费 翔 高天迎 张运杰

（天津城建大学 计算机与信息工程学院，天津 300384）

计算机组成原理（后面简称“组成”）是计算机方向一门重要的专业基础课[3]，内容偏向原理，为了深化学生的理解，必须在实践环节配合具体、形象的教学内容。但是由于计算机结构的高度复杂性，很难选取合适的具体元件来进行实践教学，而FPGA 技术既可以进行波形仿真以便学生分析实验原理，又能够实现开发板验证，直观的展示现象，极大地满足了教学需求。我校计算机专业在第三学期会进行分方向培养，其中的嵌入式方向与物联网方向以ARM 处理器为学习对象。“组成”课程实验包括冯诺依曼结构定义的计算机五部分，并逐步构建出RISC型模型机以衔接后续方向课。而且，前期的数字逻辑设计课程（后面简称“数电”）也根据计算机专业的特点[4]，在课程内容上做出了革新，进而形成“数电——组成——ARM”相互连接的知识链。

1 模型总体结构

模型机以RISC，4 位数据/地址宽度，哈佛存储结构，定长度（12bits）、定周期（8 节拍）指令为总体思路。按实验内容的渐进顺序，总体框图如图1 所示。

图1 总体结构框图

2 实验设计

2.1 实验环境

“组成”实验采用Altera 的EP4CE6 芯片，其具有10320 个逻辑单元。因此该型号芯片可以适应各类数字信号系统的设计，同时拥有较灵活的时序设计资源[5]。实验开发环境采用官方的Quartus II 13.0。

2.2 实验设计思路

课程实验总体思路，包括以下几点：

2.2.1 实验项目串接知识链

这里的知识链，既包含课程内容的渐进顺序，也包括不同课程之间的衔接[6-8]。……