基于PBL教学法的计算机组成原理实验项目研究

陈 润，琚生根，周 刚，陈祥东

（四川大学 计算机学院，四川 成都 610065）

基于PBL教学法的计算机组成原理实验项目研究

陈 润，琚生根，周 刚，陈祥东

（四川大学 计算机学院，四川 成都 610065）

为克服当前计算机组成原理课程实验教学中的诸多问题，提高教学效率，该文将PBL教育法引入计算机组成原理实验的教学中，研究了适合PBL教学法的组成原理实验项目的具体设计和实现方案，完成了具有基本功能的计算机系统设计，发掘了实验设备潜能，使PBL教学法能更好地开展。实践表明，该教学法有效地辅助了理论课的学习，训练了学生工程设计和自主创新的能力。

组成原理实验；PBL教育法；数据通路；指令；微指令

PBL教学法是基于问题学习教学法的简称，该方法起源于20世纪50年代的医学教育，近年来已被广泛用于其他教育领域［1－3］。与传统以学科为基础的教学法不同，PBL是一种以学生为学习主体的教育方法，而不是传统教学中的以教师讲授为主。该方法将学习与任务或问题挂钩，将学习设置在学生通过自主探索和合作来解决问题的过程之中，从而培养学生解决问题和自主学习的能力，调动学生学习的主动性和积极性。

计算机组成原理是计算机专业学习计算机基础和计算机硬件工作原理的一门基础课程［4－5］，作为一门硬件类课程，其实验教学肩负着引导学生由理论到实践、由抽象到形象的重要任务，它的开展情况直接影响该门课程的学习，其教育方法、教育内容一直都是教育工作者关注和研究的热点［6－9］。

因此，本文探讨将PBL教育法引入计算机组成原理实验教学的开展中，并重点探讨基于PBL教育法的实验项目的研究和改造。

1 基于PBL的计算机组成原理实验开展

基于PBL教育法的计算机组成原理实验开展的关键在于改变原有的依次开展计算机各部件实验，教师讲解，学生再按照实验指导书验证功能的教学方法，让整门实验课围绕“如何从硬件和软件上来设计和实现一个计算机系统”这一大问题展开，大问题中同时包含各种需要解决的小问题。实验中，让学生尽量自主探索，自主学习，成为学习的主体，而教师仅作为问题的设计者和学习过程的启发者和帮助者。教师设置合适的问题，学生可以根据情况进行分组，然后自行查阅资料，通过实验系统的部件实验来积累知识，掌握各部件的工作原理，讨论可行性方案，设计指令系统，设计数据通路，设计微指令，最终在实验系统上完成计算机系统的软硬件设计，并验证通过。

PBL教育法中，学生的一切学习内容是以问题为主轴架构的，因此，问题的设计在整个教育法中尤其重要，好的问题案例是做好PBL教学的基本前提。目前，现有的计算机组成原理实验案例大多来自各个厂家的实验指导书，属于验证性实验，缺少适合PBL教育法的实验［10－13］，因此我们有必要对目前的实验项目进行研究和改造，设计出适合开展PBL教育法的案例作为问题导向，使其更好地发挥对学习过程的指导作用。

2 基于PBL的实验项目设计和实现

2.1 PBL问题导向的建立

计算机组成原理的最终教学目标是使学生掌握计算机各个组成部件的工作原理以及各部件之间的连接，形成较完整的计算机组成与工作原理模型，建立完整的计算机整机概念。目前，我校使用的是西安唐都公司推出的新一代的TD－CMA教学实验设备，因此，本文实验项目的设计以此为基础，将PBL教学法的问题导向设计为将实验箱的各个部件整合起来，搭建计算机（也称为模型机）的硬件系统，并设计该模型机的指令系统，最后编写程序完成某种功能来进行验证。在本文中，以实现具有基本的运算、访问、输入、输出功能的模型机为例。

2.2 模型机指令系统确立

确定了问题导向，即所设计计算机的功能和用途后，接着应该确定模型机的指令系统，包括数据的表示格式、位数、指令的编码、类型以及需要设计哪些指令和使用的寻址方式。

2.2.1数据格式

模型机规定数据采用定点整数补码表示，字长为八位，最高位为符号位，数值表示范围是－27≤X≤27－1。

2.2.2 指令格式

模型机设计算数逻辑指令、I／O指令、访问及转移3大类指令共7条。

1）算数逻辑指令

算数逻辑类指令包括加（ADD）和减（SUB），都为单字节指令，寻址方式采用寄存器直接寻址，其指令格式如下：

7 6 5 4 3 2 1 0 OP－CODE RS RD

其中OP－CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器。

2）访问及转移指令

模型机设计两条访问指令，即存数（STA）和取数（LAD），一条无条件转移指令（JMP），都为双字节指令，寻址模式都为直接寻址，指令格式如下：

7 6 5 4 3 2 1 0 OP－CODE 0 0 RD E

其中，OP－CODE为操作码，RD为目的寄存器，E为地址。

3）I／O指令

输入（IN）和输出（OUT）指令采用双字节指令，其指令格式如下：

7 6 5 4 3 2 1 0 OP－CODE RS RD P

其中，OP－CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，P为I／O端口号。

2.2.3 指令系统

本模型机共有7条基本指令，其助记符号、格式和功能如表1所示。

表1 模型机指令描述

2.3 总体结构和数据通路设计

模型机总体结构设计包括确定各部件的设置以及它们之间的数据通路结构。应根据设计目标合理地设置各个部件，如运算器部件的结构、控制器的控制方式等。而数据通路决定了计算机的结构，其结构也应该合理设置，不同的数据通路决定了执行指令的不同操作。

本模型机的数据通路框图如图1所示。

图1 数据通路图

2.4 微指令设计

数据通路图确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度，确定每条指令所需要的机器周期数，根据总线结构，考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中。最后设计出微程序流程图，确定微地址，如图2所示。

图2 微程序流程图

其中，公共“取指”微指令的判断测试字段为P＜1＞测试，本模型机用指令寄存器的高六位作为测试条件，共7路分支，对应7条机器指令，占用7个固定微地址单元。

然后按照实验系统建议的微指令格式，参照图2，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，由于微指令较多，本文以SUB、STA、IN这3条指令为例，如表2所示。并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。

表2 二进制代码表

2.5 组装、调试

设计一段机器程序来验证模型机的功能，本文设计实现以下运算：从IN单元读入两个数，分别存于R0和R1，将两个数相加，再用两数的和减去MEM中13H单元中的自定数据，并分别将加法和减法的结果送到OUT单元显示，并存储于MEM的14H和15H单元中。具体程序如表3所示。

表3 机器指令程序

最后，按照数据通路图，将实验系统的各个部件连线，并将写好的微指令和机器指令文件在联机的状态下直接写入到实验系统的控制器微存和主存中，检查确认无误后运行程序，观察OUT单元的显示结果和内存单元的数值是否正确。也可以在单步的状态下通过实验系统的动态数据通路图和微程序流程图来观测指令的执行过程。

3 结束语

在问题的驱动下，通过这样一个从无到有，从硬件到软件的设计过程可以帮助学生很好地建立计算机整机概念，锻炼他们独立思考和解决问题的能力，很好地克服传统组成原理实验教学中的诸多不足。在今后的教学中，为了使PBL教学法更好地开展，应进一步发掘实验系统潜能，多开发和设计类似的实验项目，并加以规范描述建立标准化案例库，从而减少资源浪费，提高教学效率。

［1］刘银萍，彭端，蒋力立.PBL教学模式在综合性实验中的应用［J］.实验科学与技术，2011，9（3）：78－81.

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［3］童桂，郑忻.PBL在“数据库原理及应用”教学中的模式构建［J］.中国电力教育，2010（35）：55－57.

［4］钟国辉.以设计性实验为牵引的微机原理课程教学［J］.高等工程教育研究，2013（3）：154－158.

［5］肖敏.浅析计算机组成原理综合设计性实验的教学实践［J］.教育教学论坛，2014（22）：216－218.

［6］姜欣宁，陈宇.“计算机组成原理专题实验”的教学改革［J］.实验技术与管理，2013，30（4）：162－165.

［7］张磊，郑榕，田军峰.计算机组成原理理论实验教学无缝结合的新方法［J］.实验室研究与探索，2013，32（5）：168－172.

［8］方恺晴，张洪杰.计算机组成原理实验课程教学新方法的探论［J］.计算机教育，2007（4）：52－55.

［9］颜俊松.计算机组成原理实验教学研究与探索［J］.重庆高教研究，2008，27（1）：101－102.

［10］赵洋.《计算机组成原理》复杂指令模型机设计与实现［J］.科技信息，2006（S2）：161－162.

［11］乔道迹.《计算机组成原理》课程复杂模型机的深度开发［J］.装备制造技术，2009（5）：114－117.

［12］张宇华，周莹.《计算机组成原理》综合性、设计性实验的开发与实现［J］.现代计算机，2004（9）：98－100.

［13］丁红胜.CPU与简单模型机设计实验中的关键问题分析［J］.计算机教育，2013（15）：13－17.

Study of Experimental Project for the Principles of Computer Organization Based on PBL

CHEN Run，JU Shenggen，ZHOU Gang，CHEN Xiangdong
（School of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

To overcome the problems in the experiment teaching of the course and improve the teaching efficiency，problem based learning（PBL）education act was introduced to the experimental teaching of computer organization principle，design and implementation of experimental project for the principles of computer organization based on PBL was studied.A computer system with basic function was designed，including the design of instruction system，overall structure，data path，micro instruction and machine program which verified the function of the model machine，etc.It not only explored the potential of the experiment equipment，effectively supported the PBL education and theory lesson，but also exercised the students’ability of engineering design and creativity.

organization principle experiment；PBL education act；data path；instruction；micro instruction

G64

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.040

2015－11－25；修改日期：2016－10－25

四川大学实验技术立项资助项目（2015－106，2015－108）；四川大学计算机学院实验技术立项资助项目。

陈润（1980－），女，博士，工程师，主要从事智能系统、信息安全方面的研究。