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基于Logisim平台的《计算机组成原理》实验教学探究

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邵雄凯杨习伟

摘要：在分析现有《计算机组成原理》实验教学现状的基础上，针对软件类专业学生硬件基础知识薄弱、一般地方高校硬件设备不足等实际情况，提出基于Logisim平台的《计算机组成原理》实验教学方法。采用该方法能够降低学生实验难度、消除软件类专业学生对硬件实验的畏惧心理，提高实验效率，让学生更好掌握CPU设计方法和过程。具体阐述了采用Logisim平台开展实验教学的优点、实验教学内容设计、教学和管理方式等，可为其它高校开展《计算机组成原理》实验教学提供参考。

关键词：计算机专业;实验教学;Logisim平台

DOI：10.11907/rjdk.191110

：G434：A：1672-7800（2019）012-0208-03

0引言

实验教学在计算机类专业教学中一直占有重要地位，其作用不可替代。《计算机组成原理》是计算机专业的一门核心课程，在整个培养体系中起着承上启下的作用。王志英教授等提出计算机类专业学生重在计算机系统能力培养，要建立计算机系统的整机概念和系统观，通过《计算机组成原理》课程实验教学，让学生从计算机最底层建立整机概念;袁春风教授等从2008年开始采用EDA技术在FPGA上完成《计算机组成原理》课程CPU设计实验，采用先部件级实验，如存储器实验、寄存器组实验和ALU实验等，再到简单的CPU设计、复杂的流水线CPU设计，最后完成20～50条MIPS指令的五段流水线CPU设计，且带有异常处理和中断功能;高小鹏教授提出《计算机组成原理》实验教学要以数字逻辑课程实验所开发的功能部件为基础，以MIPSCPU设计为主线展开，并提出了CPU工程化综合方法;刘卫东教授等采用支持50余条MIPS指令的计算机系统作为硬件开发平台，并完成了指令系统模拟器、编译器等一系列软件系统开发，支撑硬件实验教学平台运行。以上方法虽好，但需要学生有良好的硬件知识基础，对于地方普通高校而言，开展实验难度较大。《计算机组成原理》课程实验可以选用软件模拟或者仿真系统加以实现。

1实验教学现状

《计算机组成原理》是一门偏硬件的课程，课程知识点多且面广、概念抽象、繁杂难懂，学生学习该课程的积极性普遍不高。学生觉得“难学”，教师认为“难教”。

当前，《计算机组成原理》实验平台基本上采用硬件平台，主要有两种方式。第一种是采用固定传统试验箱，试验箱带有必需的实验电路模块，通过导线连接、拨动开关和编写微程序达到实验要求，这种实验形式难以让学生直观地看到电路原理图和部件的硬件结构，因而无法让学生真正深入理解计算机各部件工作原理、控制信号如何产生和数据如何流动，难以建立计算机系统的整机概念;第二种是利用EDA技术在FPGA上完成实验，所有实验电路都可以自己设计，用某种硬件描述语言描述电路，仿真实验结果下载到FPGA实验版，再验证结果。这也是当前通用的实验方法。

无论哪一种方式，对学生硬件知识要求都较高。学生由于硬件知识基础薄弱，动手能力不强，因此对于这门课程的实验普遍抱有畏难情绪。学生要么搭同组“便车”、要么照抄、要么干脆逃避，难以达到理想实验效果。

要顺利完成实验任务，学生除熟悉数字逻辑和《计算机组成原理》相关知识外，还需掌握一种硬件描述语言（如Verilog或VHDL）和一种EDA仿真平台（如Vivado或QuartusⅡ）。实验过程繁琐，学生需选择电路模式、设置芯片参数、锁定引脚、连接USB、下载配置文件等，这一系列过程既繁琐且容易出错，最大问题是与实验目标任务关系不密切，浪费很多时间，降低了实验效果。

计算机类偏硬件专业的学生一定要克服这些困难，熟练掌握相关知识和技能。但偏软件类专业，比如软件工程、信息安全、大数据、数字媒体等，要求学生短时间内较好掌握硬件描述语言、熟悉软硬件开发平台以及繁琐的实验过程实属不易，学生畏难情绪严重。同时对师资水平要求也较高，并且抽象的硬件描述语言难以使学生建立设计与电路的具体对应关系。因此，如果过分强调硬件上的实现，可能难以达到《计算机组成原理》课程实验和掌握CPU设计方法的初衷。

2实验平台选择与使用

2.1Logisim平台选择

对于偏软件类专业，《计算机组成原理》课程及实验的目标是让学生掌握计算机各大部件工作原理，熟悉CPU设计方法，建立计算机系统整机概念，从而熟悉程序在计算机中执行的过程，并能够编写出高效率的程序，正确分析和解决程序执行过程中出现的各种问题。因此，应将实验重点集中在对各部件原理的深入理解和CPU设计方法的掌握上，尽量减少繁琐的硬件实验过程，这样更有利于提升实验效果。

湖北工业大学偏软件类专业实验平台采用Logisim仿真软件，它是基于Java开发的应用程序，可支持任何Java环境的平台，由于是免费开源软件，因此也不需要商