徐昆良

（曲靖師范學院計算機科學與工程，曲靖655011）

計算機組成原理課程整機概念培養(yǎng)綜合實驗設計

徐昆良

（曲靖師范學院計算機科學與工程，曲靖655011）

1　計算機組成原理課程特點

計算機組成原理是計算機科學與技術專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，通過對該課程的學習，學生對計算機系統(tǒng)的基本結構、各模塊的工作原理和計算機設計方法有一個全面的了解，從而形成一個整機的概念［1］。

在實際教學中，為了讓學生真正理解各知識點，提高教學效果，真正解決“老師難教，學生難學、怕學”的尷尬局面，各任課教師提出了很多教學改革的方法，有通過網絡課程建設、仿真實驗教學系統(tǒng)開發(fā)激發(fā)學生對這門課程的學習產生濃厚的興趣以提高教學效率［2］。有通過以模型機為切入點，展開教學的嘗試［3］。也有通過加強理論教學和實踐教學的方法［4］。還有基于建構主義理論的教和學角色定位的教學方式改革［5］。這些教學方法的改革雖然都有一定的教學效果，但是都難以讓學生形成整機的概念。為此，本文通過設計一個綜合性實驗，讓學生思考完成，從而了解各功能部件的工作原理，更重要的是通過實際操作使他們清楚地認識到各部件之間的聯(lián)系。

2　實驗原理

實驗中涉及到存儲器、輸入設備、輸出設備、ALU幾個模塊。這些不同設備掛至總線上，通過總線可實現(xiàn)信息交換，實驗框圖如圖1所示。

圖1　實驗連接原理圖

實驗中，以完成x+y-z的運算為例。需將數據x、y、z通過輸入單元由數據總線送入存儲器存放，再將x、y送入ALU的DR1和DR2寄存器完成加法運算，運算的中間結果送入存入存儲器存放，然后取出中間結果送入DR1，取出z送入DR2，完成減法運算，最后結果存入存儲器。根據實驗連接原理圖，基于教學實驗箱ZY15Comp12BB，設計得到連接線路圖如圖2所示。

圖2中，運算器由兩片74LS181芯片構成，ALU單元的輸出由LDPC控制，LDDR1、LDDR2控制向寄存器DR1和DR2中置數，S3、S2、S1、S0、Cn、M控制74LS181做不同的運算。存儲器由6116芯片構成，6116有CE（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），實驗中將OE常接地，當CE=0、WE=0時進行寫操作，CE=0、WE=1時進行讀操作，CE和WE分別由299_G和PC_G進行控制。

圖2　實驗連接線路圖

3　操作步驟

（1）初始化

使各個控制電平的初始狀態(tài)為：CLR=1，LDDR1= 0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN= 111111，299_G（CE）=1，PC_G（WE）=1，LDAR=0，LDPC=1，CLR=l→0→1，將CONTROL UNIT的開關SP05打在“NORM”狀態(tài)，“SP03”開關設置為“STEP”狀態(tài)、“SP04”開關設置為“RUN”狀態(tài)時。

（2）將x、y、z分別存入存儲器地址a、b、c單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為a；

②打開輸入三態(tài)門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址a存入地址寄存器；

③輸入單元數據開關置數據為x；

④置299_G=0，通過使PC_G從1撥到0再撥到1產生負脈沖將數據x存入地址為a的存儲單元；

⑤重復①-④步驟可將數據y、z存入地址b、c中。

（3）將a、b單元數據取出并送入ALU單元的DR1、DR2寄存器。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置要取的數據地址為a；

②打開輸入三態(tài)門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將要取數據的地址a存入地址寄存器；

③關閉輸入三態(tài)門，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數據x；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通過按PULSE開關產生T4正脈沖可將數據x存入寄存器DR1；

⑤輸入單元數據開關置要取的數據地址為b后，重復②-③步驟可將在DATA BUS單元讀出數據y，置LDDR1=0，LDDR2=1，通過按PULSE開關產生T4正脈沖可將數據y存入寄存器DR2；

（4）將x+y運算結果存入地址為d的單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為d；

②打開輸入三態(tài)門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址d存入地址寄存器；

③關閉輸入三態(tài)門，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=100101，可得x+y的運算結果在DATA BUS單元顯示；

④置299_G=0，通過使PC_G從1撥到0再撥到1產生負脈沖將數據x+y存入地址為d的存儲單元，同時置LDPC=1。

（5）重復步驟（3）將d、c單元數據取出并送入ALU單元的DR1、DR2寄存器。具體操作為：

①輸入單元數據開關置要取的數據地址為d；

②打開輸入三態(tài)門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將要取數據的地址d存入地址寄存器；

③關閉輸入三態(tài)門，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數據x+y；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通過通過按PAULSE開關產生T4正脈沖可將數據x+y存入寄存器DR1；

⑤輸入單元數據開關置要取的數據地址為c后，重復②-③步驟可將在DATA BUS單元讀出數據z，置LDDR1=0，LDDR2=1，通過按PULSE開關產生T4正脈沖可將數據z存入寄存器DR2；

（6）將x+y-z運算結果存入地址為e的單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為e；

②打開輸入三態(tài)門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址e存入地址寄存器；

③關閉輸入三態(tài)門，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=011000，可得x+y-z的運算結果在DATA BUS單元顯示；

④置299_G=0，通過使PC_G從1撥到0再撥到1產生負脈沖將數據x+y-z存入地址為e的存儲單元，同時置LDPC=1。

（7）將x+y-z運算結果取出并送入OUTPUT單元顯示。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為e；

②打開輸入三態(tài)門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址e存入地址寄存器；

③關閉輸入三態(tài)門，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數據x+y。

（8）連接完成的實驗接線實物圖及如圖3所示。

4　完成實驗的目的意義

通過該實驗連線和操作，一方面學生可以連接各模塊，構成一個計算機硬件系統(tǒng)，另一方面，通過對各信號的控制操作，了解控制器的控制過程以及運算器的工作過程，從而在實驗環(huán)節(jié)進一步形成一個整機的概念。另外，該實驗所用實驗箱為ZY15Comp12BB，若使用其他廠家的實驗箱，可參照完成實驗設計和操作，從而達到課程的學習目的。該實驗在計算機組成原理教學改革中，具有一定的參考價值。

圖3　實驗連接實物圖

［1］唐朔飛.計算機組成原理［M］.第2版.北京：高等教育出版，2008.

［2］徐昆良.《計算機組成原理》課程教學方法探討究［J］.中國科技信息，2009（9）：254-256.

［3］羅福強，熊永福.《計算機組成原理》課程的特點及教學改進［J］.價值工程，2011（30）：154.

［4］楊學穎，薛素靜.《計算機組成原理》課程教學研究與探索［J］.農業(yè)網絡信息.2013（8）：145-149.

［5］鄭耿忠.基于建構主義理論的《計算機組成原理》課程教學研究［J］.計算機教學與教育信息化，2008（11）：295-297.

Comprehensive Experiment；Whole Machine Concept Training

Comprehensive Experimental Design of Whole Machine Concept Training of Computer Organization Principle Course

XU Kun-liang
（College of Computer Science and Engineering，Qujing Normal University，Qujing 655011）

1007-1423（2015）20-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.20.017

徐昆良（1979-），男，碩士研究生，研究方向為計算機硬件、軟件應用

2015-06-19

2015-07-02

基于我校組成原理實驗箱設計一個綜合實驗，該實驗將輸入單元、存儲單元、ALU單元、輸出單元五個部分通過線路連在一起，實驗者作為控制器，構成一個臺能夠完成8位數運算的計算機系統(tǒng)，通過該實驗的完成，讓學生在各組成部分單獨學習的基礎上，有一個整機的概念。

綜合實驗；整機概念培養(yǎng)

Designs a comprehensive experiment based on the principle experiment box，lines five parts of the experiment units which are the input，storage unit，ALU unit，output unit together，takes the experimenter as controller，constitutes a computer system which can set 8 digits operation，through the experiment，let the students study in separate each component on the basis of the concept of the machine.