魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 山東煙臺(tái) 264025

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心專業(yè)必修課程，也是軟件工程專業(yè)的重要選修課程，為了提高課程的授課效果，許多院校都開設(shè)了與之匹配的實(shí)踐課程—計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施，可從整機(jī)的角度加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及工作原理、實(shí)現(xiàn)方法的理解，形象地建立層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力，外延并提升組成原理課程的授課效果。

組成原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容一般均為構(gòu)建一個(gè)模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)CU設(shè)計(jì)使該模型機(jī)支持一個(gè)較為完備的指令系統(tǒng)，成為一個(gè)可執(zhí)行命令的計(jì)算機(jī)。根據(jù)CU設(shè)計(jì)采用的是微程序還是硬布線方式，課程設(shè)計(jì)的實(shí)施方案可分為：基于FPGA平臺(tái)采用HDL語(yǔ)言方式和基于專用組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用微程序方式兩類方案。國(guó)內(nèi)一些一流院校多采用第一種方式，這種方式可以從部件設(shè)計(jì)入手，至CU設(shè)計(jì)完成，構(gòu)建一個(gè)完整的模型機(jī)系統(tǒng)，的確可以較好地鍛煉學(xué)生的能力。但前提是學(xué)生具有較為扎實(shí)的HDL語(yǔ)言基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)能力，并且學(xué)時(shí)充足，要求較高，實(shí)施起來(lái)難度較大。

作為普通的地方院校，學(xué)院在計(jì)算機(jī)專業(yè)建設(shè)方面，主要面向就業(yè)需求，培養(yǎng)上層數(shù)據(jù)處理和智能控制方向的工程應(yīng)用型人才，學(xué)時(shí)所限，并未開設(shè)HDL語(yǔ)言硬件設(shè)計(jì)類課程，而且課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)有限，僅為16學(xué)時(shí)，無(wú)法承載HDL內(nèi)容的講授，開設(shè)基于FPGA的課程設(shè)計(jì)顯然是不可行的。因此，教研組提出了一種基于微程序方式的、易于實(shí)施的組成原理課程設(shè)計(jì)方案，降低了實(shí)施難度，充分利用了課程設(shè)計(jì)時(shí)間。通過(guò)合理的方案設(shè)計(jì)，同樣可在多方面鍛煉學(xué)生的能力，達(dá)到課程在能力培養(yǎng)方面的預(yù)期要求。

1 課程設(shè)計(jì)方案

1.1 課程設(shè)計(jì)模塊規(guī)劃

通過(guò)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施，幫助學(xué)生進(jìn)一步建立整機(jī)概念，加深對(duì)層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解。圍繞這一實(shí)施理念，在充分考慮學(xué)時(shí)、學(xué)生能力和實(shí)驗(yàn)條件的情況下，將課程設(shè)計(jì)分為3個(gè)相互聯(lián)系的模塊，分別是指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)—微程序設(shè)計(jì)，以及利用該指令系統(tǒng)進(jìn)行的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。各模塊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示，涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的ISA層、微體系結(jié)構(gòu)層、編程語(yǔ)言層和應(yīng)用層[1]，縱向貫穿各層次，構(gòu)建簡(jiǎn)單的模型機(jī)系統(tǒng)，體驗(yàn)課堂理論知識(shí)的具體應(yīng)用，體會(huì)各層次角度觀察的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，加深計(jì)算機(jī)各層次之間的聯(lián)系，將學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解提升到一個(gè)新的高度。

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模塊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

基于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)使用的組成原理專用實(shí)驗(yàn)箱，對(duì)課程設(shè)計(jì)各模塊的具體內(nèi)容規(guī)劃如下。

1.1.1 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該模塊要求學(xué)生根據(jù)第三階段—匯編程序設(shè)計(jì)的功能需求，充分考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)在功能、數(shù)據(jù)通路和指令格式要求等各方面的因素，設(shè)計(jì)一個(gè)最多包含16條指令的指令系統(tǒng)。以TEC-9實(shí)驗(yàn)臺(tái)為例，支持的機(jī)器指令有單字節(jié)/雙字節(jié)兩種長(zhǎng)度，操作碼位數(shù)固定為4位，單/雙地址碼可采用立即數(shù)、寄存器、直接、間接、寄存器間接和相對(duì)尋址共6種尋址方式。該模塊實(shí)施的主要難度在于大部分學(xué)生此前未接觸過(guò)具體處理器指令集架構(gòu)，對(duì)于處理器指令集應(yīng)提供的功能指令類型、高級(jí)語(yǔ)言程序與底層匯編實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系缺乏認(rèn)識(shí)，因此需要在實(shí)施階段進(jìn)行示范講解，補(bǔ)充相應(yīng)的知識(shí)，使學(xué)生建立程序功能到匯編實(shí)現(xiàn)再到指令功能支持的概念，才能進(jìn)行合理的指令集設(shè)計(jì)。

1.1.2 微程序設(shè)計(jì)

該模塊的主要任務(wù)是由學(xué)生通過(guò)微程序設(shè)計(jì)的方式，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型機(jī)可以理解并執(zhí)行指令，進(jìn)而可在下一模塊運(yùn)用指令編寫程序。在這一階段，學(xué)生需要仔細(xì)分析并掌握實(shí)驗(yàn)臺(tái)支持的微指令格式，包括操作控制字段支持的控制信號(hào)、順序控制字段的下地址長(zhǎng)度以及條件碼的使用方法。并在實(shí)施過(guò)程中通過(guò)示例講解，引導(dǎo)學(xué)生將指令集中每條指令分解成微操作序列，結(jié)合微指令地址分配和條件碼的使用，將微操作序列繪制成微操作流程圖。最后，利用實(shí)驗(yàn)工具，填充微操作碼點(diǎn)表，生成每一條微指令，并學(xué)習(xí)逐條調(diào)試、驗(yàn)證機(jī)器指令和微指令的方法。

1.1.3 匯編程序設(shè)計(jì)

頂層模塊是學(xué)生利用自己設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)編寫一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)一定功能的機(jī)器指令/匯編指令程序，體會(huì)高級(jí)語(yǔ)言程序是通過(guò)怎樣的機(jī)器指令序列實(shí)現(xiàn)的，理解機(jī)器的指令集架構(gòu)ISA對(duì)實(shí)現(xiàn)上層程序功能的支持與限制。同時(shí)，在此過(guò)程中，提供簡(jiǎn)單的匯編器，學(xué)生可通過(guò)定義、修改規(guī)則文件，支持機(jī)器指令的助記符格式—匯編指令，由此構(gòu)成高級(jí)語(yǔ)言—匯編語(yǔ)言—機(jī)器指令之間的認(rèn)知關(guān)聯(lián)。

1.2 課程設(shè)計(jì)預(yù)備工作

課程設(shè)計(jì)的實(shí)施是基于專用組成原理實(shí)驗(yàn)箱的，因此在開展課程設(shè)計(jì)之前，學(xué)生必須準(zhǔn)確理解實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)建的模型機(jī)結(jié)構(gòu)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)箱的使用方法，充分了解實(shí)驗(yàn)箱的功能和限制。

1.2.1 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)

在開設(shè)課程設(shè)計(jì)之前，計(jì)算機(jī)組成原理課程先開設(shè)了16學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)在開設(shè)時(shí)間和開設(shè)內(nèi)容上，與課堂教學(xué)同步，主要為部件單元實(shí)驗(yàn)，分別為互聯(lián)方式—總線、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、執(zhí)行部件和中斷系統(tǒng)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)可將課堂授課的抽象內(nèi)容具體化、形象化，幫助學(xué)生理解各大功能部件的工作方式和控制方法。通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的鍛煉，學(xué)生應(yīng)該熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型機(jī)的主要功能部件的具體結(jié)構(gòu)和控制信號(hào)，并能從整體上理解實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型機(jī)采用的雙總線結(jié)構(gòu)，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2.2 課前預(yù)備提問(wèn)題

由于采用專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成，因此在某些方面已經(jīng)從硬件電路上固定，不能隨意更改。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之前，將詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書分發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生詳細(xì)閱讀，提前了解課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并針對(duì)自身不明白、不明確的內(nèi)容，進(jìn)行匯總，帶著問(wèn)題進(jìn)入課程設(shè)計(jì)，有的放矢，達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間的最佳利用。

1.2.3 設(shè)計(jì)分組練協(xié)作

考慮課程設(shè)計(jì)的完成難度，采用分組進(jìn)行的方式，每組2～3人，由學(xué)生根據(jù)自己的能力，根據(jù)強(qiáng)弱組合的原則，在設(shè)計(jì)開始前，自愿組成設(shè)計(jì)小組。通過(guò)采用小組制方式，組內(nèi)成員合理分工、強(qiáng)弱幫帶，發(fā)揮每個(gè)人的能力，通力合作完成設(shè)計(jì)，既降低了設(shè)計(jì)的難度，增加了設(shè)計(jì)的樂(lè)趣，還鍛煉了參與團(tuán)隊(duì)合作與溝通的能力[2]。

1.3 課程設(shè)計(jì)實(shí)施安排

在課程設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作中，學(xué)生已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本情況有了比較充分的了解，盡管如此，對(duì)于初次接觸CU設(shè)計(jì)的學(xué)生而言，要在16學(xué)時(shí)內(nèi)完成模型機(jī)的設(shè)計(jì)，仍然存在一定困難。因此，將課程設(shè)計(jì)的實(shí)施分為思路建立和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)兩個(gè)過(guò)程(如圖2所示)。

圖2 課程設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程安排示意圖

1.3.1 思路建立過(guò)程

實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)了12條指令的指令系統(tǒng)，在課程設(shè)計(jì)的前半部分，通過(guò)充分利用該示例，幫助學(xué)生建立思路、掌握方法，進(jìn)而在后續(xù)開展自己的設(shè)計(jì)。

過(guò)程1：編寫匯編小程序

教師講解示例指令系統(tǒng)的指令格式、功能和使用方法，要求學(xué)生利用這些指令編寫一個(gè)具有一定功能的小程序，例如：排序、數(shù)據(jù)傳送等。通過(guò)這一過(guò)程，不僅可幫助學(xué)生理解底層機(jī)器指令的功能，使學(xué)生掌握利用實(shí)驗(yàn)環(huán)境編寫、調(diào)試匯編程序的方法，還可達(dá)到關(guān)聯(lián)高級(jí)語(yǔ)言程序與底層實(shí)現(xiàn)方法、培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)器級(jí)程序編程思路的效果。從而使學(xué)生對(duì)于在底層實(shí)現(xiàn)某種程序功能需要怎樣的功能指令有一定的認(rèn)識(shí)，以便根據(jù)后期匯編程序功能的規(guī)劃，完成指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。

過(guò)程2：分析、修改示例指令系統(tǒng)的微程序

通過(guò)示例上述指令系統(tǒng)中典型機(jī)器指令在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的微程序編寫方法，講解實(shí)驗(yàn)臺(tái)的微程序流程設(shè)計(jì)、微指令格式要求及微指令編碼方法。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生通過(guò)逐一分析給定指令系統(tǒng)全部指令的微程序流程，建立機(jī)器指令功能與微程序?qū)崿F(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)，熟知微指令格式中操作控制字段支持哪些控制信號(hào)的發(fā)出，順序控制字段中有哪些可用條件、轉(zhuǎn)移方式以及微地址范圍，了解機(jī)器指令操作碼編碼與微程序入口地址的分配關(guān)系，掌握微程序?qū)Σ僮鲾?shù)不同尋址方式的支持方法，建立如何利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)的綜合認(rèn)識(shí)。

通過(guò)以上兩個(gè)過(guò)程的學(xué)習(xí)，學(xué)生還應(yīng)對(duì)專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)施能力有所掌握，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)通路、寄存器數(shù)量、機(jī)器指令格式、微指令格式、控存容量等方面的可用情況有準(zhǔn)確的理解，避免設(shè)計(jì)中出現(xiàn)天馬行空、不可實(shí)現(xiàn)的情況。

1.3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本課程設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與普通程序設(shè)計(jì)不同，是一種逆向思維過(guò)程。一般程序編寫是學(xué)生想辦法利用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)要求的程序功能，而組成原理的課程設(shè)計(jì)則是由學(xué)生先確立一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的程序功能，然后想辦法自己設(shè)計(jì)并完成一個(gè)指令系統(tǒng)來(lái)支持這個(gè)功能程序的編寫。

在明確程序功能需要的底層指令后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)器指令格式的操作碼編碼、地址碼格式及尋址方式的要求和限制，逐一完成每條機(jī)器指令的格式設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)指令系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。下一步通過(guò)微程序來(lái)支持這些指令功能的運(yùn)行。

根據(jù)每條指令的功能，繪制其微程序流程圖，根據(jù)操作碼散轉(zhuǎn)規(guī)則和轉(zhuǎn)移分支方法，標(biāo)定每條微指令的地址。根據(jù)流程圖，填寫微指令碼點(diǎn)表，完成指令系統(tǒng)的微指令編碼，并逐一測(cè)試每條機(jī)器指令微程序是否支持該指令的功能。調(diào)試并修改微程序，完成模型機(jī)的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

運(yùn)用該指令系統(tǒng)，編寫既定功能程序，并測(cè)試該程序是否達(dá)到預(yù)期功能效果。其間存在問(wèn)題，可能需要從添加、修改機(jī)器指令開始，重復(fù)上述過(guò)程，直至完成課程設(shè)計(jì)的全部要求。

1.4 課程設(shè)計(jì)考核評(píng)價(jià)方法

課程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)采用形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。終結(jié)評(píng)價(jià)采用小組答辯的方式進(jìn)行，答辯時(shí)要求提交完整、規(guī)范的設(shè)計(jì)文檔，由小組成員演示所設(shè)計(jì)的模型機(jī)情況，并由教師針對(duì)其設(shè)計(jì)對(duì)每一位小組成員進(jìn)行提問(wèn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的難易程度、完成情況、創(chuàng)新性、報(bào)告書寫情況以及回答問(wèn)題的準(zhǔn)確度，給出答辯成績(jī)。同時(shí)，根據(jù)學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中的日常表現(xiàn)，包括認(rèn)真好學(xué)、刻苦鉆研的精神，分析和解決問(wèn)題的思路及方法，出勤率及任務(wù)達(dá)成度等生成形成性評(píng)價(jià)。兩者結(jié)合，給出學(xué)生課程設(shè)計(jì)的最終考核成績(jī)。這種綜合考核方式，能夠起到以考促學(xué)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)和能力的全面發(fā)展，達(dá)到提高課程實(shí)施效果的作用。

2 課程設(shè)計(jì)達(dá)到的效果

2.1 對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的支撐作用

課程設(shè)計(jì)中模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建，涉及組成原理課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)(如表1所示)，既包括馮·諾依曼計(jì)算機(jī)各大部件的基本控制方法，也包括將指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、CU控制信號(hào)分析方法、CU微程序設(shè)計(jì)技術(shù)等復(fù)雜的原理性知識(shí)付諸實(shí)踐。這種理論與實(shí)踐的有效結(jié)合，使學(xué)生對(duì)于課程的核心知識(shí)內(nèi)容有了更加形象、深刻的認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到實(shí)踐課程對(duì)理論授課效果的提升作用。

表1 課程設(shè)計(jì)中涉及的理論知識(shí)點(diǎn)

2.2 對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)平臺(tái)的粘合作用

如圖1所示，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容貫穿了層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不僅從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的角度有效地關(guān)聯(lián)了課程自身各個(gè)知識(shí)模塊，還通過(guò)底層-微體系層和上層—編程語(yǔ)言層的功能設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠從高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言及其硬件實(shí)現(xiàn)等多個(gè)層次上思考同一個(gè)問(wèn)題的解決方法，縱向打通學(xué)生知識(shí)平臺(tái)中軟、硬件知識(shí)的壁壘，深化了各系統(tǒng)層次之間的聯(lián)系，有效地提升了學(xué)生的整機(jī)概念和系統(tǒng)能力。

2.3 對(duì)學(xué)生工程技術(shù)能力的培養(yǎng)作用

作為實(shí)踐課程，課程設(shè)計(jì)除了對(duì)以上知識(shí)能力的培養(yǎng)，對(duì)工程素養(yǎng)和工程技術(shù)能力的培養(yǎng)也發(fā)揮著重要的作用。在以小組為單位，獨(dú)立設(shè)計(jì)、完成任務(wù)的過(guò)程中，既能夠鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流能力，也能夠發(fā)揮學(xué)生的思維拓展和創(chuàng)新能力；較為緊張的時(shí)間安排，則對(duì)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力都提出了考驗(yàn)；評(píng)價(jià)形式—答辯，則從總結(jié)歸納問(wèn)題能力、文檔撰寫能力和語(yǔ)言表達(dá)能力等方面鍛煉了學(xué)生。

3 結(jié)語(yǔ)

基于微程序CU進(jìn)行的組成原理課程設(shè)計(jì)，盡管沒(méi)有采用VHDL硬件設(shè)計(jì)，但相對(duì)于學(xué)時(shí)和前序課程基礎(chǔ)不足等困難，這種方式具有易于上手及實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)該課程設(shè)計(jì)方案的實(shí)施，不僅加深了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，學(xué)生知識(shí)平臺(tái)的搭建和綜合能力培養(yǎng)也取得了良好的效果。在今后的教學(xué)工作中，將不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，以便更好地利用課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提升學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。