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“计算机组成原理”虚拟实验的设计与实现

摘要:本文介绍了“计算机组成原理”课程的配套虚拟实验的设计思想,并以具

体实验为例,详细介绍了实现的方法。这些实验已经在实际教学中应用,并取得了

较好的教学效果。

关键词:计算机组成原理;虚拟实验;DEBUG;MATLAB;虚拟实验仪

1引言

“计算机组成原理”是计算机专业的一门专业基础课,学习该课程的目的是使

学生了解计算机的基本工作原理,为进一步的学习打下基础。该课程理论性强,比

较抽象,学生不易理解,因此,必须借助有效的实验加强教学效果。传统的“计算机

组成原理”课程一般都采用专门的物理实验仪进行实验,使用物理实验仪有以下

几个缺点。

(1)实验成本高:由于专用的实验仪属于硬件设备,建立实验室需要资金的投

入,必须按照学生的规模进行建设;

(2)维护成本高:随着学生的使用,实验仪的损耗是不可避免的,因此,在实验

仪的维护上也需要投入相应的成本;

(3)可扩充性差:硬件的实验仪成品,在可扩充性上有相当大的局限性的,如果

需要增加新的功能,一般不易实现;

(4)实验场合受到限制:由于硬件实验仪需要在实验室使用,学生进行实验的

时间和地点也就受到了限制,学生如果希望多做一些实验,可能会因为实验室的使

用问题不能如愿。

一方面现在各高校都在扩招,计算机专业的学生数也呈逐年上升趋势,这样无

疑对物理实验室的建设、管理工作都带来了一些困难;另一方面,随着现在计算机

教育的普及,许多学生在初中、高中就已经开始接触计算机,而且计算机也逐渐走

入家庭,成为普通家电的一种,因此,如果能够开发出在微机上进行的虚拟实验,不

仅可以解决以上提到的几个问题,还可以引导学生正确使用自己的微机,督促学生

的课外学习。

正是鉴于此种情况,我院设计并实现了“计算机组成原理”课程的虚拟实验,并

已经应用于实际教学,取得了良好的效果。

2“计算机组成原理”虚拟实验的总体设计

2.1虚拟实验的组成

围绕着“计算机组成原理”课程的理论教学主线,“计算机组成原理”虚拟实验

由七组实验案例组成,分别是数码系统、逻辑电路、存储系统、指令系统、CPU

的工作、输入与输出以及综合案例——CPU的设计,具体实验如图1所示,其中带

“*”的实验有一定难度,可以根据情况选作,带“☆”的实验为演示实验,可供教师在

讲解理论时作为辅助教学的手段。

2.2进行虚拟实验应用的软件

实验中用到的软件分别是DEBUG(MS-DOS系统自带)、MathWoks公司的

MATLAB软件中的Simulink工具箱以及由我院自行研制开发的“计算机组成原

理”虚拟实验仪系统。

(1)DEBUG

DEBUG.exe是DOS操作系统提供的一个调试汇编语言程序的工具程序。利

用DEBUG程序,程序员可以动态调试汇编语言程序,可以检查或修改CPU各寄存

器、标志位及内存单元的内容,也可以读写内存等。DEBUG程序采用的是命令行

形式,通过键盘输入命令,按回车键后开始执行该命令。使用该软件,配合8086系

列微机的指令系统,主要用于完成数码系统、指令系统以及输入输出系统等部分

的实验。

图1“计算机组成原理”虚拟实验总体设计图

(2)MATLAB和Simulink

MATLAB是MATrixLABoratory的缩写,是MathWorks公司的产品,早期主要

用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。由于MATLAB提供了强大的矩

阵处理和绘图功能,很多专家因此在自己擅长的领域用它编写了许多专门的

MATLAB工具包(toolbox),如控制系统工具包(controlsystemstoolbox)、系统辨识

工具包(systemidentificationtoolbox)、信号处理工具包(signalprocessingtoolbox)、

鲁棒控制工具包(robustcontroltoolbox)、最优化工具包(optimizationtoolbox),等

等。由于MATLAB功能的不断扩展,现在的MATLAB已不仅仅局限于现代控制

系统分析和综合应用,它已是一种包罗众多学科的、功能强大的“技术计算语言

(thelanguageoftechnical

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