引言

“計算機(jī)組成原理”是計算機(jī)科學(xué)與工程技術(shù)類專業(yè)的一門核心課程，是學(xué)習(xí)計算機(jī)硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵課程。本課程以計算機(jī)組成結(jié)構(gòu)為中心闡述基本概念和原理，具體介紹了計算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)。提高該課程的實驗教學(xué)水平，對于學(xué)生加深對課程的理解，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力和創(chuàng)新能力具有重要的意義。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法也在不斷地進(jìn)步，傳統(tǒng)的手工設(shè)計過程已經(jīng)被先進(jìn)的EDA工具所替代。計算機(jī)作為一個典型的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)，其設(shè)計方法發(fā)生了根本性的變革，因此應(yīng)用EDA技術(shù)是計算機(jī)組成原理課程實驗改革的方向。

目前高校開展本課程實驗教學(xué)的方法有2種：一種方法是利用現(xiàn)有的計算機(jī)組成原理實驗儀，該實驗儀已將CPU的各個組成部件全部做好，學(xué)生只需按書中要求撥動相應(yīng)開關(guān)就能完成實驗，這種方法的缺點是不利于學(xué)生的理解，局限性較大，器件的品種、數(shù)量擴(kuò)展困難，學(xué)生的設(shè)計難以突破實驗箱的限制;另一種方法是應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行實驗，利用軟件生產(chǎn)商提供的ispDesign-EXPERT等軟件工具進(jìn)行模擬仿真，并通過可編程器件及相應(yīng)硬件資源來直觀地觀察實驗結(jié)果，加深對理論的理解。實踐證明：基于EDA技術(shù)的實驗教學(xué)，在鞏固學(xué)生計算機(jī)組成原理課程理論的學(xué)習(xí)，熟悉CPU各個功能部件的工作情況，促進(jìn)學(xué)生的感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力等方面起了積極的作用。

1、實施方案

計算機(jī)組成原理課程實踐教學(xué)包含課程實驗（18學(xué)時）和課程設(shè)計實驗（一周）2個環(huán)節(jié)，其中課程實驗主要驗證計算機(jī)各部件組成和功能，課程設(shè)計實驗主要完成計算機(jī)整機(jī)設(shè)計。課程實驗內(nèi)容包括：①運算器組成實驗;②乘法器設(shè)計實驗;③半導(dǎo)體存儲器實驗;④數(shù)據(jù)傳送實驗;⑤微程序控制器設(shè)計實驗;⑥組合邏輯控制器實驗;⑦并行接口實驗;⑧程序中斷實驗。

課程設(shè)計為一個綜合性的實驗，實驗內(nèi)容是完成模型計算機(jī)的設(shè)計和EDA實現(xiàn)。課程設(shè)計的目標(biāo)由簡單到復(fù)雜分為4個階段，學(xué)生可根據(jù)進(jìn)展情況完成不同難度的設(shè)計。第1階段完成基本模型機(jī)設(shè)計與實現(xiàn);第2階段增加移位控制指令，設(shè)計移位運算電路;第3階段設(shè)計一個具有較完整指令系統(tǒng)的模型機(jī)，該模型機(jī)的指令系統(tǒng)包括算術(shù)邏輯指令、訪存指令、轉(zhuǎn)移控制指令、v0指令和停機(jī)指令，尋址方式包括立即尋址、直接尋址、間接尋址和相對尋址;第4階段設(shè)計一個帶接口的模型機(jī)，實現(xiàn)中斷功能和訪問并口、串口功能。

2、實驗環(huán)境

本課程實驗硬件環(huán)境為：PC一386以上微機(jī)、西安唐都科教儀器公司的TDN一CM++計算機(jī)組成原理實驗臺;軟件環(huán)境為：WINDOWS操作系統(tǒng)、TDN一CM++計算機(jī)組成原理實驗軟件CMPP和ispDesigoMERT軟件。PC機(jī)用于與實驗臺聯(lián)機(jī)實時調(diào)試，利用實驗軟件提供圖形調(diào)試功能，動態(tài)實時顯示模型計算機(jī)各部件之間的數(shù)據(jù)傳輸以及各部件和總線上的所有信息。

本實驗系統(tǒng)中使用的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/lattice/" target="_blank">Lattice公司的ispIS11032芯片。isp是指芯片具有“在系統(tǒng)可編程功能”，這種功能可隨時對系統(tǒng)進(jìn)行邏輯重構(gòu)和修改。

對ispISI1032芯片的邏輯系統(tǒng)設(shè)計是通過使用硬件描述語言或原理圖輸人來實現(xiàn)的，硬件描述語言有ABEL，VHDL等多種語言。

實驗系統(tǒng)中采用ispDesigaEXPERT軟件來對可編程邏輯器件ispIS11032進(jìn)行編程設(shè)計實現(xiàn)。ispDesignEXPERT可采用原理圖或硬件描述語言或這2種方法的混合輸人共3種方式來進(jìn)行設(shè)計輸人，并能對所設(shè)計的數(shù)字電子系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真和時序仿真，其編譯器是軟件所需要的熔絲圖文件。該軟件支持所有Lattice公司的ispLsI器件。

3、利用EDA技術(shù)進(jìn)行實驗的步驟

采用ispDesiglEXPERT軟件來對可編程邏輯器件進(jìn)行編程設(shè)計實現(xiàn)所需的數(shù)字系統(tǒng)功能一般要經(jīng)過如下步驟。①建立新工程;②輸人原理圖或硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計;③對源程序進(jìn)行編譯;④連接下載電纜;⑤將生成的JED文件下載到可編程邏輯器件中;⑥連接實驗電路;⑦在實驗板上驗證所設(shè)計系統(tǒng)的邏輯功能。

4、利用EDA技術(shù)進(jìn)行陣列乘法器設(shè)計的實例

實驗要求用ispIS11032芯片來實現(xiàn)一個4x4位乘法器。4x4位乘法器設(shè)計原理見圖1。

根據(jù)上述乘法的邏輯原理用ABEL語言編寫功能描述程序。其在ispISI1032芯片中對應(yīng)的管腳安排如圖2所示，驗證實驗連線圖如圖3所示。

5、結(jié)束語

與以往傳統(tǒng)的實驗方法相比，學(xué)生在實驗過程中可以把重點放在模型計算機(jī)的設(shè)計和仿真驗，使本課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)更好地達(dá)到教學(xué)目的。軟件設(shè)計調(diào)試階段完成后的硬件下載和測試，又使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)硬件環(huán)境下的調(diào)試方法。實踐表明，新的實驗?zāi)Ｊ郊ぐl(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深了對本課程的掌握程度，同時還能夠?qū)W到先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，學(xué)生普遍歡迎這種改革。新的實驗?zāi)Ｊ接行У劐憻捔藢W(xué)生的設(shè)計能力和實踐能力，為學(xué)生提供了充分的創(chuàng)造空間，收到了傳統(tǒng)實驗方法難以獲得的效果。
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