计算机组成原理课程整机概念培养综合实验设计

徐昆良

（曲靖师范学院计算机科学与工程，曲靖655011）

计算机组成原理课程整机概念培养综合实验设计

徐昆良

（曲靖师范学院计算机科学与工程，曲靖655011）

1　计算机组成原理课程特点

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门专业基础课程，通过对该课程的学习，学生对计算机系统的基本结构、各模块的工作原理和计算机设计方法有一个全面的了解，从而形成一个整机的概念［1］。

在实际教学中，为了让学生真正理解各知识点，提高教学效果，真正解决“老师难教，学生难学、怕学”的尴尬局面，各任课教师提出了很多教学改革的方法，有通过网络课程建设、仿真实验教学系统开发激发学生对这门课程的学习产生浓厚的兴趣以提高教学效率［2］。有通过以模型机为切入点，展开教学的尝试［3］。也有通过加强理论教学和实践教学的方法［4］。还有基于建构主义理论的教和学角色定位的教学方式改革［5］。这些教学方法的改革虽然都有一定的教学效果，但是都难以让学生形成整机的概念。为此，本文通过设计一个综合性实验，让学生思考完成，从而了解各功能部件的工作原理，更重要的是通过实际操作使他们清楚地认识到各部件之间的联系。

2　实验原理

实验中涉及到存储器、输入设备、输出设备、ALU几个模块。这些不同设备挂至总线上，通过总线可实现信息交换，实验框图如图1所示。

图1　实验连接原理图

实验中，以完成x+y-z的运算为例。需将数据x、y、z通过输入单元由数据总线送入存储器存放，再将x、y送入ALU的DR1和DR2寄存器完成加法运算，运算的中间结果送入存入存储器存放，然后取出中间结果送入DR1，取出z送入DR2，完成减法运算，最后结果存入存储器。根据实验连接原理图，基于教学实验箱ZY15Comp12BB，设计得到连接线路图如图2所示。

图2中，运算器由两片74LS181芯片构成，ALU单元的输出由LDPC控制，LDDR1、LDDR2控制向寄存器DR1和DR2中置数，S3、S2、S1、S0、Cn、M控制74LS181做不同的运算。存储器由6116芯片构成，6116有CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线），实验中将OE常接地，当CE=0、WE=0时进行写操作，CE=0、WE=1时进行读操作，CE和WE分别由299_G和PC_G进行控制。

图2　实验连接线路图

3　操作步骤

（1）初始化

使各个控制电平的初始状态为：CLR=1，LDDR1= 0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN= 111111，299_G（CE）=1，PC_G（WE）=1，LDAR=0，LDPC=1，CLR=l→0→1，将CONTROL UNIT的开关SP05打在“NORM”状态，“SP03”开关设置为“STEP”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时。

（2）将x、y、z分别存入存储器地址a、b、c单元中。具体操作步骤为：

①输入单元数据开关置地址为a；

②打开输入三态门，即置SW_G=0，置LDAR=1，通过按START开关产生T3负脉冲可将地址a存入地址寄存器；

③输入单元数据开关置数据为x；

④置299_G=0，通过使PC_G从1拨到0再拨到1产生负脉冲将数据x存入地址为a的存储单元；

⑤重复①-④步骤可将数据y、z存入地址b、c中。

（3）将a、b单元数据取出并送入ALU单元的DR1、DR2寄存器。具体操作步骤为：

①输入单元数据开关置要取的数据地址为a；

②打开输入三态门，即置SW_G=0，置LDAR=1，通过按START开关产生T3负脉冲可将要取数据的地址a存入地址寄存器；

③关闭输入三态门，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS单元读出数据x；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通过按PULSE开关产生T4正脉冲可将数据x存入寄存器DR1；

⑤输入单元数据开关置要取的数据地址为b后，重复②-③步骤可将在DATA BUS单元读出数据y，置LDDR1=0，LDDR2=1，通过按PULSE开关产生T4正脉冲可将数据y存入寄存器DR2；

（4）将x+y运算结果存入地址为d的单元中。具体操作步骤为：

①输入单元数据开关置地址为d；

②打开输入三态门，即置SW_G=0，置LDAR=1，通过按START开关产生T3负脉冲可将地址d存入地址寄存器；

③关闭输入三态门，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=100101，可得x+y的运算结果在DATA BUS单元显示；

④置299_G=0，通过使PC_G从1拨到0再拨到1产生负脉冲将数据x+y存入地址为d的存储单元，同时置LDPC=1。

（5）重复步骤（3）将d、c单元数据取出并送入ALU单元的DR1、DR2寄存器。具体操作为：

①输入单元数据开关置要取的数据地址为d；

②打开输入三态门，即置SW_G=0，置LDAR=1，通过按START开关产生T3负脉冲可将要取数据的地址d存入地址寄存器；

③关闭输入三态门，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS单元读出数据x+y；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通过通过按PAULSE开关产生T4正脉冲可将数据x+y存入寄存器DR1；

⑤输入单元数据开关置要取的数据地址为c后，重复②-③步骤可将在DATA BUS单元读出数据z，置LDDR1=0，LDDR2=1，通过按PULSE开关产生T4正脉冲可将数据z存入寄存器DR2；

（6）将x+y-z运算结果存入地址为e的单元中。具体操作步骤为：

①输入单元数据开关置地址为e；

②打开输入三态门，即置SW_G=0，置LDAR=1，通过按START开关产生T3负脉冲可将地址e存入地址寄存器；

③关闭输入三态门，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=011000，可得x+y-z的运算结果在DATA BUS单元显示；

④置299_G=0，通过使PC_G从1拨到0再拨到1产生负脉冲将数据x+y-z存入地址为e的存储单元，同时置LDPC=1。

（7）将x+y-z运算结果取出并送入OUTPUT单元显示。具体操作步骤为：

①输入单元数据开关置地址为e；

②打开输入三态门，即置SW_G=0，置LDAR=1，通过按START开关产生T3负脉冲可将地址e存入地址寄存器；

③关闭输入三态门，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS单元读出数据x+y。

（8）连接完成的实验接线实物图及如图3所示。

4　完成实验的目的意义

通过该实验连线和操作，一方面学生可以连接各模块，构成一个计算机硬件系统，另一方面，通过对各信号的控制操作，了解控制器的控制过程以及运算器的工作过程，从而在实验环节进一步形成一个整机的概念。另外，该实验所用实验箱为ZY15Comp12BB，若使用其他厂家的实验箱，可参照完成实验设计和操作，从而达到课程的学习目的。该实验在计算机组成原理教学改革中，具有一定的参考价值。

图3　实验连接实物图

［1］唐朔飞.计算机组成原理［M］.第2版.北京：高等教育出版，2008.

［2］徐昆良.《计算机组成原理》课程教学方法探讨究［J］.中国科技信息，2009（9）：254-256.

［3］罗福强，熊永福.《计算机组成原理》课程的特点及教学改进［J］.价值工程，2011（30）：154.

［4］杨学颖，薛素静.《计算机组成原理》课程教学研究与探索［J］.农业网络信息.2013（8）：145-149.

［5］郑耿忠.基于建构主义理论的《计算机组成原理》课程教学研究［J］.计算机教学与教育信息化，2008（11）：295-297.

Comprehensive Experiment；Whole Machine Concept Training

Comprehensive Experimental Design of Whole Machine Concept Training of Computer Organization Principle Course

XU Kun-liang
（College of Computer Science and Engineering，Qujing Normal University，Qujing 655011）

1007-1423（2015）20-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.20.017

徐昆良（1979-），男，硕士研究生，研究方向为计算机硬件、软件应用

2015-06-19

2015-07-02

基于我校组成原理实验箱设计一个综合实验，该实验将输入单元、存储单元、ALU单元、输出单元五个部分通过线路连在一起，实验者作为控制器，构成一个台能够完成8位数运算的计算机系统，通过该实验的完成，让学生在各组成部分单独学习的基础上，有一个整机的概念。

综合实验；整机概念培养

Designs a comprehensive experiment based on the principle experiment box，lines five parts of the experiment units which are the input，storage unit，ALU unit，output unit together，takes the experimenter as controller，constitutes a computer system which can set 8 digits operation，through the experiment，let the students study in separate each component on the basis of the concept of the machine.