计算机组成原理课程实验教学改革

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摘要：目前《计算机组成原理》的实验内容存在与课程定位目标相悖的问题，一味追求实验内容的复杂性，而忽视了计算机组成原理实验教学的完整性和概念性。针对上述问题，本文对《计算机组成原理》的实验内容的改革问题进行了探讨。

关键词：计算机组成原理；教学实验改革

1实验教学存在的问题

《计算机组成原理》是计算机科学与技术的专业一门重要的基础课[1]。理解计算机组成原理会使学生能够更好地学习计算机科学的其他课程。本课程的目标是理解和掌握冯诺依曼结构机器的基本构成原理和基本观念，理解总线、接口、Cache和指令系统是如何决定计算机系统的性能。要求学生对计算机的五大部件有完整清晰的认识，了解硬件结构和对硬件具有一定的分析和设计能力。课程性质偏向于概念性。学生通过学习能够清楚地认识到硬件和软件在计算机系统中的地位和作用以及它们之间的相互依存关系。然而目前的计算机组成原理的实验教学内容混淆了课程性质，用专业课的实验要求取代了基础课的实验要求，一味追求实验内容的复杂性，比如让学生去设计流水技术，甚至解决竞争问题。学习计算机组成原理课程的学生还处于低年级阶段，并不具备计算机系统的完整知识和设计技能，让学生去解决实际的复杂问题，违反了基础与专业循序渐进的教学原则[2-3]。因此，本文针对上述问题，将《计算机组成原理》的实验教学的侧重点放在教学内容的完整实现上，循序渐进提升学生的硬件及软件设计能力，为后续相关课程的学习打下坚实的基础。目前很多院校为了培养学生综合能力，基于EDA技术，使用QuartusII软件进行计算机组成原理的实验[4]。QuartusII是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境。该集成环境完全支持VHDL等硬件描述语言[4-5]。随着越来越多的高校使用FPGA方案来开展计算机组成原理实验，采用这种方案进行实验教学的弊端也逐渐呈现出来：（1）如果希望在计算机组成原理课程中开展FPGA设计实验，就必须在本课程前安排学习《VHDL/VerilogHDL语言程序设计》这门课，然而对计算机专业来说，这门课不宜安排在低年级。（2）FPGA使用硬件逻辑语言将电路进行描述并写进芯片，学生无法对计算机组成电路产生直观性的认识，因此它不适合做基础认识性实验。（3）FPGA的电路调试是非常困难的，而学生设计的程序是否正确，其调试又要靠硬件电路的正确性来保障。如果预先加入调试电路，给定调试程序，那么势必限制学生的设计，这样做实际就变成了验证性的实验。（4）学习计算机组成原理的学生还在低年级阶段，设计真正的CPU和计算机系统对大部分学生来说，是非常有难度的。因此，实验教学不是仅仅靠使用FPGA就能解决的。

2实验教学方案的设计

针对以上问题，本文采用FPGA与基础实验电路相结合的实验教学方式。首先通过基础实验电路来学习和掌握计算机组成和工作的基本原理。这些实验放在相应的理论内容结束之后的实验课中完成，作为计算机组成原理课堂教学的一个重要补充。在此基础上，使用FPGA实现各部件电路，并将FPGA实现的电路代入到基础电路平台中，取代平台上某个基础部件，以实现所设计的该部件电路的调试。各部件电路调试成功后，再将各局部电路连接成整机，完成整机的调试。这种采用FPGA与基础实验电路平台相结合的方法，是循序渐进提升学生设计模型计算机能力的最有利的方法。在实验中，要求学生设计一个具有少量指令(如5条)的8位模型计算机。软件上，学生需要设计所有的程序和微程序；硬件上，在电路结构开放的基础上，学生自己操作各信号线。该设计过程包括通过内部总线连接各功能单元模块构成数据通路，用微指令设计计算机指令系统。学生在该模型计算机设计过程中要经历总体结构方案设计、指令系统设计包括指令格式和寻址方式、控制器的选择、编写微程序等过程。还需详细说明部件中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序。模型计算机设计完成后，学生将更加深刻地掌握模型计算机特别是CPU的基本工作原理。采用FPGA与基础实验电路相结合的实验教学方式使学生们对运算器、控制器、存储器以及输入输出各个模块的内部结构有了更深入的了解，锻炼了学生的实验动手能力，也培养了他们认真的科学态度和团队合作精神。比如有一组同学在刚做计算机组成原理实验的时候，由于粗心大意没有正确地设置开关和连好导线，导致存入的数据不正确。然后整组同学一起讨论避免连线出错的方法，最后通过在接线图上将已经连接好的部分作记号的方法来避免出错。改进的过程中不仅增进了同学之间的交流互动，还培养了认真做事的态度。在试验成绩评定方面，根据实验内容的难易程度，5个实验的分值比例分别设置为15%、15%、15%、15%和40%。为了积极提高学生的学习兴趣，还将硬件设计大赛与课程教学相结合，鼓励学生根据自己参赛的题目制定自己综合实验的内容。根据该方案进行实验改革以来，大部分同学纠正了以前厌学的态度，树立了学习的信心，动手能力与之前相比大幅提高。迟到早退的现象也消失了，学生能够主动参与实验并认真完成。在实验中通过认真思考，自行设计实验方案并记录分析数据，加深了对理论知识的理解。在掌握知识的同时，还增强了克服困难的信心。实验成果反馈如表1。

3结束语

计算机组成原理实验教学不应该一味追求实验内容的复杂性，应该侧重计算机模型的完整性和概念性。针对目前计算机组成原理实验教学中存在的问题，本文设计了FPGA与基础实验电路相结合的实验教学方式。该方案激发了学生的学习兴趣，增强学生开发复杂计算机系统的实践技能，提高了学生对多门核心专业课程融会贯通的能力，实现了培养学生综合能力的目的。

参考文献

[1]孙学梅.计算机组成原理课程教学改革探索.课程教育研究,2018(34):236

[2]刘向举.关于提高计算机专业核心专业课程教学效果的探讨—以计算机组成原理课程为例.计算机教育,2019(01):5-8

[3]工程教育专业认证标准（试行）（含通用标准和补充标,see.bit.edu.cn/upioadf

[4]罗苑堂.CPLD/FPGA常用模块与综合系统设计实例精讲.北京:电子工业出版社,2007

[5]吴继华,王诚.AlteraFPGA/CPLD设计(基础篇).北京:人民邮电出版社,2005

作者：吴旭 单位：广西大学计算机学院计科系