《计算机组成原理与系统结构》实验教学研究与探讨

【摘要】《计算机组成原理与系统结构》在电类相关专业的课程体系中占据重要的地位，实验教学对提升课程的理论教学有着显著的帮助。文中归纳了国内各高校计算机组成原理与系统结构课程的实验现状，分析了实验教学中存在的问题，提出了应用型本科计算机组成原理与系统结构教学一些设想，并对实验项目的设置做了有益的探讨。

【关键词】计算机组成原理 系统结构 实践教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）16-0144-02

一、国内计算机组成原理与系统结构实验现状与改革

计算机组成原理与系统结构这门课程主要通过对计算机各功能部件的组成及运行原理进行分析和讲解，培养学生硬件系统的认知能力。课程通过机器表示、运算方法及运算部件的讲解和实验，使学生掌握计算机的运算特征；通过存储系统的详细讲解和实验，使学生能从容量、速度的角度理解多层次存储系统的组织结构和工作原理；通过总线、输入输出接日及外部设备等知识的讲解，使学生了解计算机系统内部、计算机系统与外部的交互方式。

作为理论知识课堂教学的重要补充，实验教学在计算机组成原理这类硬件课程中是不可缺少的。实验教学可以帮助学生深入理解和掌握课堂所传授的知识点，也是培养学生动手能力、自主解决问题能力和创新意识的重要方法和途径。反之，学生通过实验课巩固和加强对计算机芯片的理解以及解决实际问题时所获得的成就感，又可以促进学生对理论课程的学习兴趣。

在大多数高等院校的本科教学中，计算机组成原理一直存在着“难教难学”的问题。 经分析，发现该课程 教学存在着以下几对矛盾：

（1）理论抽象难懂而教学方法陈旧。 计算机组成原理除了讲授计算机各主要功能部件的结构、 组织方式和工作原理之外，还讲授主要功能部件的设计方法。 多数学生对该课程的评价是“原理难懂、概念抽象”。

（2） 实验方法与学生创新意识培养的矛盾。计算机组成原理的课程实验多使用实验箱。实验箱结构无法更改，箱内部件难以更改和扩充。受实验箱的局限，大多采用验证性实验，基本步骤是在实验箱上按实验指导书连线后，运行并观察结果。大多数学生上完实验课后还无法回答出所做实验所涉及的理论知识。这样的实践教学效果不理想，更重要的是无法培养学生的思维能力和创造力。

笔者所在的学院从西安唐都科教仪器有限公司购买了TD-CM++实验设备用于教学。“TD-CM++计算机组成原理与系统结构实验教学系统”是一套完全开放性的实验装置，通过实验，可以使学生对计算机系统的基本原理有一个清晰的概念和认识。

教学实验安排有两种不同的方案。第一种方案是紧跟授课进度，课堂教学和教学实验相互结合，以验证性为主的实验内容来巩固所学理论知识。第二种方案是课程设计的单独环节，让学生集中一段时间完成大型综合性设计，对提高学生分析问题和解决问题的能力更有利。（1）理论教学。老师在理论课上讲授的理论知识。（2）随堂验证。课后作业加深对理论知识点的理解。（3）独立实验。根据计算机组成与系统结构设计相应的验证试验和设计实验，进一步加深理论知识的理解。（4）课程设计。学生根据所学知识，自行设计一个模型机，这需要学生对所学理论知识融会贯通，方可完成设计任务，从而使学生能够对计算机单机构成形成整体的认识。因此，在教改中，借助TD-CM++实验平台，开发设计性的实验内容，要求学生在验证性实验完成的基础上，触类旁通，完成设计要求。独立实验内容安排如表1。

二、实验项目设计

针对应用型本科学校培养目标，结合笔者学院实际情况，我们设计了四个实验项目，如表1所示。

（一）运算器组成实验

运算器主要完成计算机中的算术运算和逻辑运算，一般运算器有输入寄存器，用来实现运算数据的存储，运算结果，通过输出总线存储在累加器中。

a.实验目的：熟悉简单运算器的数据传输通路。掌握算术逻辑运算加、减、乘、与的工作原理。验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。验证试验台运算器的8位加、减、乘、与、直通功能。

b.实验内容：1.验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。2.两16位操作数的算术运算及进位影响。3.两16位操作数的逻辑运算及进位影响。4.不同控制组合下的算术与逻辑运算的输出结果。

（二）存储器实验

存储器用来存放计算机中正在的程序和数据，通过地址总线传输地址经译码选择存储单元，利用数据总线传输输入或读出对应存储单元的信息。

a.实验目的：1.掌握静态随机存储器RAM工作特性。2.掌握静态随机存储器RAM的数据读写方法。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异之处；学习用编程器设备向EEPROM芯片内写入一批数据的过程和方法。4.理解并熟悉通过字、位扩展技术实现扩展存储器系统容量的方案。5.了解静态存储器系统使用的各种控制信号之间正常的时序关系。6.加深理解存储器部件在计算机整机系统中的作用。

b.实验内容：1.要完成存储器容量扩展的教学实验，需为扩展存储器选择一个地址，并注意读写和OE等控制信号的正确状态。2.用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较RAM（61XX系列）、EEPROM（28XX系列芯片）、EPROM（27XX系列芯片）在读写上的异同。3.用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116）进行读写，用D命令查看结果是否正确。 4.用监控程序的A命令编写一段程序，对扩展存储器EEPROM（28 系列芯片）进行读写，用D命令查看结果是否正确；如不正确，分析原因，改写程序，重新运行。

（三）微控制器实验

时序产生器提供微程序执行时的时序信号，微程序控制器负责对微指令译码，发出微控制信号，通过微程序的编制、写入，观察微程序的运行。

a.實验目的：1.掌握时序产生器的组成原理，了解时钟和时序信号的波形。2.掌握微程序控制器的组成原理，掌握微指令格式和各字段功能。3.掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。

b.实验内容：1.将微程序输入到控制器中并校验；2.单步运行、连续运行，观察微程序控制器的工作原理。

（四）总线控制实验

总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公共信息线。

a. 实验目的：1.理解总线的概念及其特性。2.掌握总线传输控制特性。

b.实验内容：实验所用总线传输实验：它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。

三、结束语

计算机组成原理与系统结构课程理论性较强，难度大，传统的实践教学方法效果不佳，学生感觉计算机硬件知识抽象，动手能力得不到锻炼。本文结合应用型本科学校计算机组成原理与系统结构教学要求和目标，提出了应用型本科计算机组成原理与系统结构实验教学的一些设想，并进行了实践，结果表明我们的“计算机组成原理与系统结构”实验设计能满足应用型本科学校计算机组成原理与系统结构教学要求。在后续工作中，我们将进一步优化实验项目，完善计算机组成原理与系统结构实验课程教学体系。

参考文献：

[1]王秀芹，杨洋，刘春晓.《计算机组成原理》实验课中巧用随机数提高学生创新能力[J].福建电脑. 2016（10）.

[2]刘小洋，黄贤英.基于计算机组成原理课堂教学的探讨[J].科技信息.2014（03）.

作者简介：

朱霞（1980-），女，江苏南通人，博士，讲师，研究方向：计算机。