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摘要:目前《計算機組成原理》的實驗內容存在與課程定位目標相悖的問題，一味追求實驗內容的復雜性，而忽視了計算機組成原理實驗教學的完整性和概念性。針對上述問題，本文對《計算機組成原理》的實驗內容的改革問題進行了探討。
關鍵詞:計算機組成原理；教學實驗改革
1實驗教學存在的問題
《計算機組成原理》是計算機科學與技術的專業一門重要的基礎課[1]。理解計算機組成原理會使學生能夠更好地學習計算機科學的其他課程。本課程的目標是理解和掌握馮諾依曼結構機器的基本構成原理和基本觀念，理解總線、接口、Cache和指令系統是如何決定計算機系統的性能。要求學生對計算機的五大部件有完整清晰的認識，了解硬件結構和對硬件具有一定的分析和設計能力。課程性質偏向于概念性。學生通過學習能夠清楚地認識到硬件和軟件在計算機系統中的地位和作用以及它們之間的相互依存關系。然而目前的計算機組成原理的實驗教學內容混淆了課程性質，用專業課的實驗要求取代了基礎課的實驗要求，一味追求實驗內容的復雜性，比如讓學生去設計流水技術，甚至解決競爭問題。學習計算機組成原理課程的學生還處于低年級階段，并不具備計算機系統的完整知識和設計技能，讓學生去解決實際的復雜問題，違反了基礎與專業循序漸進的教學原則[2-3]。因此，本文針對上述問題，將《計算機組成原理》的實驗教學的側重點放在教學內容的完整實現上，循序漸進提升學生的硬件及軟件設計能力，為后續相關課程的學習打下堅實的基礎。目前很多院校為了培養學生綜合能力，基于EDA技術，使用QuartusII軟件進行計算機組成原理的實驗[4]。QuartusII是Altera提供的FPGA/CPLD開發集成環境。該集成環境完全支持VHDL等硬件描述語言[4-5]。隨著越來越多的高校使用FPGA方案來開展計算機組成原理實驗，采用這種方案進行實驗教學的弊端也逐漸呈現出來：（1）如果希望在計算機組成原理課程中開展FPGA設計實驗，就必須在本課程前安排學習《VHDL/VerilogHDL語言程序設計》這門課，然而對計算機專業來說，這門課不宜安排在低年級。（2）FPGA使用硬件邏輯語言將電路進行描述并寫進芯片，學生無法對計算機組成電路產生直觀性的認識，因此它不適合做基礎認識性實驗。（3）FPGA的電路調試是非常困難的，而學生設計的程序是否正確，其調試又要靠硬件電路的正確性來保障。如果預先加入調試電路，給定調試程序，那么勢必限制學生的設計，這樣做實際就變成了驗證性的實驗。（4）學習計算機組成原理的學生還在低年級階段，設計真正的CPU和計算機系統對大部分學生來說，是非常有難度的。因此，實驗教學不是僅僅靠使用FPGA就能解決的。
2實驗教學方案的設計
針對以上問題，本文采用FPGA與基礎實驗電路相結合的實驗教學方式。首先通過基礎實驗電路來學習和掌握計算機組成和工作的基本原理。這些實驗放在相應的理論內容結束之后的實驗課中完成，作為計算機組成原理課堂教學的一個重要補充。在此基礎上，使用FPGA實現各部件電路，并將FPGA實現的電路代入到基礎電路平臺中，取代平臺上某個基礎部件，以實現所設計的該部件電路的調試。各部件電路調試成功后，再將各局部電路連接成整機，完成整機的調試。這種采用FPGA與基礎實驗電路平臺相結合的方法，是循序漸進提升學生設計模型計算機能力的最有利的方法。在實驗中，要求學生設計一個具有少量指令(如5條)的8位模型計算機。軟件上，學生需要設計所有的程序和微程序；硬件上，在電路結構開放的基礎上，學生自己操作各信號線。該設計過程包括通過內部總線連接各功能單元模塊構成數據通路，用微指令設計計算機指令系統。學生在該模型計算機設計過程中要經歷總體結構方案設計、指令系統設計包括指令格式和尋址方式、控制器的選擇、編寫微程序等過程。還需詳細說明部件中數據和控制信號的來源、去向、功能、時序。模型計算機設計完成后，學生將更加深刻地掌握模型計算機特別是CPU的基本工作原理。采用FPGA與基礎實驗電路相結合的實驗教學方式使學生們對運算器、控制器、存儲器以及輸入輸出各個模塊的內部結構有了更深入的了解，鍛煉了學生的實驗動手能力，也培養了他們認真的科學態度和團隊合作精神。比如有一組同學在剛做計算機組成原理實驗的時候，由于粗心大意沒有正確地設置開關和連好導線，導致存入的數據不正確。然后整組同學一起討論避免連線出錯的方法，最后通過在接線圖上將已經連接好的部分作記號的方法來避免出錯。改進的過程中不僅增進了同學之間的交流互動，還培養了認真做事的態度。在試驗成績評定方面，根據實驗內容的難易程度，5個實驗的分值比例分別設置為15%、15%、15%、15%和40%。為了積極提高學生的學習興趣，還將硬件設計大賽與課程教學相結合，鼓勵學生根據自己參賽的題目制定自己綜合實驗的內容。根據該方案進行實驗改革以來，大部分同學糾正了以前厭學的態度，樹立了學習的信心，動手能力與之前相比大幅提高。遲到早退的現象也消失了，學生能夠主動參與實驗并認真完成。在實驗中通過認真思考，自行設計實驗方案并記錄分析數據，加深了對理論知識的理解。在掌握知識的同時，還增強了克服困難的信心。
3結束語
計算機組成原理實驗教學不應該一味追求實驗內容的復雜性，應該側重計算機模型的完整性和概念性。針對目前計算機組成原理實驗教學中存在的問題，本文設計了FPGA與基礎實驗電路相結合的實驗教學方式。該方案激發了學生的學習興趣，增強學生開發復雜計算機系統的實踐技能，提高了學生對多門核心專業課程融會貫通的能力，實現了培養學生綜合能力的目的。
參考文獻
[1]孫學梅.計算機組成原理課程教學改革探索.課程教育研究,2018(34):236
[2]劉向舉.關于提高計算機專業核心專業課程教學效果的探討—以計算機組成原理課程為例.計算機教育,2019(01):5-8
[3]工程教育專業認證標準（試行）（含通用標準和補充標,see.bit.edu.cn/upioadf
[4]羅苑堂.CPLD/FPGA常用模塊與綜合系統設計實例精講.北京:電子工業出版社,2007
[5]吳繼華,王誠.AlteraFPGA/CPLD設計(基礎篇).北京:人民郵電出版社,2005
作者:吳旭 單位:廣西大學計算機學院計科系
