王 莉

(山西大同大学计算机与网络工程学院，山西大同 037009)

计算机组成原理是计算机类各专业的必修核心课程之一，在计算机学科中起到承上启下的作用。这门课的实验环节涉及计算机内部各硬件部件的工作原理，主要包括运算器、存储器、总线、控制器、模型机及微程序设计等实验内容[1-2]。通过实验可以加深学生对课程理论内容的理解，也可以培养学生的动手能力、设计能力及思考创新能力。

传统的计算机组成原理实验一般是采用专用的实验箱，我校采用的是天煌教仪的THTJZ-1 实验箱，从学生上课情况来看，实验箱教学存在许多不足：

（1）硬件固定，设计受限。由于传统实验箱系统的硬件结构是固定的，学生只能通过按按钮的方式进行验证性实验，不能进行设计性实验，而且所有的实验都突破不了实验箱硬件的限制，因此，实验环节不能很好的帮助学生理解理论知识，更不能培养学生的创新设计能力；

（2）硬件环境投资较大。在学生规模日益增长的情况下，实验箱套数明显不足，故传统实验箱教学的实验室建设需要较大的硬件投资；

（3）故障维护艰难。实验箱出现故障会导致整台实验箱报废，所以实验箱维护困难，浪费严重[3]。

此外，为满足疫情期间《计算机组成原理》线上教学开展的需求，结合计算机专业特点与电子系统设计方法，在计算机组成原理实验教学中引入了开源的“多思计算机组成原理网络虚拟实验系统”。该系统支持电路设计，采用GPL 开源许可协议，能够以B/S 和单机两种模式运行[4]。经过一学期的应用实践，采用“多思计算机组成原理网络虚拟实验系统”实现了《计算机组成原理》实验环节所涉及的所有实验，效果令人满意，充分调动了学生自己动手和动脑思考的积极性，从而提高了学生的动手能力、设计能力和思考创新能力。

1 多思网络虚拟实验系统简介

“多思计算机组成原理网络虚拟实验系统”是由湖南学院张雯雰老师设计开发的，属于开源软件，系统有两种运行模式：单机模式和B/S模式。

虚拟实验系统设计并实现了多个经典实验，同时具有高度的可扩展性，支持电路设计，可以方便开展设计性实验。例如在微程序控制器实验中，系统并没有屏蔽微程序控制器内部电路将其抽象、封装为一个组件，而是给出了微地址生成逻辑、微地址寄存器、微程序存储器和时序发生器组成的具体电路，便于实验者了解控制器的工作原理，理解微指令中顺序控制部分的作用[5]。系统主界面包括菜单栏、工具栏、工具箱和工作区四个部分，如图1 所示。每一个实验开启，要根据实验电路图，自行选择合适的元器件，并将其从工具箱拖到工作区，然后用连接线连接每个元器件对应的引脚进行设计。

图1 多思虚拟实验系统主界面

2 实验仿真具体实施方案

《计算机组成原理》这门课程的实验环节强调整机概念，即要让学生通过实验了解计算机硬件的整体工作原理，为此，对实验环节进行了必要的分解。

2.1 实验内容安排

根据不同的功能部件，设计了全加器实验、运算器实验、存储器实验、总线与微命令实验4 个传统验证性实验，以及累加器实验、程序计数器实验、微程序控制器实验、简单模型机实验、微程序设计实验5个拓展实验，最后安排了模型机课程设计。验证性实验采用虚实结合的方式开展，即在实验箱验证实验课后增加虚拟仿真设计实验来改善实验效果，拓展试验和课程设计全部在虚拟仿真系统中完成，具体实验安排如表1所示。

表1 实验内容安排

2.2 仿真案例设计

2.2.1 全加器实验案例

基于传统实验箱的教学是无法做全加器实验的，所以不能深刻理解全加器的逻辑结构和电路实现。多思虚拟仿真平台提供了常用的门电路部件，学生可以根据全加器的逻辑表达式，自行设计并完成全加器的电路仿真实现。图2 为一位全加器虚拟实验电路。

图2 所示的全机器虚拟实验电路是基于全加器的逻辑表达式Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1，Ci=AiBi+(Ai⊕Bi)Ci-1搭建的。实验使用的主要元器件有：异或门、与非门、开关SW 和指示灯Led，其中三个SW 分别是Ai，Bi，Ci-1，两个Led 分别是Si和Ci，通过手工设置三个SW 的值，观察两个Led的亮灭变化。

有了一位全加器的实验电路，引导学生进一步设计两位甚至多位串行进位并行加法器，通过这样的实验，会理解并行加法器中进位传递的工作原理。

2.2.2 简单模型机实验案例

简单模型机实验是《计算机组成成原理》实验教学中的一个难点，在传统实验箱中无法完成，实验要综合前面实验2 到实验7 的电路，将运算器模块、存储器模块和控制器模块通过总线连接在一起，组成一个简单的模型机，其虚拟实验电路如图3所示。

图3 简单模型机虚拟实验电路

在完成了简单模型机的逻辑电路设计之后，就可以完全理解运算器（74LS181）、存储器（RAM6116）、微程序控制器（EPROM2716C3）、时序产生器（Sequa Timer）、寄存器（74LS273）等主要逻辑部件之间的数据通路连接，从而进一步掌握机器指令、微程序、微指令之间的关系，了解计算机的工作过程。

3 结语

通过以上两个案例以及一学期具体实验开展情况分析，在我校《计算机组成原理》实验教学中引入“多思计算机组成原理网络虚拟实验系统”是非常有必要的。通过虚拟仿真实验平台，可以充实实验内容，丰富实验方法和手段，与传统实验箱教学相比，学生不受实验室硬件条件的限制，除了基本的验证性实验之外，还可以大胆思考、设计、仿真。通过虚拟实验可以加深学生对课程理论内容的理解，也可以培养学生的动手能力、设计能力及思考创新能力。