【摘要】《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》在電類相關(guān)專業(yè)的課程體系中占據(jù)重要的地位，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提升課程的理論教學(xué)有著顯著的幫助。文中歸納了國(guó)內(nèi)各高校計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)一些設(shè)想，并對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置做了有益的探討。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)組成原理 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實(shí)踐教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）16-0144-02

一、國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀與改革

計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程主要通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)各功能部件的組成及運(yùn)行原理進(jìn)行分析和講解，培養(yǎng)學(xué)生硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力。課程通過(guò)機(jī)器表示、運(yùn)算方法及運(yùn)算部件的講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)算特征；通過(guò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的詳細(xì)講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能從容量、速度的角度理解多層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理；通過(guò)總線、輸入輸出接日及外部設(shè)備等知識(shí)的講解，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部的交互方式。

作為理論知識(shí)課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理這類硬件課程中是不可缺少的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生深入理解和掌握課堂所傳授的知識(shí)點(diǎn)，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、自主解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要方法和途徑。反之，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課鞏固和加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)芯片的理解以及解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)所獲得的成就感，又可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論課程的學(xué)習(xí)興趣。

在大多數(shù)高等院校的本科教學(xué)中，計(jì)算機(jī)組成原理一直存在著“難教難學(xué)”的問(wèn)題。 經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)該課程 教學(xué)存在著以下幾對(duì)矛盾：

（1）理論抽象難懂而教學(xué)方法陳舊。 計(jì)算機(jī)組成原理除了講授計(jì)算機(jī)各主要功能部件的結(jié)構(gòu)、 組織方式和工作原理之外，還講授主要功能部件的設(shè)計(jì)方法。 多數(shù)學(xué)生對(duì)該課程的評(píng)價(jià)是“原理難懂、概念抽象”。

（2） 實(shí)驗(yàn)方法與學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的矛盾。計(jì)算機(jī)組成原理的課程實(shí)驗(yàn)多使用實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)無(wú)法更改，箱內(nèi)部件難以更改和擴(kuò)充。受實(shí)驗(yàn)箱的局限，大多采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，基本步驟是在實(shí)驗(yàn)箱上按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連線后，運(yùn)行并觀察結(jié)果。大多數(shù)學(xué)生上完實(shí)驗(yàn)課后還無(wú)法回答出所做實(shí)驗(yàn)所涉及的理論知識(shí)。這樣的實(shí)踐教學(xué)效果不理想，更重要的是無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造力。

筆者所在的學(xué)院從西安唐都科教儀器有限公司購(gòu)買了TD-CM++實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于教學(xué)?！癟D-CM++計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”是一套完全開放性的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本原理有一個(gè)清晰的概念和認(rèn)識(shí)。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)安排有兩種不同的方案。第一種方案是緊跟授課進(jìn)度，課堂教學(xué)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，以驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)鞏固所學(xué)理論知識(shí)。第二種方案是課程設(shè)計(jì)的單獨(dú)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生集中一段時(shí)間完成大型綜合性設(shè)計(jì)，對(duì)提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力更有利。（1）理論教學(xué)。老師在理論課上講授的理論知識(shí)。（2）隨堂驗(yàn)證。課后作業(yè)加深對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解。（3）獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。根據(jù)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深理論知識(shí)的理解。（4）課程設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自行設(shè)計(jì)一個(gè)模型機(jī)，這需要學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)融會(huì)貫通，方可完成設(shè)計(jì)任務(wù)，從而使學(xué)生能夠?qū)τ?jì)算機(jī)單機(jī)構(gòu)成形成整體的認(rèn)識(shí)。因此，在教改中，借助TD-CM++實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上，觸類旁通，完成設(shè)計(jì)要求。獨(dú)立實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排如表1。

二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

針對(duì)應(yīng)用型本科學(xué)校培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合筆者學(xué)院實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表1所示。

（一）運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)

運(yùn)算器主要完成計(jì)算機(jī)中的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，一般運(yùn)算器有輸入寄存器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)輸出總線存儲(chǔ)在累加器中。

a.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜ず?jiǎn)單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸通路。掌握算術(shù)邏輯運(yùn)算加、減、乘、與的工作原理。驗(yàn)證運(yùn)算功能發(fā)生器（74LS181）的組合功能。驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)算器的8位加、減、乘、與、直通功能。

b.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.驗(yàn)證74LS181的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能。2.兩16位操作數(shù)的算術(shù)運(yùn)算及進(jìn)位影響。3.兩16位操作數(shù)的邏輯運(yùn)算及進(jìn)位影響。4.不同控制組合下的算術(shù)與邏輯運(yùn)算的輸出結(jié)果。

（二）存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)

存儲(chǔ)器用來(lái)存放計(jì)算機(jī)中正在的程序和數(shù)據(jù)，通過(guò)地址總線傳輸?shù)刂方?jīng)譯碼選擇存儲(chǔ)單元，利用數(shù)據(jù)總線傳輸輸入或讀出對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的信息。

a.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM工作特性。2.掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的數(shù)據(jù)讀寫方法。3.熟悉ROM芯片和RAM芯片在功能和使用方法等方面的相同和差異之處；學(xué)習(xí)用編程器設(shè)備向EEPROM芯片內(nèi)寫入一批數(shù)據(jù)的過(guò)程和方法。4.理解并熟悉通過(guò)字、位擴(kuò)展技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展存儲(chǔ)器系統(tǒng)容量的方案。5.了解靜態(tài)存儲(chǔ)器系統(tǒng)使用的各種控制信號(hào)之間正常的時(shí)序關(guān)系。6.加深理解存儲(chǔ)器部件在計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)中的作用。

b.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.要完成存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，需為擴(kuò)展存儲(chǔ)器選擇一個(gè)地址，并注意讀寫和OE等控制信號(hào)的正確狀態(tài)。2.用監(jiān)控程序的D、E命令對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫，比較RAM（61XX系列）、EEPROM（28XX系列芯片）、EPROM（27XX系列芯片）在讀寫上的異同。3.用監(jiān)控程序的A命令編寫一段程序，對(duì)RAM（6116）進(jìn)行讀寫，用D命令查看結(jié)果是否正確。 4.用監(jiān)控程序的A命令編寫一段程序，對(duì)擴(kuò)展存儲(chǔ)器EEPROM（28 系列芯片）進(jìn)行讀寫，用D命令查看結(jié)果是否正確；如不正確，分析原因，改寫程序，重新運(yùn)行。

（三）微控制器實(shí)驗(yàn)

時(shí)序產(chǎn)生器提供微程序執(zhí)行時(shí)的時(shí)序信號(hào)，微程序控制器負(fù)責(zé)對(duì)微指令譯碼，發(fā)出微控制信號(hào)，通過(guò)微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行。

a.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握時(shí)序產(chǎn)生器的組成原理，了解時(shí)鐘和時(shí)序信號(hào)的波形。2.掌握微程序控制器的組成原理，掌握微指令格式和各字段功能。3.掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行。

b.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.將微程序輸入到控制器中并校驗(yàn)；2.單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行，觀察微程序控制器的工作原理。

（四）總線控制實(shí)驗(yàn)

總線是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架。借助總線連接，計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)各部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。因此，所謂總線就是指能為多個(gè)功能部件服務(wù)的一組公共信息線。

a. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.理解總線的概念及其特性。2.掌握總線傳輸控制特性。

b.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)所用總線傳輸實(shí)驗(yàn)：它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實(shí)現(xiàn)總線信息傳輸。

三、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程理論性較強(qiáng)，難度大，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法效果不佳，學(xué)生感覺(jué)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)抽象，動(dòng)手能力得不到鍛煉。本文結(jié)合應(yīng)用型本科學(xué)校計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)要求和目標(biāo)，提出了應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些設(shè)想，并進(jìn)行了實(shí)踐，結(jié)果表明我們的“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能滿足應(yīng)用型本科學(xué)校計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)要求。在后續(xù)工作中，我們將進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完善計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉小洋，黃賢英.基于計(jì)算機(jī)組成原理課堂教學(xué)的探討[J].科技信息.2014（03）.

作者簡(jiǎn)介：

朱霞（1980-），女，江蘇南通人，博士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)。