淺談?dòng)?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文
計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是一門技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的淺談?dòng)?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文，供大家參考。
淺談?dòng)?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文篇一
解析計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：本文首先對系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一起所采用的是單元式的結(jié)構(gòu)，包括整個(gè)的計(jì)算機(jī)部件的單元電路，用戶可以根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的模型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)方案對用戶的連接方式進(jìn)行改變，從而構(gòu)造出結(jié)構(gòu)不同、復(fù)雜程度不同的原理性計(jì)算機(jī)，用此實(shí)驗(yàn)對學(xué)生們進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，從而使學(xué)生能夠清楚的認(rèn)識到計(jì)算機(jī)的組成機(jī)構(gòu)及組成系統(tǒng)。本文在對計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，掌握了相關(guān)技術(shù)，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
中圖分類號：TP301-4
當(dāng)今時(shí)代，是商業(yè)的時(shí)代，計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)并沒有得到公開，然而，面對現(xiàn)代教學(xué)的要求，用不完善的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并不利于增強(qiáng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)組成原理的認(rèn)識。針對學(xué)生的層次及自身能力的不同，一套結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很有必要，不僅可以使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有更加深入的了解，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和了解計(jì)算機(jī)的相關(guān)技術(shù)，提高自身的理論與實(shí)踐結(jié)合能力。
1系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件可以為學(xué)生們提供實(shí)驗(yàn)的平臺，即原理實(shí)驗(yàn)儀，由單片機(jī)和構(gòu)成計(jì)算機(jī)組成的微程序控制器、運(yùn)算器、輸入輸出、存儲(chǔ)器等基本單元模塊組成。
1.1系統(tǒng)的硬件組成
實(shí)驗(yàn)儀的組成部分如圖1所示：
圖1實(shí)驗(yàn)儀的組成結(jié)構(gòu)圖
實(shí)驗(yàn)儀的硬件是以微控制器ATMEL AT89C52為中心，然后再配合其他的各個(gè)部件，實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。
1.2MCU AT89C52資源分配
AT89C52資源分配具有一定的標(biāo)準(zhǔn)功能，即8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)時(shí)器，一個(gè)6量兩級中斷結(jié)構(gòu)，單個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩及時(shí)鐘電路等。同時(shí)，AT89C52可以通過靜態(tài)邏輯操作降到最低的0Hz，并選用兩種軟件進(jìn)行節(jié)電的工作。當(dāng)空閑時(shí)，可以停止CPU的運(yùn)行工作，但是可以允許RAM、計(jì)數(shù)器、串行通信口等系統(tǒng)的繼續(xù)工作。下面具體的對系統(tǒng)中MCU資源在端口的分配情況進(jìn)行了介紹。
通常，AT89C52有四個(gè)并行的端口，且每個(gè)端口都有8條端口線，可以用于數(shù)據(jù)的傳送和接受工作。在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)緩存器可以用于傳送數(shù)據(jù)，而且P0口也可以對存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問，片外微控制存儲(chǔ)器28C16。其中，P1作為普通的端口，可以對系統(tǒng)的開啟和停止進(jìn)行控制，還可以對數(shù)據(jù)緩存、地址寄存器等進(jìn)行相應(yīng)的控制。
2系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)
2.1微控制程序的整體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的硬件核心就是微控制器，微控制器的主要的功能就是利用實(shí)驗(yàn)儀對各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀通常分為脫機(jī)運(yùn)行和練級運(yùn)行兩種運(yùn)行模式，所以微控制器的作用就是保證實(shí)驗(yàn)儀能夠脫機(jī)運(yùn)行，同時(shí)又能使實(shí)驗(yàn)儀以聯(lián)機(jī)的方式運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要的內(nèi)容就是實(shí)驗(yàn)儀的聯(lián)機(jī)運(yùn)行。微控制器程序的編寫工作有一定的步驟，即從系統(tǒng)的初始化開始，完成系統(tǒng)初始化之后再進(jìn)行下一步的工作。系統(tǒng)程序主要采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方式，想要實(shí)現(xiàn)的功能要能夠獨(dú)立出來，并通過模塊的形式提供相應(yīng)的調(diào)用，以達(dá)到軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的清晰要求。各模塊之間的關(guān)系可以用圖表示出來，如圖2所示：
圖2微控制器程序中各個(gè)模塊的關(guān)系
其中，主控模塊的作用就是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，對通信模塊進(jìn)行管理，協(xié)調(diào)和定義各個(gè)模塊之間的工作;通信模塊主要是作為PC機(jī)和實(shí)驗(yàn)儀通信的橋梁;微控制存儲(chǔ)器操作模塊主要是實(shí)現(xiàn)對微控制存儲(chǔ)器28C16讀寫操作的功能，并把相關(guān)的指令傳送到PC機(jī)上。
2.1.1微控制器程序的總體流程設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的每一次復(fù)位，首先都要運(yùn)用微控制器程序?qū)?shí)驗(yàn)儀進(jìn)行各項(xiàng)脫機(jī)工作的設(shè)置，然后再進(jìn)行初始化的串口，進(jìn)入系統(tǒng)程序等待用戶的交互操作，串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)串口的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)命令的接受、解析等。
2.1.2微控制存儲(chǔ)器操作模塊的設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)儀所運(yùn)用的微程序設(shè)計(jì)技術(shù)，使微控制存儲(chǔ)器存儲(chǔ)微指令。首先，在系統(tǒng)正常運(yùn)行之前，要提前把微指令存儲(chǔ)到微控制存儲(chǔ)器28C16中;其次，在時(shí)序信號的作用下，可以進(jìn)行微指令的讀取，進(jìn)而對程序指令進(jìn)行解釋。
微控制存儲(chǔ)器28C16操作模塊的作用主要是對微控制存儲(chǔ)器28C16進(jìn)行相應(yīng)工作的讀取。在對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可以下載微指令，通過MCU完成微控制存儲(chǔ)器的讀寫工作。相應(yīng)的，也可以通過聯(lián)機(jī)進(jìn)行微控制存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的讀取。根據(jù)PC機(jī)的命令字，再通過通信模塊，可以將PC機(jī)中接收的微指令存放在微控制存儲(chǔ)器中。
2.2PC機(jī)仿真程序的總體設(shè)計(jì)
PC機(jī)方針程序的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驌碛辛己玫目梢暬缑?，讓用戶通過合理的PC結(jié)構(gòu)布局更形象的了解計(jì)算機(jī)的組成和指令的具體執(zhí)行情況。
PC機(jī)的實(shí)際應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)由以下多種模塊組成：用戶界面。用戶界面是在Windows系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，所運(yùn)用的是圖形化界面，操作簡單，任務(wù)窗口較多。通信模塊。通信模塊的設(shè)計(jì)所采用的Mod bus協(xié)議，此協(xié)議在通信模塊中的應(yīng)用使模塊更加的標(biāo)準(zhǔn)化，通訊等更加的快捷、可靠，可以任意的進(jìn)行重接等。文件下載。把程序指令和微指令通過串口發(fā)送到實(shí)驗(yàn)儀的相關(guān)存儲(chǔ)器中。
3實(shí)驗(yàn)儀微控制器程序的實(shí)現(xiàn)
3.1主控模塊的實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)儀單片機(jī)程序的控制中心就是主控模塊。想要使系統(tǒng)的主控模塊實(shí)現(xiàn)，就要對實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行初始化，使其在脫機(jī)的情況下運(yùn)用手動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)行，等到系統(tǒng)通電之后，通過MCU對實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行手動(dòng)操作，進(jìn)而來對相關(guān)鎖存器、寄存器等控制信號進(jìn)行設(shè)置。隨后，對串口進(jìn)行初始化設(shè)置，來等待串口中斷情況的發(fā)生，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀再根據(jù)所接受的各種命令對串口中斷的程序進(jìn)行處理。
3.2通信模塊的實(shí)現(xiàn)
通信模塊的實(shí)現(xiàn)首先要完成三個(gè)方面的工作，即串口初始化、讀、寫串口。
其中，串口出示化是為實(shí)現(xiàn)通信功能的必備條件，所以，首先要對通信模塊進(jìn)行初始化。串行通信的初始化主要是對串行通信控制寄存器、定時(shí)器及相關(guān)的波特率等進(jìn)行的設(shè)置。
串行通信數(shù)據(jù)的接收主要是利用實(shí)驗(yàn)儀采用中斷方式接受PC機(jī)傳來數(shù)據(jù)。
串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送主要是運(yùn)用實(shí)驗(yàn)儀對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。
綜上所述，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)串口通信方式，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀與PC機(jī)的聯(lián)機(jī)操作。在對計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析時(shí)，其組成原理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)開放性的系統(tǒng)，實(shí)際的應(yīng)用過程中學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀的硬件設(shè)計(jì)來完成自己的微程序和實(shí)驗(yàn)案例。
參考文獻(xiàn)：
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淺談?dòng)?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文篇二
EDA技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
【摘 要】計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)學(xué)生要學(xué)習(xí)的一門必修課程，在這門課程中應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，不僅能加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的理解，也將有利于提高學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的能力以及創(chuàng)新的綜合設(shè)計(jì)能力。正是符合了該課程的預(yù)期目的。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu);EDA技術(shù);實(shí)驗(yàn);應(yīng)用
計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，除了要對理論知識加以了解，更重要的是要提升自己的動(dòng)手能力。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的必修課，通過課程設(shè)計(jì)把理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中，可以起到拓展知識的作用。
一、EDA技術(shù)概述
EDA也就是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，EDA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助測試以及計(jì)算機(jī)輔助工程。EDA技術(shù)的工具就是計(jì)算機(jī)，在EDA軟件平臺上，設(shè)計(jì)者常常用硬件描述語言HDL來完成具體的課程設(shè)計(jì)文件，然后再在計(jì)算機(jī)平臺上自動(dòng)完成邏輯編譯、分割、優(yōu)化、布局、仿真等多個(gè)步驟。
EDA技術(shù)最大的優(yōu)勢在于用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)硬件的實(shí)際功效。一項(xiàng)設(shè)計(jì)最重要的部分是仿真和調(diào)試，采用EDA技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，從設(shè)計(jì)的高層次上對設(shè)計(jì)進(jìn)行全局縱覽，有助于早期改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的毛病，避免工作量的增加，也可以減少進(jìn)行邏輯功效仿真的工作量，增加設(shè)計(jì)的成功率。
二、將EDA技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)是一個(gè)典型的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)，如果在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)中加入EDA技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)平臺，不僅可以提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的斂率，也可以節(jié)約硬件開發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。因此在計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教學(xué)中，要不斷提高學(xué)生利用現(xiàn)代化的電子技術(shù)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。當(dāng)然，EDA技術(shù)將成為計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。
(一)課程的實(shí)施方案
課程設(shè)計(jì)是要完成模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)以及FPGA的實(shí)現(xiàn)，而課程實(shí)驗(yàn)則是用來驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部件以及其具體的邏輯功能的。這兩種課程內(nèi)容都是為了讓學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)中各個(gè)部件的具體組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)方法及其具體的設(shè)計(jì)方法，從而建立一種整體的概念，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行獨(dú)立分析設(shè)計(jì)的能力。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用了多門課程，比如計(jì)算機(jī)組成原理、VHDL、匯編語言程序設(shè)計(jì)等，這些課程都能對學(xué)生的自學(xué)能力有很好的提高。因?yàn)樵撜n程設(shè)計(jì)不僅在理論上要求學(xué)生有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，在實(shí)踐上則要求學(xué)生具有電路分析與設(shè)計(jì)、能進(jìn)行完整實(shí)驗(yàn)的能力。
(二)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容
計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面。首先是進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，畫出模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路框圖;其次是設(shè)計(jì)微程序控制器或者硬聯(lián)線控制器的邏輯結(jié)構(gòu)框圖;開始設(shè)計(jì)機(jī)器指令格式和指令系統(tǒng);由給出的課程題目和設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)來編寫相應(yīng)的匯編語言，進(jìn)行仿真等。
三、將EDA技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)
進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之后就可以進(jìn)行具體的課程實(shí)踐。在進(jìn)行課程實(shí)踐之前，要掌握具體的設(shè)計(jì)方法。計(jì)算機(jī)的CPU包含基本的功能模塊以及與基本功能模塊相連的數(shù)據(jù)通路。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)實(shí)踐時(shí)要掌握基本功能模塊的具體功能以及各自的特點(diǎn)，再對每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試、軟件仿真和硬件設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中采用的CPU采用大多是單總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的16位CISC CPU，EDA軟件大多是可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具軟件。
(一)基本模犁計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)
在具體的課程設(shè)計(jì)中，為了保證清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般在系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)采用原理圖輸入法，而在其他的模塊都采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。對各個(gè)模塊進(jìn)行處理時(shí)要在文本編輯器中輸入每一個(gè)單元模塊所對應(yīng)的VHDL源程序，并且要對各個(gè)源程序進(jìn)行編譯，可以產(chǎn)生相應(yīng)的圖元，供頂層的電路調(diào)用使用。各個(gè)模塊的圖元可以生成圖元庫，運(yùn)用EDA技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程，很重要的一步就是要進(jìn)行軟件仿真，而仿真的元器件就來源于圖元庫。在圖形編輯器中可以對圖元庫中的各種圖元進(jìn)行調(diào)用，再根據(jù)數(shù)據(jù)通路的總體框架圖連接成頂層電路圖，就可以進(jìn)行電路的仿真。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的CISC模型機(jī)的頂層電路圖中有很多基本器件模塊，比如時(shí)序信號發(fā)生器、程序計(jì)數(shù)器、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、移位寄存器、指令寄存器、比較器、地址寄存器、一個(gè)控制單元等。而這些模塊也共用一組16位的三態(tài)數(shù)據(jù)總線。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的存儲(chǔ)模塊是一個(gè)重要的組成部分，存儲(chǔ)元件由嵌入式陣列塊構(gòu)成，通過調(diào)用宏模塊并設(shè)置模塊相關(guān)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)的各個(gè)部分都承擔(dān)了不同的功能，其中，存儲(chǔ)CPU主要是對指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行，具體的過程是處理器從存儲(chǔ)元件中讀取相應(yīng)的指令，CPU再執(zhí)行指令來運(yùn)行下行的各種程序，整個(gè)過程中的指令都被存儲(chǔ)在指令寄存器中。譯碼過程由控制單元完成，控制單元主要是控制相應(yīng)的信號進(jìn)行相互作用，并且控制各個(gè)處理單元來執(zhí)行這些指令。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的控制模塊其實(shí)是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，它主要控制CPU的各項(xiàng)動(dòng)作之間的順序，比如取指令、譯碼、執(zhí)行指令，控制模塊進(jìn)行操作時(shí)要針對各個(gè)動(dòng)作發(fā)出具體的時(shí)序控制信號，使得計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各個(gè)動(dòng)作都能進(jìn)行協(xié)調(diào)的工作，進(jìn)而完成各個(gè)指令的具體功能。這種方法與微程序設(shè)計(jì)方法不同，微程序設(shè)計(jì)法主要在控制存儲(chǔ)器中寫入微指令，通過控制微程序來執(zhí)行具體的控制指令。
(二)軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)CPU得到一個(gè)復(fù)位信號后，系統(tǒng)即開始進(jìn)行復(fù)制操作，復(fù)位信號是使CPU內(nèi)部狀態(tài)復(fù)位的一個(gè)信號操作。一般說來，系統(tǒng)的每個(gè)寄存器都有不同的功能，寄存器1主要存放模塊的的起始地址，寄存器2主要存放系統(tǒng)目標(biāo)區(qū)的起始地址，而寄存器6則主要存放被復(fù)制模塊的末地址。在具體的操作過程中要判斷數(shù)據(jù)模塊的復(fù)制工作是否已經(jīng)結(jié)束，若已經(jīng)滿足結(jié)束條件則可以停止運(yùn)行，否則要繼續(xù)記數(shù)直至數(shù)據(jù)模塊復(fù)制完成。
將設(shè)計(jì)的程序輸入并且進(jìn)行編譯之后，還有一個(gè)重要的步驟就是仿真，仿真也是對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的一個(gè)重要步驟，若在仿真中發(fā)現(xiàn)不符合要求的地方，則要及時(shí)找出原因進(jìn)行改正，以保證最終結(jié)果的正確性。
結(jié)語
計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程是鍛煉學(xué)生積極思考以及提升其思維能力的重要課程，不同的設(shè)計(jì)對象和內(nèi)容導(dǎo)致設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容完全不同，這也考驗(yàn)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力，由于EDA技術(shù)與計(jì)算機(jī)輸入技術(shù)、邏輯編程和仿真等方面都有緊密的聯(lián)系，而且在硬件實(shí)驗(yàn)之后有具體的圖像可以進(jìn)行對比，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很好的靈活性和可操作性。也能提高學(xué)生進(jìn)行軟件開發(fā)的能力，可以達(dá)到課程設(shè)計(jì)的效果。
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淺談?dòng)?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文篇三
計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐
[摘 要] 結(jié)合近年來在計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)類課程方面的教學(xué)實(shí)踐，對該類課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，提出建立計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程群的課改思路，并對相關(guān)課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。建立了一種在課程群的教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)思路。
[關(guān)鍵詞] 課程群;主動(dòng)學(xué)習(xí);計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)
[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1005-4634(2013)02-0064-04
0 引言
在計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)課程體系中，“計(jì)算機(jī)組成原理”是基礎(chǔ)課，它主要以順序執(zhí)行為主要特征，從部件到整機(jī)介紹馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本組成。而“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”則是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它把當(dāng)前主流的、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中的一些較為典型的思想和方法提取出來作為教學(xué)內(nèi)容講授。因此在實(shí)際教學(xué)過程中，無論是對于計(jì)算機(jī)組成還是對于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，一般都普遍認(rèn)為理論和概念多、教學(xué)抽象、教師授課時(shí)教學(xué)內(nèi)容部分有重復(fù)，因而學(xué)生聽起來感覺單調(diào)、乏味，也比較困難。因此，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生系統(tǒng)而全面地掌握計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本理論、方法，提高該類課程的教學(xué)效率和教學(xué)效果，近年來引起人們的廣泛關(guān)注，很多老師根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對該類課程的教學(xué)進(jìn)行了有益的探討和研究[1-9]。
圖1是美國UC Berkeley 大學(xué)2009年關(guān)于計(jì)算機(jī)組成及其體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[1]。從圖1中可以看出，在這一類課程的教學(xué)設(shè)置中，UC Berkeley大學(xué)在保留了傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時(shí)，也加強(qiáng)了基于FPGA 的硬件設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。此外，還在本科教學(xué)中加深了并行體系結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)內(nèi)容。
圖2給出了中國科技大學(xué)2010年關(guān)于計(jì)算機(jī)組成及體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[2]。由圖2可見，中國科技大學(xué)在保留傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時(shí)，在本科教學(xué)中加強(qiáng)了CPU設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。
論文還對Stanford[3]、MIT[4]等其他多個(gè)美國著名大學(xué)和南京大學(xué)[5]、國防科技大學(xué)[6]等國內(nèi)著名高校在相關(guān)課程方面的教學(xué)情況進(jìn)行了分析。分析發(fā)現(xiàn)，這些大學(xué)在計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程教學(xué)理念、教學(xué)思路，甚至教學(xué)內(nèi)容方面都有很多相似之處，如都以典型的流水線CPU設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)器層次化結(jié)構(gòu)為核心內(nèi)容，都是站在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度闡述計(jì)算機(jī)組成原理及硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對并行體系結(jié)構(gòu)、并行程序設(shè)計(jì)等技術(shù)的掌握。
通過對國內(nèi)外一些著名高校的相關(guān)課程教學(xué)方法進(jìn)行分析總結(jié)，本文結(jié)合筆者近年來在該類課程方面的教學(xué)實(shí)踐，對該類課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，提出建立計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程群及在教學(xué)過程中主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的教學(xué)思路，并在相關(guān)課程教學(xué)中進(jìn)行了探索和實(shí)踐。
1 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程群的建設(shè)
在對國內(nèi)外著名高校計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程設(shè)置情況深入研究分析的基礎(chǔ)上，論文對筆者所在的西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的所有課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)由于課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)，教學(xué)存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課程之間內(nèi)容脫節(jié)等問題。針對該問題，結(jié)合西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)及要求，并借鑒國內(nèi)外有關(guān)院校的經(jīng)驗(yàn)[5-9]，對原有專業(yè)課程設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整。將原先模擬電子技術(shù)部分內(nèi)容合并到數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)中，形成數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)課程;將原先的計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容合并，形成計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課程;同時(shí)開設(shè)了一門新課――高級計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。通過對相關(guān)課程的調(diào)整，構(gòu)建了以“計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”為核心的課程群(如圖3所示)，對相關(guān)課程的教學(xué)體系進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃。
其中，計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論主要從宏觀上介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)涉及到的各個(gè)層次的內(nèi)容，讓學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全貌和相關(guān)知識體系;數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)圍繞組合邏輯設(shè)計(jì)和時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)兩大核心內(nèi)容，在邏輯門到功能部件這兩個(gè)層次展開;計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)從寄存器傳送級以上層次介紹單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理;微機(jī)原理與接口及嵌入式系統(tǒng)分別定位為計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的基本原理在PC 及嵌入式系統(tǒng)方面的實(shí)例化;高級計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)則主要在更高層次上介紹多核CPU、多處理機(jī)系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等不同粒度和規(guī)模的多處理器并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)方式及其應(yīng)用領(lǐng)域。上述課程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論、數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)為必修課，微機(jī)原理與接口、嵌入式系統(tǒng)、高級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為選修課。
針對不同課程在教學(xué)體系上的關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)，采用了如下的處理思路。
1)關(guān)于進(jìn)位計(jì)數(shù)制及相互之間的轉(zhuǎn)換、ASCII 碼表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、漢字編碼、無符號數(shù)表示、帶符號數(shù)表示，在計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論課程中進(jìn)行詳細(xì)講解，而在后繼課程中作為“回顧”內(nèi)容，不再詳細(xì)介紹;補(bǔ)碼特性和浮點(diǎn)數(shù)的表示則在計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹。
2)邏輯門電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、移位器、內(nèi)存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及相關(guān)電路設(shè)計(jì)內(nèi)容在數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)中詳細(xì)介紹;計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程則直接使用這些基本電路來構(gòu)建更大的功能部件。
3)關(guān)于存儲(chǔ)器的相關(guān)方法、原理主要在計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹;計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程僅作概要說明;微機(jī)原理和接口技術(shù)中不再講。
4)關(guān)于I/O接口，計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論課程從計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成的角度簡單提一下常用的外部設(shè)備的功能及接口;計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)主要介紹各種外設(shè)抽象出來的一個(gè)通用結(jié)構(gòu)，以及外設(shè)控制器的通用結(jié)構(gòu);微機(jī)原理與接口技術(shù)則具體介紹PC機(jī)所用的一些接口電路、I/O 總線及其互連。
2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)踐
為了進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)組成及體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程的教學(xué)效果，在積極建設(shè)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程群的同時(shí)，還在相關(guān)課程的教學(xué)過程中，從以下三個(gè)方面對引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)方法進(jìn)行了探索和實(shí)踐。 2.1 積極探索新的教學(xué)技巧，提高學(xué)生對相關(guān)課 程的學(xué)習(xí)興趣
計(jì)算機(jī)現(xiàn)在非常普及，各種部件學(xué)生也都熟知，只不過對各部件的工作原理以及相互之間的通信方式還不是太了解，所以有些無所適從。因此，在開始講授這門課時(shí)，首先從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣入手，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用自己以前所學(xué)的知識和了解到的一些市場行情，去寫出一臺計(jì)算機(jī)的配置，看看都需要哪些部件，怎樣配置才是最優(yōu)最合理的。這樣可以使學(xué)生更直觀、更全面、更深入地理解本課程的教學(xué)目的，然后再結(jié)合教學(xué)輔助軟件將計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行分割、拆卸，如硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、主機(jī)、打印機(jī)、顯示器等，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，使學(xué)生能夠更好地了解計(jì)算機(jī)功能部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相互之間的聯(lián)系。另外，利用適當(dāng)?shù)臋C(jī)會(huì)向?qū)W生介紹本學(xué)科發(fā)展的新動(dòng)向、新技術(shù)，指出現(xiàn)在的整個(gè)技術(shù)發(fā)展大趨勢是什么，這樣有助于引導(dǎo)學(xué)生牢固樹立為探求技術(shù)發(fā)展而努力學(xué)習(xí)的信心和決心。通過這種方式，學(xué)生們普遍感到計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)原來離自己是很近的，消除了畏懼心理，從主觀上開始重視該課程，并帶著問題和興趣去學(xué)習(xí)，這樣就為講好、學(xué)好該課程打下了基礎(chǔ)。
為促使學(xué)生對課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生更為持久的興趣，還進(jìn)行了如下探索和實(shí)踐。
在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)，講清難點(diǎn)。學(xué)生重點(diǎn)掌握的是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器及I/O設(shè)備的基本組成和工作原理。因此在講授運(yùn)算器的運(yùn)算原理及組成機(jī)制、各種存儲(chǔ)器的構(gòu)成及存儲(chǔ)原理、CPU中微程序控制器的機(jī)理等內(nèi)容時(shí)，分配了很多課時(shí)和精力，目的是讓學(xué)生重點(diǎn)理解并掌握這些知識。其他部分內(nèi)容可視課時(shí)的多少或讓學(xué)生自學(xué)，或略講，或討論。
在授課過程中，將重點(diǎn)放在基本原理上，如對計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，應(yīng)著重掌握它在整機(jī)中的作用，以及由此而分配給各部件所要完成的任務(wù)， 從而正確選用或設(shè)計(jì)硬件，而不致被眾多風(fēng)格各異的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及組成所迷惑;以計(jì)算機(jī)五大部件內(nèi)容為主線，重點(diǎn)講述基本內(nèi)容，如對計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的發(fā)展，只是重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu); 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)不是本課程的重點(diǎn)，只介紹指令的尋址方式及一些典型指令;CPU部分只注重分析微程序控制器、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)及流水CPU， 其他部分內(nèi)容可引導(dǎo)學(xué)生自學(xué);對于需要重點(diǎn)掌握、但教材上沒有詳細(xì)介紹的基本內(nèi)容應(yīng)根據(jù)具體情況增加介紹，如教材介紹存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)的字位同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，教材上只有不到60字的內(nèi)容，而這部分內(nèi)容又是重點(diǎn)，課后習(xí)題占了將近一半，故需增加課時(shí)，詳細(xì)講解。另外，對微程序控制計(jì)算機(jī)的基本工作原理和程序設(shè)計(jì)技術(shù)要求重點(diǎn)掌握，而教材中此部分內(nèi)容介紹較少，如何寫指令的微程序，如何確定微指令的結(jié)構(gòu)，學(xué)生感到困惑，故需對微程序控制器進(jìn)行詳細(xì)的講解。
在教學(xué)過程中盡量采用“形象教學(xué)法”，對適合課堂演示的動(dòng)態(tài)模擬內(nèi)容，比如像講解“存儲(chǔ)器的讀寫操作”時(shí)就采用直觀的多媒體形式;而對于概念性和推理性很強(qiáng)的內(nèi)容，比如像講解“補(bǔ)碼的加減法”時(shí)，則采用板書結(jié)合教師的手勢和形體語言的方式，以吸引學(xué)生的注意力;對于難以理解的內(nèi)容，用生活中的一些生動(dòng)形象的具體實(shí)例加以解釋說明。比如，中央處理器一章中的流水技術(shù)原理，初學(xué)者理解起來也比較困難，就舉了一個(gè)“三人合作洗衣服”的例子：三個(gè)人分別承擔(dān)洗衣、烘干、疊衣任務(wù)，合作完成洗衣服的任務(wù)，這樣三個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行就可以完成洗衣服任務(wù)。這樣學(xué)生就很容易理解，而且與流水線相關(guān)的概念比如吞吐率、流水效率、數(shù)據(jù)相關(guān)等也就可以迎刃而解了。
2.2 加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)，以問促學(xué)，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn) 行主動(dòng)創(chuàng)新性學(xué)習(xí)
為了使學(xué)生能夠帶著問題對課程進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)能力，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)，在授課過程中，故意設(shè)置一些問題“陷阱”，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。例如，在存儲(chǔ)系統(tǒng)一章中，講述主存儲(chǔ)器是由半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器RAM 和半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器ROM 組成，RAM 是易失性存儲(chǔ)器，ROM 是非易失性存儲(chǔ)器，RAM 又分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。為什么靜態(tài)RAM 不需要刷新，而動(dòng)態(tài)RAM 需要刷新?為什么放大器讀出的信息不會(huì)送到數(shù)據(jù)線上?將這樣一系列的問題留給學(xué)生討論，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓他們各抒己見，最后得出正確的答案。這樣，不僅活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)習(xí)的趣味性，還便于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題，達(dá)到教學(xué)相長的目的。
對一些簡單的教學(xué)內(nèi)容，一般要求學(xué)生自學(xué)，教師只針對自學(xué)內(nèi)容提出幾個(gè)具體問題，由學(xué)生討論，自己解決。例如在講授中央處理器一章中的傳統(tǒng)CPU 一節(jié)時(shí)，考慮到學(xué)生前面已學(xué)習(xí)過CPU的基本組成和功能原理，這一節(jié)內(nèi)容可要求學(xué)生自學(xué)，并且布置習(xí)題要求學(xué)生課下完成。
對教學(xué)中一些尚未透徹理解、容易混淆的概念以及學(xué)生自學(xué)中沒有解決的問題，組織學(xué)生在課堂進(jìn)行專題討論。例如，存儲(chǔ)系統(tǒng)一章中的存儲(chǔ)器的字位擴(kuò)展是一個(gè)非常重要的問題，學(xué)生在解題時(shí)很容易把字?jǐn)U展和位擴(kuò)展中的地址線畫錯(cuò)。針對這個(gè)問題進(jìn)行舉一反三，通過仔細(xì)分析，加深學(xué)生對基本概念和基本理論的理解，達(dá)到觸類旁通的效果，有助于學(xué)生解題能力的提高。
2.3 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力
計(jì)算機(jī)組成原理主要以單個(gè)計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理作為教學(xué)內(nèi)容，概念多，特別是教學(xué)過程中的實(shí)踐性比較強(qiáng)，因此課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合非常必要。筆者共安排了32學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更明確的了解，同時(shí)對計(jì)算機(jī)的硬件特性也有了比較全面的認(rèn)識并鞏固掌握了所學(xué)的理論知識。
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要以現(xiàn)代并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)所涉及到的一些思想和方法為教學(xué)內(nèi)容，課程的技術(shù)性更強(qiáng)。針對該教學(xué)特點(diǎn)，在課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置上強(qiáng)化了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圍繞相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將所有學(xué)生分組，每4～6個(gè)學(xué)生安排為一組，進(jìn)行專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)題目在第一次開始上課時(shí)即作為任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生以小組為單位，通過各種信息渠道合作解決，收到了較好的教學(xué)效果。 3 結(jié)束語
經(jīng)過幾年來計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程群的教學(xué)改革實(shí)踐，相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置減少了重復(fù)，彌補(bǔ)了缺失，銜接更加合理。通過在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的探索與實(shí)踐，提高了學(xué)生對計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)了學(xué)生對計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)基本理論、方法的理解和掌握，提高了該類課程的教學(xué)效率和教學(xué)效果。
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