設(shè)備用開關(guān)輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)，七段數(shù)碼管和LED作輸出設(shè)備;指令系統(tǒng)規(guī)模:16條指令，4種類型，4種尋址方式。二是設(shè)計(jì)模型機(jī)邏輯框圖。模型計(jì)算機(jī)的邏輯框圖如圖2所示。SRAM由1K*8的靜態(tài)存儲(chǔ)器IDT7130構(gòu)成，其他的運(yùn)算器、寄存器和控制器在復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)上設(shè)計(jì)。三是設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)。指令類型:算術(shù)/邏輯運(yùn)算指令，進(jìn)行加、減、與、或、取反等;訪存指令及轉(zhuǎn)移指令;I/O指令;停機(jī)指令HALT。指令操作數(shù)尋址方式:直接尋址、間接尋址、變址尋址和相對(duì)尋址。四是設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程。根據(jù)模型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程。一條指令從內(nèi)存取出到執(zhí)行結(jié)束，需要若干個(gè)機(jī)器周期，任何指令的第一個(gè)機(jī)器周期都是“取指令周期”，一條指令一共需要幾個(gè)機(jī)器周期取決于指令在機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。

圖1 模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程

圖2 模型計(jì)算機(jī)的邏輯框圖

五、結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案已經(jīng)過兩輪的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果較好。但也對(duì)教師提出了較高的要求，教師要對(duì)計(jì)算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)、EDA兩方面的技術(shù)都熟悉。學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程遇到困難教師能夠及時(shí)指導(dǎo)。第二輪教學(xué)編寫了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，學(xué)生課后預(yù)習(xí)、認(rèn)真準(zhǔn)備，這樣效果更佳。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中不斷改進(jìn)教學(xué)方案，根據(jù)各界學(xué)生的具體情況相應(yīng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)的細(xì)節(jié)，使其更好地服務(wù)于教學(xué)，取得最佳的教學(xué)效果。

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