面向系统能力培养的计算机硬件课程实验教学改革

深 入 理 解组 合 逻 辑 电路 和 时序 逻 辑 电路 ，掌握 常见
掌一 的机器指令集 框架下 ，实现不 同的 微程序 、硬 布线架构
微机接 口
将 自定义的 ＣＰＵ 集成不 同的外设 接 口，组成特定 的
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计 算 机 教 育
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ
实验时 ，学生参照实验指导书上的说明 ，通过插 门槛 ，提高学生对计算 机硬件课程 的学 习兴趣 ；
拔连线 、拨动开关 、编写微程序等方式与实验箱 有利 于增 强 学 生 的 自主创 新 意识 ，提 升学 生 的计
交互 。该 实 验模 式 存 在 以下 问题 ：实 验 箱结 构普 算机硬件系统分析能力和设计能力。
ＣＰＵ 电路 ，严重 降低 了学 习兴 趣 ，影 响实 验教 学 图 １所 示 。各 阶段 的实验 从简 到 难依 次 递进 ，有
效 果 】。
效 衔 接 ，让 学 生 逐 步 建 立 起 完 整 的 计 算 机 系统
近年 来 ，国 内高 校一 直 致力 于 探索 基 于可 编 分 析 和设 计 观 。
计算 机系统 类核心课 程包括计 算机组 成原 理 、操作 系统和编译原理这 ３门课程，其中计算 机组 成 原 理 是 唯一 的 “硬件 ”核 心 课 程 ，重 点 论 述 计 算机 的逻 辑结 构 组成 ，其 前 导课 程 数 字逻 辑
偏 重于讲解逻辑结构部 件的电子 （器件 ）实现 ， 后续课程计算机体系结构侧重于讲解 由逻辑结构 部件组成 的 ＣＰＵ整体架构 ，再后续的课 程微机 接 口则着 眼于 ＣＰＵ与各种外设接 口组成不 同的 微 型计 算 机 系统 。上 述课 程 前后 衔 接 ，共 同构 成 计算机专业的硬件课程群 ［３－５］０计算机硬件课程 把具体 的硬件电路和抽象 的逻辑结构有机结合 ， 是编译原理 、操作系统等其他核心课程 的基础 ， 有利于锻炼学生的动手实践能力 ，培养学生计算 机系统设计 的全局观念 】。清华大学 、北京航空 航 天大学、南京大学等 国内高校以各种形式从不 同程度对计算机硬件课程的实验教学改革进行 了 卓有成效的实践与探索 ［７－９］。
１ 计算机硬件课程实验教学 的现状与问题
传统 的计算 机硬件课 程实验一 般在计算 机 模型实验箱上进行 ，实验箱上的 ＡＬｕ、控制器 、 ＲＡＭ 、ＲＯＭ 等 各 个 计 算机 部 件 已经 固定 ，操作
基金项 目：２０１６年度广东省本科 高校高等教育教学改革项 目 “基于虚拟仿真的计算机组成原理课程教 学研 究”（粤 教 高函 【２０１６１２３６号 ）；２０１６年度华南理工大学优质实验课程项 目 “计算机组成与体 系结构”；２０１６年度华南理工 大学探 索性 实验项 目 （第四批 ）“基于 ｐｒｏｔｅｕｓ软件的计算机组成原理虚拟 实验教 学”。 第一作 者简 介 ：赖 晓铮 ，男，副教授 ，研 究 方向为嵌 入 式 系统及物 联 网技 术 ，ｌａｉｘｚ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
系统 的详 细 实验 内容 ， 同时提 出一 种 “软硬 一 体化 ”的创 新 实验 箱设 计 ，令 虚 拟仿 真软 件 中的 ＣＰＵ 模
型通 过 总线 实 时与 实验 箱硬 件 上 的真 实外 设 交互 。
，
关键词：计算机硬件课程 ；系统能力培养 ；ＣＰＵ设计 ；虚拟仿真 ；ｐｒｏｔｅｕｓ
０ 引 言
随着计算机科学技术的飞速发展 ，计算机系 统应用 日益深化和多元化，对计算机专业人才培 养提出了巨大 的挑战。如何适应计算机技术发展 的新趋势 ，培养具备系统能力 的计算机专业人才 ， 已成为国内外教育领域关注的焦点。国外 ＣＳ２０１３ （Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｕｒｒ ｉｃｕｌａ ２０１３，ＡＣＭ＆ＩＥＥＥ）提 出，计算机科学本科毕业生应具备 系统层次 的视 野 ，强调学生需从多层次 的细节抽象思考 问题 ， 对 计算 机 的理解 要从 计 算 机系 统结 构 和构 建 分析 过程出发 ｔｌ】。我 国高校计算机科学与技术专业教 指 委从 能 力 培 养 的角 度 ，强 调 要 重 视 计 算 机 系 统类 核心课程教学 及对学生计 算机 系统能力 的 培 养 。
（华 南理 工大学 计算机科 学与工程 学院，广东 广 州 ５１０６４１）
摘 要 ：针对计算机硬件课程 实验教 学中存在的问题 ，提 出面向计算机 系统能力培养，通过虚拟仿真
技 术将计算机硬件课程群 （数字逻辑、计算机组成原理、计算机体 系结构、微机接 １：２）实验贯通起来
的教 学改革方案，阐述在 ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真软件 中验证计算机组成部件、设计 ＣＰＵ、组装微 型计算机
第 ２期 ２０１８年 ２月 １０ 日
计 算 机 教 育
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ
◆实验 与实训
文章 编号 ：１６７２．５９１３（２０１８）０２—０１６１．０５
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中 图分类 号 ：Ｇ６４２
面 向系统 能力培 养 的计算机硬件课 程 实验教 学 改革
赖晓铮 ，毕 盛，李矗圣，黄永槊
程 逻辑 器 件 ＦＰＧＡ 的硬件 实 验 改革 ，让 学 生在 实
验 中 直 接 利 用 硬 件
描 述语 言 ＨＤＬ实现 计算 机功 能组件 的 描 述 和 连 接 ［１０－１２］。 这 种 新 兴 的 实 验 模
数字逻辑 ——■ 计算机组成原理 ——■ 计算机体 系结构 ——
遍 老化 ，缺少 流水 线 、堆 栈等 计 算机 体 系结 构 的
以 虚 拟 仿 真 技 术 为 手 段 ，可 以构 建 数 字 逻
最新发展成果 ；学生每次实验都需要大量繁琐的 辑 、计 算机组 成原理 、计算机 体系结 构和微机
连线 操 作 ，而 且 只能 做验 证实 验 ，不 能 自主设计 接 口技术 的贯通 式硬件课程 实验教学体 系 ，如