邵雄凱 楊習(xí)偉

摘要：在分析現(xiàn)有《計算機組成原理》實驗教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對軟件類專業(yè)學(xué)生硬件基礎(chǔ)知識薄弱、一般地方高校硬件設(shè)備不足等實際情況，提出基于Logisim平臺的《計算機組成原理》實驗教學(xué)方法。采用該方法能夠降低學(xué)生實驗難度、消除軟件類專業(yè)學(xué)生對硬件實驗的畏懼心理，提高實驗效率，讓學(xué)生更好掌握CPU設(shè)計方法和過程。具體闡述了采用Logisim平臺開展實驗教學(xué)的優(yōu)點、實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)和管理方式等，可為其它高校開展《計算機組成原理》實驗教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：計算機專業(yè);實驗教學(xué);Logisim平臺

DOI：10.11907/rjdk.191110

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0208-03

0引言

實驗教學(xué)在計算機類專業(yè)教學(xué)中一直占有重要地位，其作用不可替代?！队嬎銠C組成原理》是計算機專業(yè)的一門核心課程，在整個培養(yǎng)體系中起著承上啟下的作用。王志英教授等提出計算機類專業(yè)學(xué)生重在計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)，要建立計算機系統(tǒng)的整機概念和系統(tǒng)觀，通過《計算機組成原理》課程實驗教學(xué)，讓學(xué)生從計算機最底層建立整機概念;袁春風(fēng)教授等從2008年開始采用EDA技術(shù)在FPGA上完成《計算機組成原理》課程CPU設(shè)計實驗，采用先部件級實驗，如存儲器實驗、寄存器組實驗和ALU實驗等，再到簡單的CPU設(shè)計、復(fù)雜的流水線CPU設(shè)計，最后完成20～50條MIPS指令的五段流水線CPU設(shè)計，且?guī)в挟惓Ｌ幚砗椭袛喙δ?高小鵬教授提出《計算機組成原理》實驗教學(xué)要以數(shù)字邏輯課程實驗所開發(fā)的功能部件為基礎(chǔ)，以MIPS CPU設(shè)計為主線展開，并提出了CPU工程化綜合方法;劉衛(wèi)東教授等采用支持50余條MIPS指令的計算機系統(tǒng)作為硬件開發(fā)平臺，并完成了指令系統(tǒng)模擬器、編譯器等一系列軟件系統(tǒng)開發(fā)，支撐硬件實驗教學(xué)平臺運行。以上方法雖好，但需要學(xué)生有良好的硬件知識基礎(chǔ)，對于地方普通高校而言，開展實驗難度較大?！队嬎銠C組成原理》課程實驗可以選用軟件模擬或者仿真系統(tǒng)加以實現(xiàn)。

1實驗教學(xué)現(xiàn)狀

《計算機組成原理》是一門偏硬件的課程，課程知識點多且面廣、概念抽象、繁雜難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性普遍不高。學(xué)生覺得“難學(xué)”，教師認(rèn)為“難教”。

當(dāng)前，《計算機組成原理》實驗平臺基本上采用硬件平臺，主要有兩種方式。第一種是采用固定傳統(tǒng)試驗箱，試驗箱帶有必需的實驗電路模塊，通過導(dǎo)線連接、撥動開關(guān)和編寫微程序達(dá)到實驗要求，這種實驗形式難以讓學(xué)生直觀地看到電路原理圖和部件的硬件結(jié)構(gòu)，因而無法讓學(xué)生真正深入理解計算機各部件工作原理、控制信號如何產(chǎn)生和數(shù)據(jù)如何流動，難以建立計算機系統(tǒng)的整機概念;第二種是利用EDA技術(shù)在FPGA上完成實驗，所有實驗電路都可以自己設(shè)計，用某種硬件描述語言描述電路，仿真實驗結(jié)果下載到FPGA實驗版，再驗證結(jié)果。這也是當(dāng)前通用的實驗方法。

無論哪一種方式，對學(xué)生硬件知識要求都較高。學(xué)生由于硬件知識基礎(chǔ)薄弱，動手能力不強，因此對于這門課程的實驗普遍抱有畏難情緒。學(xué)生要么搭同組“便車”、要么照抄、要么干脆逃避，難以達(dá)到理想實驗效果。

要順利完成實驗任務(wù)，學(xué)生除熟悉數(shù)字邏輯和《計算機組成原理》相關(guān)知識外，還需掌握一種硬件描述語言（如Verilog或VHDL）和一種EDA仿真平臺（如Vivado或QuartusⅡ）。實驗過程繁瑣，學(xué)生需選擇電路模式、設(shè)置芯片參數(shù)、鎖定引腳、連接USB、下載配置文件等，這一系列過程既繁瑣且容易出錯，最大問題是與實驗?zāi)繕?biāo)任務(wù)關(guān)系不密切，浪費很多時間，降低了實驗效果。

計算機類偏硬件專業(yè)的學(xué)生一定要克服這些困難，熟練掌握相關(guān)知識和技能。但偏軟件類專業(yè)，比如軟件工程、信息安全、大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體等，要求學(xué)生短時間內(nèi)較好掌握硬件描述語言、熟悉軟硬件開發(fā)平臺以及繁瑣的實驗過程實屬不易，學(xué)生畏難情緒嚴(yán)重。同時對師資水平要求也較高，并且抽象的硬件描述語言難以使學(xué)生建立設(shè)計與電路的具體對應(yīng)關(guān)系。因此，如果過分強調(diào)硬件上的實現(xiàn)，可能難以達(dá)到《計算機組成原理》課程實驗和掌握CPU設(shè)計方法的初衷。

2實驗平臺選擇與使用

2.1Logisim平臺選擇

對于偏軟件類專業(yè)，《計算機組成原理》課程及實驗的目標(biāo)是讓學(xué)生掌握計算機各大部件工作原理，熟悉CPU設(shè)計方法，建立計算機系統(tǒng)整機概念，從而熟悉程序在計算機中執(zhí)行的過程，并能夠編寫出高效率的程序，正確分析和解決程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)的各種問題。因此，應(yīng)將實驗重點集中在對各部件原理的深入理解和CPU設(shè)計方法的掌握上，盡量減少繁瑣的硬件實驗過程，這樣更有利于提升實驗效果。

湖北工業(yè)大學(xué)偏軟件類專業(yè)實驗平臺采用Logisim仿真軟件，它是基于Java開發(fā)的應(yīng)用程序，可支持任何Java環(huán)境的平臺，由于是免費開源軟件，因此也不需要商業(yè)軟件授權(quán)，不產(chǎn)生支付費用問題，對于經(jīng)費緊張的普通高校更加適合。Logisim采用圖行化界面，便于學(xué)習(xí)、易于上手，電路圖設(shè)計和仿真非常方便高效，完全可以脫離硬件仿真環(huán)境運行。Logisim軟件占用計算機資源很小，便于學(xué)生在自己電腦上安裝和使用，實驗靈活性強，不受時間和空間限制，教師對實驗結(jié)果的檢查和驗收十分便捷。

2.2Logisim平臺使用

圖1是Logisim基本操作界面，界面簡潔、使用方便。為了讓學(xué)生盡快上手實驗，可在實驗之前講解一個完整的實驗案例，對基本操作方法、常用器件、子電路創(chuàng)建和使用、電路仿真測試、庫文件加載、容易出現(xiàn)的問題等進(jìn)行詳細(xì)講解。

3實驗內(nèi)容設(shè)計與組織

3.1實驗內(nèi)容

為了讓學(xué)生加深對計算機各大組成部件工作原理的理解，建立計算機系統(tǒng)整機概念，實驗要求學(xué)生基于Logi-sim設(shè)計一個支持一定數(shù)量MIPS指令的CPU。實驗分為單元實驗和CPU設(shè)計。單元實驗項目有：運算器實驗、寄存器堆設(shè)計實驗、ALU設(shè)計實驗。在各部件實驗基礎(chǔ)上設(shè)計至少10條以上MIPS指令的CPU。由于學(xué)時原因，學(xué)生在實驗課學(xué)時內(nèi)難以完成實驗任務(wù)，需要花費很多課外時間才能很好完成。

3.2運算器實驗

運算器實驗要求學(xué)生完成一個32位串行加法器，同時要產(chǎn)生各種運算結(jié)果的標(biāo)志位符號：溢出（oF）、進(jìn)位（cF）、符號位（sF）、零符號位（zero）。能力強的學(xué)生可完成先行進(jìn)位加法器。

3.3ALU設(shè)計實驗

該實驗要求學(xué)生利用上文設(shè)計的32位加法器、Logi-sim中自帶的一些組件如多路選擇器等，完成一個算術(shù)邏輯運算單元ALU。為了服務(wù)于后面的CPU設(shè)計，該ALU需要完成“加法”、“減法”、“按位或”、“帶符號比較小于置1”和“無符號比較小于置1”等運算。Result是ALU運算結(jié)果的輸出端，ALU還需要輸出零標(biāo)志ZF和溢出標(biāo)志OF。ALU的輸入端是兩個32位的操作數(shù)和ALUctr信號，ALUctr信號是ALU操作控制信號生成部件的輸入信號。

ALU設(shè)計實驗可提示學(xué)生如下幾點：

（1）可控加減法器實現(xiàn)，可以利用異或門的特點，減法運算是利用加法器的“變反加一”實現(xiàn)。

（2）輸出Result的多路選擇器只有3個輸入端，分別是加減運算結(jié)果、或運算結(jié)果和比較小于置l的結(jié)果。如果需要擴展其它指令，如與（and）、異或（Xor）、或非（nor）、取反（not）、取負(fù)（neg）等，都可以直接調(diào)用Logisim庫中的器件構(gòu)成邏輯電路，添加到圖2的ALU中，這些運算結(jié)果可以同時產(chǎn)生，只需要增加結(jié)果輸出多路選擇器的輸入端，同時增加控制信號OPctr的位數(shù)和ALUctr位數(shù)。

（3）ALU操作控制信號生成部件ALU-CTR的實現(xiàn)是實驗重點。首先分析add、sub、subu、slt、sltu、ori、addiu、1w、sw、beq、j指令功能，需要產(chǎn)生4個控制信號，分別是加減控制信號SUBctr、運算結(jié)果選擇控制信號OPctr、是否進(jìn)行溢出判斷信號OVctr、ALU是進(jìn)行有符號還是無符號比較的控制信號SIGctr，再分析不同操作類型的取值，最后將輸人信號ALUctr和4種控制信號一起編碼，寫出真值表，在Logisim中按照真值表就可以自動生成控制部件ALU-CTR。

3.4MIPS寄存器堆實驗

該實驗主要是讓學(xué)生構(gòu)建一個MIPS寄存器組，內(nèi)部包含32個32位寄存器，具有一個寫入端口和兩個讀出端口。每個寄存器的內(nèi)容可通過對應(yīng)的寄存器編號進(jìn)行訪問，類似于一個具有多個地址端口和多個數(shù)據(jù)端口的高速存儲器。

3.5MIPS單周期CPU設(shè)計實驗

MIPS單周期CPU設(shè)計實驗，讓學(xué)生完成10條以上MIPS指令的單周期CPU設(shè)計并通過測試程序測試。CPU設(shè)計實驗在前面實驗基礎(chǔ)上，要添加指令譯碼器、主控制器、地址產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移邏輯、位擴展等部件?？刂破髦饕捎媒M合邏輯控制器?？梢越o學(xué)生提供圖3的單周期CPU設(shè)計框架，但具體部件設(shè)計需要學(xué)生自己實現(xiàn)。①指令譯碼器：本質(zhì)上就是分線器，將32位的指令信息按照指令格式分出OP、Rs、Rt、Rd、shamt、funct、immediatel6、immedi-ate26信息，傳送到后面的寄存器、控制器等部件;②主控制器：按照OP和funct信號，產(chǎn)生每條指令執(zhí)行時需要的控制信號，需要分析和寫出各類操作需要產(chǎn)生控制信號的真值表，再在Logisim中生成邏輯電路;③地址產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移邏輯：提示學(xué)生要實現(xiàn)順序執(zhí)行、轉(zhuǎn)移執(zhí)行和無條件轉(zhuǎn)移執(zhí)行3種跳轉(zhuǎn)方式及跳轉(zhuǎn)地址的產(chǎn)生。

設(shè)計基本過程如下：

（1）數(shù)據(jù)通路設(shè)計。通路設(shè)計不能急于求成，要進(jìn)行逐條指令的分析和設(shè)計。首先，設(shè)計R-type中add、sub、subu、slt、sltu等的通路，需注意是否要判斷溢出;在此基礎(chǔ)上，分析I-type帶立即數(shù)運算指令的數(shù)據(jù)通路，分析需要添加哪些部件，再分析sw、1w指令的數(shù)據(jù)通路、分支指令的數(shù)據(jù)通路、無條件跳轉(zhuǎn)指令的數(shù)據(jù)通路;通過逐步添加部件，最后逐步實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)通路。其實添加新部件的過程，就是不斷添加多路選擇器的過程。

（2）控制器設(shè)計。數(shù)據(jù)通路設(shè)計完成后，就知道需要的所有控制信號。按照控制信號產(chǎn)生的條件，可以寫出真值表，生成控制器邏輯電路。其實控制器的設(shè)計過程，就是寫真值表的過程。

愿意深入學(xué)習(xí)的學(xué)生，可以繼續(xù)選修該課程的“課程設(shè)計”，在Logisim仿真平臺上完成從多周期CPU依次到理想流水線、轉(zhuǎn)發(fā)流水線、氣泡流水線，再到分支流水線CPU的設(shè)計。

3.6實驗測試

為了驗證CPU設(shè)計的正確性，可以使用自己設(shè)計的MIPS指令編寫測試程序。使用Mars軟件，用Edit編輯匯編源代碼，用Run菜單中的Assemble進(jìn)行匯編，得到機器代碼。程序匯編后可以利用File菜單中的Dump Memory功能將代碼段和數(shù)據(jù)段導(dǎo)出，采用十六進(jìn)制文本方式導(dǎo)出文件，然后在文件第一行加入“v2.0raw”即可在Logisim中加載到指令存儲器，執(zhí)行測試程序，查看運行結(jié)果，驗證程序運行是否正確。

4實驗過程管理

學(xué)生在教學(xué)計劃學(xué)時內(nèi)難以完成上述實驗項目，需要課外安排時間。Logisim平臺使用靈活，學(xué)生能夠方便地通過課外時間繼續(xù)完成實驗任務(wù)，但需加強監(jiān)督管理和課外輔導(dǎo)。實驗采用小班上課形式，教師現(xiàn)場講解和指導(dǎo)，課外通過線上和線下混合式進(jìn)行輔導(dǎo)答疑。雖然沒有嚴(yán)格的考勤，但設(shè)置有幾個關(guān)鍵模塊的完成時間和檢查點，并對進(jìn)度落后的學(xué)生給予幫助。對每位學(xué)生的實驗要驗收實驗結(jié)果并答辯提問，而不僅僅只是批閱實驗報告。

5結(jié)語

在軟件仿真平臺上完成實驗，優(yōu)點是能夠培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計處理器的能力，加深對計算機的理解，建立整機系統(tǒng)概念，同時降低學(xué)生完成實驗任務(wù)的難度，提高實驗成功率;不足之處在于難以提高學(xué)生硬件系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試能力。部分有興趣的學(xué)生，可通過選修“課程設(shè)計”提高硬件設(shè)計和調(diào)試能力。