高职计算机原理实验课程的开发设计

高职计算机原理实验课程的开发设计

　1.概述
　　本课程是计算机学科的一门专业基础实验课,它的目的是使学生了解计算机系统的硬件和软件构成方法,掌握其硬件系统中运算器、论文联盟http://控制器、存储器、输入设备和输出设备的实现方法。培养学生分析和设计计算机各部件的能力,特别是动手能力,使学生做到理论与实践相结合、硬件与软件相结合,逐步达到能运用理论知识设计一些性能良好的指令系统,提高自行设计、调试、分析问题和解决问题的能力。
　　本课程要做6个以上的实验,范围涉及计算机的5大部件,既有验证实验,又有综合实验。记录实验结果,编写实验报告。每学期实验课程结束后进行实验课程的考试或考核。
　　实验课程是《计算机组成原理》课程教学内容的一个十分重要的环节。通过教学实践,首先,学生可以在实际操作中深入到计算机的内部,查看、测试各主要信号与部件的工作状态,亲手修改已实现的设计,增加自己的新设计,达到“亲口尝梨”的效果;其次,学生可以把理论知识与社会生产实践相结合,在实际工作中得到锻炼和提高,使学有所用。这样,一方面,可以进一步深化学生对理论知识的理解和掌握;另一方面,可以培养学生的实际动手能力,提高学生的学习兴趣,增强学生的创新意识。在这几年的教学实践中,我们发现了几点不足。但是部分学生理解能力有差异,在课堂上往往掌握的不太好,到了实验室面对实验箱经常不知所措,影响实验效果。如果有一个好的仿真软件,教师在课堂上可以通过多媒体教学设备先模拟一下,让学生看到实验效果,那么实验的效果会好一些。
　　本计算机组成原理示教板就很好的解决了这个问题。结合实际情况,在教学内容、教学方法和实验室的管理等方面提出了若干改进办法。经过教学实践的检验,表明这些改进措施可以激发学生的学习兴趣,促进学生对理论知识的掌握与理解,提高学生的动手能力。
　　2.设计思路
　　本系统以at89s52为控制核心;外扩11个8255芯片,接了256个led发光二极管来模拟cpu中的主要寄存器;一个能显示8个16*16点阵汉字的显示屏,一片256k的flash芯片,用来储存一个标准的汉字库(hzk16);一片32k的随机储存器ram;1*8键盘,用来选择哪种指令周期的执行以及执行该指令的方式是单步还是自动。
　　系统面板有256个led灯组成了一个完整cpu的主要组成部件,各个寄存器由16个led灯组成,也就是16位寄存器,led灯亮表示该位为二进制数“1”,led灯灭表示该位为二进制数“0”;粗大的红色箭头标明了数据、地址、控制信号的流向;上面是一个能同时显示8个汉字空间的16*16点阵显示屏,用来显示指令执行过程中的重要信息。
　　cpu要执行完一条指令,必须要经过取指、译码、执行这三大步,合起来成为一个指令周期;每完成其中一步,都有cpu内部的很多寄存器参与执行,所以我们只要了解了每一步的详细执行情况,就能了解到cpu的各部分组成情况及其功能,具体指令周期的执行情况。
　　我们利用教材里涉及的一个简单程序,四种指令周期,设计这套计算机组成原理示教板。
　　指令地址
　　(八进制) 指令内容
　　(八进制) 助记符
　　020 250 000 cla
　　021 030 030 add 30
　　022 021 031 sta i 31
　　023 140 021 jmp21
　　024 000 000 hlt
　　…… ……
　　030 000 006
　　031 000 040
　　…… ……
　　040 xxx xxx
　　
　　第一条指令cla的功能是将累加器清零,属非访内周期;第二条指令add的功能是实现加法,是一条直接访内指令;第三条指令sta实现存数操作,属间接访内指令;第四条指令jmp的功能是程序转移,是程序控制指令。
　　在这套示教板中,我们利用搭建的硬件电路和编写的程序,实现了上述四个指令周期的具体执行情况,并配有文字说明。下面以第一条指令为例,介绍示教板的工作情况:
　　我们把非访内指令周期cla的执行情况分成若干小步,在条屏汉字显示的提示下一步一步运行,进而改写涉及的寄存器的数据,具体步骤:
　　1、汉字提示:非访内指令的执行;把储存器个单元赋初值
　　2、汉字提示:取指,译码开始
　　3、汉字提示:pc赋初值20;把pc寄存器对应的led赋20(八进制地址)
　　4、汉字提示:pc值送ar;把ar寄存器对应的led赋20(八进制地址)
　　5、汉字提示:pc值+1#';把pc寄存器对应的led赋21(八进制地址)
　　6、汉字提示:ar送dr;把dr寄存器对应的led赋20(八进制地址)
　　7、汉字提示:dr送ir;把ir寄存器对应的led赋20(八进制地址)
　　8、汉字提示:id对ir译码;9、汉字提示:这是cla指令;
　　10、汉字提示:取指,译码结束;11、汉字提示:执行指令阶段;
　　12、汉字提示:控制信号送alu;把alu寄存器对应的led点亮
　　13、汉字提示:alu将ac清零;把ac寄存器对应的led赋00
　　14、汉字提示:cla指令结束;15、汉字提示:非访内指令结束;
　　通过这15步汉字提示和具体寄存器的操作,我们可以很轻松的理解这条非访内指令的执行详情,详细了解cpu的各部分组成及其功能。其他的指令执行情况跟第一条相似。
　　3.硬件设计
　　通过上面系统框图,整个系统是以at89s52为核心,扩展了大量外围器件,还有一个条形显示屏。硬件方面主要有以下单元电路:
　　系统译码和存储器电路:主要有74ls373和74ls138、at29c020、62256构成:
　　具体分配:at29c020的地址:0000h-7fffh,共分了8页
　　 62256的地址:8000h-fbffh
　　 8255的地址:fc00h-fc5fh
　　另外还有8255扩展板电路,led接口板电路,键盘电路,单片机最小系统板等。
　　4.软件设计
　　完成了四个指令周期的分步演示,每个指令周期都有单步和全速两种运行方式;还有一个完整程序的运行!
　　5.结束语
　　随着计算机技术和电子技术的飞速发展,计算机内部结构日趋复杂和庞大而且高度集成化,这使学生普遍感到《计算机原理》这门课难学、难懂、概念抽象、感性认识差,教师在教学中使用传统的教学方法和教学手段很难实现教学目标。有了汉字显示cpu的执行情况,经过教学实践的检验,表明这些改进措施可以激发学生的学习兴趣,促进学生对理论知识的掌握与理解,提高学生的动手能力