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      对“计算机组成原理”实验教学中一些问题的探讨

       

      对“计算机组成原理”实验教学中一些问题的探讨

       

       

      一、“计算机组成原理”课程定位问题

      “计算机组成原理”是低年级的计算机硬件入门课,对这门课,教学大纲的定位是基础课。本课程的目标是:理解、掌握最基本的计算机的组成,建立冯诺依曼结构机器的基本构成原理和基本概念,课程性质偏概念性。有了这些概念和基础,知识层面的基础积累就具备了,才可以在高年级学习更加深入的内容。这个阶段学生还不具备任何的先进计算机设计方法和思想,也不具备设计先进计算机的手段,所以不可能去作先进CPU或计算机的设计。

          一些人认为:“现在计算机组成原理中的模型机太简单,从CPU到总线,再到外围等都与现在主流的、实用的计算机毫无关系,这种组成原理实验教学没有任何实用价值,应改革组成原理实验课程,让学生去设计先进、实用的计算机”,这些人就是混淆了课程性质,妄图以专业课去取代基础课,违反了基础与专业循序渐进的教学原则。
       
         二、用FPGA来开展组成原理实验的问题
          有一些学校特别希望使用FPGA方案来开展组成原理实验,认为这种实验手段“先进”,尽管这几年有许多已采用这种方案的学校觉得存在很多问题,但是仍有一部分学校教师想尝试这种方案。
      (1)前序课程的要求
          组成原理课程中并没有多余学时来进行FPGA设计调试工具和硬件描述语言的教学,如果希望在组成原理课中来开展FPGA设计实验,必须在其前序开设一门课程,即“VHDL/VerilogHDL语言程序设计”,但这要根据各学校自己课程的安排。一般来说,这门课不宜安排在低年级,所以在组成原理课程之前安排这门课并不合适,对计算机专业来说,这门课它不是主干课程,宜作为二年级或三年级的选修课为合适。
      (2)组成原理认识学习的基础性和直观感知性
          组成原理实验教学需要有实际电路构造的直观性,既然是学习计算机内部的构成,若对底层部件电路没有直观的认识,则不会有良好的学习效果,实验也就是没有达到教学的目的。FPGA就一个芯片,用硬件逻辑语言把电路进行描述并写进芯片,学生无法对计算机组成电路产生直观性的认识,所以它不适合做基础认识性实验。
      (3)计算机构成的性质
          计算机是由硬件电路和软件程序两方面紧密构成的,缺一不可,学生设计的硬件电路是否正确是需要程序的正确运行来进行调试的,但学生设计的程序是否正确,其调试又是靠硬件电路的完全正确来保障的。而FPGA的电路调试是非常困难的,如果人为的预先加入调试电路,给定调试程序,则势必限制学生的设计,实际就成了验证性的实验,就违反了希望使用FPGA进行自主设计的本意,反倒变成没有意义的实验结果。
      (4)设计CPU和计算机系统的复杂性和困难性
          学习组成原理课的学生还在低年级阶段,对FPGA不具有工具、语言和调试的经验,不具有计算机系统的完整知识和设计技能,比如说流水技术怎样设计实现?竞争问题怎样解决?具有很多的实际复杂性问题,设计真正的CPU和计算机系统是很大难度的,对大部分学生来说,只适合做简单模型计算机的设计和调试,应该把侧重点放在教学内容的完整实现上,实验教学不是仅仅靠使用FPGA就能解决好的。
      (5)FPGA手段应与基础实验电路平台相结合
          应通过基础实验电路平台来学习掌握计算机组成的基本原理,在此基础上,再使用FPGA来设计、实现一些部件和CPU电路,并使用实验平台上的调试手段进行调试,这种将FPGA手段与基础实验电路平台相结合的方法,是循序渐进提升学生设计模型计算机能力的最有利的方法。
       
         三、16位和8位问题
          首先,16位并不“先进”,因为现在都是64位了,起码是32位。对于组成原理教学来说,16位比8位能有什么教学内容的变化呢?

         指令系统关心的是单字节指令及多字节指令,跟位数没关系。位数多只能实现更多数量的指令,但从概念上8位和16位是完全一致的,只是16位的指令系统能够表达的指令数量更多,能够反映的寻址方式更多而已。

         16位访问存储器的速度会提高,一个时钟一次读16位会更快。

         运算器是16位,使计算的精度更高。

          在组成原理中,机器是原理性和概念性的,16位机所能实现的速度、精度、指令的数量,寻址的数量等都不重要,因为它再多、再快,也还是一个模型机,和8位机在计算机组成原理上都是完全一样的,没有任何原理性的改变,也解决不了任何实际问题,反倒因为16位机的硬件电路和程序的复杂性,会给学生带来学习的困难。实际上,组成原理这门课的目标是建立一个计算机基本构成的概念,不在位数的多少上来为难学生,而是追求使学生学习到一个完整机器的硬软件结构。
       
         四、仿真课件问题
          课件主要反映的是课堂教学内容,是辅助课堂教学的手段,它一般只追求片段教学内容,针对各知识点,只是模拟仿真而已,并不能反映实验教学内容。实验教学可增强学生的感性认识,增强学生的动手能力,动手能力就是学生解决实际问题的设计、实现、系统调试的能力。
          实验是真实的,实际的,有实际的电路连接,有实际的数据,有实时的结果反应,可帮助学生建立实际空间概念。学生通过调试,可以发现和解决实际问题。用于实验的实时调试通路图是实时性的,具有实时调试运行的功能,完全能反映出实际情况。而课件只是理想化的,是预先做好的,模拟出来的,不会出现任何问题的,肯定是不会出错的。仿真课件不能与实时调试通路图相混淆。
       
         五、汇编语言还是机器指令
          某些组成原理设备提供有简单的汇编语言工具,可以汇编语言变成机器指令再下载,这种汇编语言与任何实际计算机系统都没有关系,是没有任何意义的。在组成原理中总共就那么几条指令,用二进制编码来编程和阅读是没有任何困难的,二进制编码反映了实际机器的情况,学起来一目了然。

      六、硬件电路接线问题

      如果是硬件电路不接线,就是把一个模型计算机做好了,学生就没有了设计空间,只能做验证性实验。如果总线都已经接好的,也就不能再改变总线结构,如果连控制线都不接了,微指令都定义好了,只能在其定义好的功能和格式下少量编点微代码,那就完全没有任何设计空间了,只是验证性实验而已,实验教学效果就差了。

          如果说硬件电路做好,不接线,特别是数据线直接连好,则实验电路容易发生故障,而且出了故障也无法定位找到,使设备不耐用,又不易维护。
          如果不做电路连线,学生很难产生硬件电路和硬件部件的组成概念,硬件电路连线体现了开放式的教学方式,使学生能够自主设计模型计算机电路和程序、微程序,能获得极好的实验教学效果。
       
         七、181运算器问题

      181是已经淘汰、不生产的芯片,市面上有的都是拆机件,它是小规模器件,设计年代较早,半导体工艺差,功耗大,易损坏。而且181的逻辑混乱,很多功能设计不合理,集成落后,没有实际教学意义。使用CPLD的方案为好,设计更灵活,具有桶形移位功能,一片CPLD把寄存器、累加器、运算器合成为一体,符合现代计算机的结构,具有更为先进的部件电路。CPLD能完全实现181的功能,结构更为合理、完整,集成度高。

       

      八、总结

      1、组成原理实验教学不追求设备的复杂性,而追求计算机模型的完整性和概念性,内容的完整性是最重要的。

      2、要有实时调试通路图,不能只是用来观看的运行图,而是要让学生能参与调试的互动的实时调试界面。

      3、要强调开放性。这门课有课程设计,最终是要让学生设计、实现、调试一个模型计算机,所以要强调设计的空间,要有丰富的软、硬件设计空间。软件上要学生自己设计所有程序和微程序,在硬件上,电路结构要开放,使各信号线要能够由学生自己操作,可以由学生自己在计算机各组成部件基础上实现模型机,使学生能够真正掌握课程内容。

       

       

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