计算机组成原理实验的实现与研究
作 者：魏世康
摘 要：本文介绍了计算机组成原理课中的存储器、运算器、微程序控制器以及整机概念的
理解。本文介绍了通过进行计算机组成原理实验的研究深入对计算机组成原理课中对上述概念的理解和利用现有设备开设设计性实验的研究。
关键词：计算机组成原理，设计性，实验 1 引 言
计算机组成原理是计算机专业的一门核心课程,因为它在计算机类专业起着承上启下、软硬件兼容的重要作用。随着科学技术的发展,核心技术已经愈来愈集中在集成电路芯片和软件这两项技术,其中CPU和OS设计技术是最核心的两项技术。然而,我国在CPU和计算机系统设计方面十分落后,具有成熟的自主知识产权的8bit/16bitCPU产品基本没有。而在实践方面:调研表明,国内除诸如中国科技大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等少数高校十分重视计算机系统设计课程群建设,深入广泛地采用EDA技术与硬件描述语言完成实验和设计训练,并将计算机组成原理和计算机体系结构课的实验明确为CPU设计,其他大多数学校组成原理的实验是在一些由分立元件构成的实验平台,完成简单的验证式的单个功能的实验,最多是完成简单模型CPU的验证性实验。而《计算机组成原理》这门课是一门实践性很强的课程，综合性、设计性实验是这门课中的重要环节。本文就笔者实践过的三次实验的方法与实现做扼要介绍。
2 实验内容简介
运算器：以74LSl81运算器芯片为核心设计电路，能够实现多种运算，并能使用历史结果数据进行累计运算，运算结果可以使用LED灯来显示。
1、基本功能：支持累加、支持有符号数和无符号数运算、支持补码加/减运算以及支持有符号数溢出检测。
2、溢出检测：可以检测有符号加减法溢出、无符号加减发溢出并通过LED灯显示有无溢出.
存储器：以RAM6116静态存储器芯片为核心采用各数据位分别异或产生写校验码，将写校验码与数据位异或生成读校验码。读写模式控制开关与读写操作控制开关求与非产生冲突报警信号和冲突处理信号的静态半导体存储器。
微程序控制器：先完成运算器的数据通路部分，在运算器部分能够正确完成各类运算的基础上，再增加存储器通路，并能通过带三态控制的数据开关，存入要用的初始数据。最终的结果能够在指示灯上显示。实验要求先将多个运算数据事先存入存储器中，再由地址选中，选择不同的运算指令，进行运算，并将结果显示，还可以进行简单的微程序控制，实现取数、加法、或操作等运算最后将最终结果写入到存储器中。本电路以运算和存储部分为核心，然后借助锁存信息部分实现累加，并观察运算结果是否正确。最后通过溢出检测部分判断是否有溢出。 三次实验的具体设计思路一致，具体包括以下几个部分：
（1） 根据实验原理以及运算规则，画出相应实验逻辑电路图 （2） 查阅资料，设计出实现各部分功能的元器件 （3） 掌握元器件性能，设计各个功能模块的实验电路图
（4） 处理好各个功能模块（时序、控制等关系），画出完整的实验电路图，
并按照电路图在实验台上进行接线（注意美观、整齐、正确）
（5） 逐步调试电路，并用实际数据操作验证实验电路图及具体连线的正确
性
（6） 整理出论文式的实验报告
3 实验方法
为了尽快掌握控制信号的概念及综合设计的能力,并能灵活运用，而我们计算机组成原理实验的课时又十分有限的情况下，我们的实验主要采取了循序渐进的方法。第一个实验:运算器系统实验。让学生学会如何把已给定的原理图变成逻辑表达式,并且用实际的门电路去实现它，实验侧重点放在画逻辑接线图上。第二个实验:存储器系统实验侧重点放在设计时序图上。它除了涉及数据线、地
址线、控制线外,还涉及了控制器的一些基本概念。尽管上述实验称之为系统实验,但它仍没有实现整机实验,它的控制信号是局部的,不是由操作码产生的。为此,我们又开设了第三次实验 ,即运算器、存储器、控制器联调,即微程序控制器系统实验，实验侧重点放在了综合设计上。在原理课中微程序控制器及控制信号的基本概念也属于学生很难在课堂上理解弄懂的章节之一。而这几个系统实验都有一个较突出的特点就是,它涉及原理课的知识面广且综合性、关联性强。因此, 我们开设的原理实验课, 既培养了学生们的动手、动脑能力,又能检验出其掌握理论知识的水平,同时也加深了他们对原理课的理解,并促使他们更加努力地学习原理课。老师提出的主要设计要求是完成取指令、分析指令、执行指令并且用单周期实现。其设计的主要步骤是:
①制定指令系统, 并确定操作码。
②根据指令系统,再确定运算器以及控制器的硬件结构并粗略画出框图,同时选定芯片。
③据框图结构画出时序表,同时画出每条指令的流程图。 ④后再画出实际的逻辑接式图(包括时序信号连线)。 ⑤完成系统接线。
这三次实验循序渐进，难度也一步步加大，而且实验的内容环环相扣，最后一次实验更是将前两次的实验完整的结合了起来并且加入了指令系统将我们在汇编语言和数字逻辑课程中学到的知识加以应用和升华。同学们都深感收获很大,教学效果很好。通过对实验课不断地研究和探索,在如何加深对原理课的理解及提高学生的实践能力方面做了一些有益的尝试。该实验不仅充分地调动了我们学习的积极性,而且还培养了他们严谨的科学作风,并学会了如何把理论知识应用于实践。通过实验学生们也提高了分析问题和解决问题的能力,并看到了自己的不足之处, 从而使他们更加努力、认真地学习理论课上的知识。
实验过程中老师主要采用以下几种教学手段和方法: ① 事先预习,作出预习报告,经仔细检查后开始连线。
② 实验的开始及中间过程,老师把实验的重点、难点以及实验自检技巧进
行必要的讲解和说明。
③ 在调试过程中,根据每组学生出现的不同故障,给予针对性的指点。
这种计算机组成原理实验设计课题教学模式的设置，充分挖掘了实验仪的硬件资源，给出了一个较高水平的综合性、设计性的实验教学的课题和解决方案，让同学们对计算机组成原理相关知识的理解更加深刻而不是仅仅局限于理论。也可使实验内容和理论教学有机地结合起来，有效地提高实验教学水平。学生通过该课题的实践，能进一步融会贯通课堂教学所学内容，能真正地掌握计算机各功能模块的工作原理、相互联系和信息流动过程，完整地建立起计算机整机概念。 4 结 语
计算机组成原理实验的精髓就在于方案设计与实现的检查与答辩,重点检查了学生灵活运用所学知识及分析解决所遇问题的能力。另一个重点是检查设计报告,注意检查对设计中遇到的问题及其解决方法的讨论。重视设计性实验教学环节，发挥了设计性实验教学的作用,是培养创新性人才不可缺少的重要部分。只有不断探索与学科发展、科学技术发展以及社会对人才需求相适应的设计性实践教学模式,才能不断提高实践教学的质量。
同样的在简单的实验中也可能遇到很多不可控的因素导致实验的失败，可能该实验原理很简单，也是我们上课讲过的一些知识，但是实际操作其实存在很多问题。比如芯片的检测，因为芯片很可能是坏的或者在将芯片插入的过程中接触不良或者引脚根本没接进去。还有就是电路的检测，在设计好电路并连接完成时，却发现电路并不能按照设计思路中的那样工作，电路各处都是联通的，但是结果就是不对。而且在做实验的过程中一定要有一个良好的习惯，无论做什么实验。比如将S0、S1、S2、S3、A0—A7、B0—B7的顺序都反接，没有按照从低位到高位的顺序。可能这只是一个小问题，但是就可能出现将显示数据或地址的指示灯顺序反接，低位当做高位，高位当做低位。
而在三次实验中我们应该掌握的知识除了运算器、存储器和微程序控制器以外，还有关于整机的概念我们也应该重点掌握。整机实验不同于由分立元件构成的实验平台也不是简单的验证性的单个功能的实验，而是将集成电路芯片和指令相结合，它的控制信号不是局部的，而是由操作码产生，已经脱离了系统试验的范畴。而对于这种整机实验的概念，理解原理很重要。如果对实验的原理不清不
楚，就算了有了一个很详细的电路图，在实际操作时，依然会漏洞百出，而且苦不堪言。因为对实验的原理缺乏最根本的认识，空有电路图却不知道其中各个原件的作用和它们之间的联系，最后的结果注定不会成功。
5 参考文献
《计算机组成原理实验指导书》 王晓兰 周建国 吴秀敏 管军 《计算机组成原理》 秦磊华 吴非 莫正坤《计算机组成原理设计性实践教学模式研究》 秦磊华 张园 王小兰《计算机组成原理综合性、设计性实验的开发与实现》 张宇华 周莹 《计算机组成原理实验课的改进》 王鑫
编著 编著编著编著编著
