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單片機課程設計小結范文1

【關鍵詞】高職高專院校 單片機 教學改革實踐

前言

單片機教學改革與實踐是為了更好的使學生將所學到的單片機理論知識轉化為適應社會發展潮流和就業需要的實際能力的一種教學活動。如今，就業市場就是教學活動的指揮棒。就業市場歡迎的是“既懂理論，又懂實踐，有一定的研發經驗，并開發過一定項目或產品的實用型人才”。因此，我們的教學活動就要圍繞加強學生實用能力的方向“轉”，圍繞著它“鉆”。對于專門培養高等職業技術類人才的高職高專院校來講，更需要重視實踐教學，并將它落到實處。

1 改變傳統的教學思路，培養學生學習單片機課程的興趣

傳統的教學思路是按教材編寫的順序，先后講單片機硬件基礎知識，指令系統和匯編語言程序的編制，講接口技術及應用實例。學生往往只能在課程結束前學到單片機的實際運用系統。由于學生學習目標不明確，感到學習內容枯燥乏味，所以興趣不大。為提高學生的學習興趣，在課程學習的開始，給學生展示單片機的應用的具體產品，如電子鐘、電子密碼鎖等，使他們體會到單片機技術的實用性，從而激發他們學習的興趣和求知欲。在講解單片機接口時，以單片機接口應用系統為主線，進行啟發式教學。根據知識的內在聯系，先簡單后復雜，將各知識點的學習劃分到各個應用模塊或實例中，采取提出問題、解決問題的啟發式的教學，達到事半功倍的效果。比如，可利用電子密碼鎖這一簡單實例來提出數據如何由鍵盤輸入，又如何進行顯示的問題，然后再講解鍵盤接口和LED顯示的知識。這樣在教師的引導下，學生就能有針對性地學習，主動探索知識，從而提高了學生的學習興趣，培養了學生的創新思維能力。

2 教學改革的幾點建議

2.1單片機課程教學理念的轉變

培養應用型人才的高職學院，生源質量與本科院校有一定的差距，采用傳統的方式對單片機課程進行教學，不根據課程特點與學生特點。只注重老師講，學生做，在教學實踐中是行不通的。在教學過程教師應和學生建立良好的互信關系，這樣才能使學生逐步形成學習興趣，配合教師，繼而主動學習。首先，確立以學生為中心的實踐教學理念，突出“能力為本”的思想，打破“學科為本”的模式。教師作為主體，體現教學的主導性；學生作為主體，體現學習過程中的主動性。大量的時間留給學生去自主探索，去相互協作學習，教師的作用是告訴學生學什么，怎么學，并幫助學生解決通過努力解決不了的問題。其次，確立以實踐為重點的理念。改變傳統教育理念，評價學生不再單一地看考試成績，更主要的是要看學生運用知識解決問題的能力。

2.2單片機實驗課中，引入案例教學

在單片機實驗課教學中，運用案例教學，可以大大縮短理論與實踐的差距，提高學生解決實際問題的能力。很多學生都會有這樣的感覺，在上理論課時學到很多關于單片機課程的理論和知識，在單片機實踐時不知道如何使用，從何入手。究其原因，就是沒有理論與實際相結合的問題，而運用案例進行單片機的實驗課教學，讓學生有機會接觸與實際應用相近的案例，能有效地縮短學生學習時間。比如，在教學過程中，以一個完整的項目開發為案例，做個紅綠燈控制系統，一方面其趣味性增強了，另一方面又容易被學生接受，學生可以根據所學到的東西，進行分析、反思、體驗和感悟。當與其共鳴時，就會很自然的模仿，進而做到舉一反三的效果。

2.3單片機課程教學中學科梯隊和師資的知識儲備

高職高專院校主要培養技術應用型人才，在專業理論課程的教學中遵循“適度、夠用”的原則，但教師不能因此而放松對理論知識的學習和探究，教師如果沒有較高的理論修養，在教學中就很難深入淺出，就無法領會到新工藝中的技術性要求，最終導致高級技術應用型人才培養的目標難以實現。高職高專院校由于在培養目標、學生素質等方面的特殊性，教學活動有別于中專學校，也有別于學術型和研究型的高等院校，對教師的教學能力提出挑戰。要有完備的師資隊伍，就可以對學生開展梯隊教育，起到事半功倍的效果。高職高專院校應加大對實驗教學的改革，從軟件、硬件環境、實驗內容入手，多引進些趣味性強，能與以后走上工作崗位相關的研發性實驗，并完善實驗教材、教程的編寫。

2.4單片機實驗課教學模式轉變

單片機實驗課教學作為單片機技術學習的一個重要環節，學生對其學習、掌握的好壞程度直接影響到學生的學習興趣和最終的學習效果。在傳統的教學中，對于實踐性環節的教學，通常是老師先布置實驗任務，學生課后準備，到上實驗課時，在實驗老師的指導下完成。理論教學與實踐教學的脫節，學生不能按要求做好上實驗課的課前準備工作，實驗通常是在實驗老師給出源程序，給出硬件連線圖的情況下完成的，其效果可想而知。針對這種情況，教師應該引導學生化被動學習為主動學習。

傳統實踐教學中，老師在黑板上講，學生在下面聽。針對這種情況，單片機教學可以采用CAI課件形式，圖文并茂，讓學生在按照CAI課件一步一步進行實踐操作。

3 加強實踐環節教學，培養學生工程素質和實踐能力

單片機是一門實踐性很強的課程，只有理論聯系實際，加強實驗教學和課程設計這兩個實踐環節，才可能真正地掌握單片機技術。為了提高學生的設計能力和創新能力，引入課程設計環節。課程設計可集中3-4個星期的集中時間進行。給學生提供難度適合的課題，學生可根據自己的能力和愛好選取，在教師的指導下，完成從收集資料、立項、方案論證到軟硬件設計與調試、PCB設計、結構設計、安裝調試等開發設計的全過程。通過課程設計的實戰演練，學生學會了綜合運用所學知識進行單片機應用系統開發的方法，既充分鍛煉了學生的實踐能力又培養了學生的工程素質和創新意識。

4 小結

單片機技術實踐教學是靈活多樣的，教學方法也是非常之多。本文講了幾點個人在教學中的心得與觀點，筆者認為只要不斷改進教學方法、豐富教學手段，加強實踐能力的培養，注重理論聯系實際，就能激發學生的學習興趣，取得較好的教學效果。但是如何將教學改革進行得更加深入系統，為社會培養出大批具有工程素質和創新能力的單片機應用型人才，還需要我們教師共同努力，不斷探索。

參考文獻

[1]張敏，張倩葦.案例教學在教師教育技術培訓中的應用[J].中國遠程教育，2003，(21).

[2]鄭曉梅，施蘭芳.高職院?！靶１編熧Y培訓”三題[J].繼續教育，2003，(6).

[3]張玉均.基于Proteus的單片機實踐教學研究與探討[J].太原城市職業技術學院學報，2007，（76）：117-118.

單片機課程設計小結范文2

【關鍵詞】教學手段 項目教學法 定時計數器

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）04-0063-02

一 引言

項目教學法是行為引導型教學方法中的一種，是師生通過共同實施一個完整的項目工作進行的教學活動。學生通過完成的項目，不但可以學習知識，提高工作中與其他同學協調、合作的能力，還可以充分發掘他們的創造潛能，并促使學生在動手能力和推銷自己等方面不斷提高。在單片機中，定時計數器是較復雜的一章，既涉及新知識，又要求學生熟練應用前幾章的知識，是較綜合的一章。如何設計教學方法，激發學生學習定時計數器的興趣，真正理解和掌握定時計數器，是目前擔任單片機教學的教師急需探討的問題之一。

二 定時計數器的傳統教學

在傳統教學模式中，是按照定時計數器的結構授課，偏重于理論，且理論與實踐不能及時結合，即學生在學完理論知識之后，通過實驗或課程設計達到實踐的目的，但理論學習與實踐練習之間的時間差導致學生的理論不能及時用于實踐，所學的知識沒有及時鞏固，而且由于理論和實驗分別由不同老師擔任，導致了學生在實驗過程中不能完全用所學理論知識來指導實踐。在授課方式上，以教師講授為主，學生被動地聽課，難以激發學生的學習興趣。定時計數器結構抽象、控制字復雜、枯燥無味、程序編寫困難等，使學生學習望而生畏，嚴重挫傷了學生的學習興趣和熱情，致使大部分學生覺得定時計數器課程比較難、聽不懂。

為了解決這些問題，我們在教學方法上進行了改革，打破傳統的教學模式，引入了項目教學法，目的是激發學生的學習定時計數器興趣，以達到良好的教學效果。

三 項目教學法在定時計數器中的應用

興趣是學生學習最好的老師，教師的主要任務不只是單純地傳授知識，更重要的是激發學生的學習興趣，使他們有一種強烈的求知欲和熱情，引導他們自覺地投入到學習中去。

在項目教學過程中，遵循學生的認知規律，按照由易到難、由淺入深的原則。定時計數器有四種工作方式，其中方式1較簡單，學生易理解，在項目教學中，將方式1的應用實例放在首位。

項目一：系統時鐘振蕩頻率為12MHz，用定時/計數器T0，工作在方式1，定時50ms，使P1.0輸出周期為0.1s的方波。工作方式控制寄存器TMOD：

t=（65536-x）*12/12M，因為t=50ms，所以，x=15536=3CB0H，其程序編寫如下：

MOV TMOD，#01H；選擇T0，方式1

MOV TH0，#3CH；設定初始值

MOV TL0，#0B0H

SETB TR0

CLR P1.0；P1.0輸出低電平

LOOP：JNB TF0，LOOP

CLR TF0；滿標志清零

MOV TH0，#3CH；重裝初始值

MOV TL0，#0B0H

CPL P1.0；50ms到取反

JMP LOOP

END

項目二：系統時鐘振蕩頻率為12MHz，用定時/計數器T0，工作在方式0，定時5ms，使P1.0輸出周期為0.1s的方波。

注意：定時/計數器工作在方式0，初始值轉換成13位二進制數，其高8位存放在TH0中，高5位存放在TL0中。由于方式0最大定時時間為8.192ms，所以定時10個5ms后，將P1.0取反。

初始值x=8192-5000=3192=0C78H

=0000110001111000B

在x值保持不變的情況下，取13為二進制數即x=0110001111000B，先去其高8位存入TH0，低5位存入TL0中，所以，TH0=01100011 B=63H，TL0=11000B=18H。

其程序編寫如下：

MOV TMOD，#00H；選擇T0，方式0，

MOV TH0， #63H；設定初始值

MOV TL0， #18H

SETB TR0

CLR P1.0；P1.0輸出低電平

STR：MOV R2，#10；定時10個5ms

LOOP：JNB TF0，LOOP

CLR TF0；滿標志清零

MOV TH0，#63H；重裝初始值

MOV TL0，#18H

DJNZ R2，LOOP

CPL P1.0；50ms到取反

JMP STR

END

四 小結

采用項目教學法，能夠更好地培養學生的自學能力、動手能力和應用能力。改進后的教學方法，定時計數器的內容由淺入深，理論與實踐相結合，提高了學生的學習興趣和學習主動性，能夠更好地掌握單片機知識，并且理論知識和應用能力都得到了不同程度的提高。

參考文獻

[1]盧易楓、楊永霞.職業院校單片機教學心得[J].工業控制計算機，2010（6）

單片機課程設計小結范文3

（1）設計題目、內容不規范，要求不統一。

由于每屆或每班的指導教師不同，設計題目、內容、要求、難易程度偏離太大。如有數控機床改造設計、伺服系統控制設計、交通燈控制設計等，要求、工作量也不相同。有的設計任務偏難，有的設計任務又太簡單。

（2）設計資料缺乏。

由于機電一體化是一門新興的技術和專業，這方面的知識內容都在相關的雜志刊物登載，書籍相對少一些。要進行課程設計，收集這方面的資料較困難。沒有現成的資料匯編及設計手冊，學生要花費較多的時間找資料，往往是教師幫助尋找資料。而且沒有像機械零件設計那樣的系統完整的課程設計指導書。在設計中盲目性較大。

（3）師資不足。

最早幾年機電專業方向只有一個班或兩個班，指導教師有2~4人即可。一般由主講或熟悉機電一體化控制系統課程的教師指導。近幾年隨著學生的擴招，機電專業擴展到4~5個班，指導教師需要8~10人，明顯不夠，因此有必要進行培養。

2機電一體化課程設計改進措施

（1）編寫合適的機電一體化課程設計指導書，配齊設計資料。

到目前為止未見過公開出版的機電一體化課程設計指導書，所以有必要編寫合適的機電一體化課程設計指導書，并收集較全的資料進行匯編，與指導書匯編成冊。

（2）規范設計題目，統一要求。

規范設計題目不是整個設計都用同一個題目，而是在一個范圍內選擇題目，教師根據所選的題目按統一的要求下達任務書。設計題目一般以簡易數控機床設計、數控機床改造設計、機器人及控制設計較為合適。在市場上可見的機電產品多得很，不是所有的機電產品都適合做題目，因其難易程度是不同的。機電專業的課程設置是以機床設計、機器人設計控制為典型產品的，在機電一體化課程設計中要反映課程設置的內容。機電專業方向課程有機電一體化系統設計、計算機控制技術、機械制造裝備設計、機器人導論等課程。這些課程的內容在電的方面主要介紹了以計算機為核心的控制系統；機械方面介紹了機械運動、機械傳動、機械結構及相關的標準部件，如滾動導軌、滾珠絲杠等。在選題及設計中要反映上述的內容。因此規范化的題目主要為數控車床（或銑床、鉆床等）設計、車床（或銑床、鉆床等）數控化改造設計、或是工業機器人及控制設計。這些都具有一定的機械部分內容，如數控機床進給軸傳動部件，機器人的腰身、手臂運動部件及滾珠絲杠、導軌的應用等。電的方面包含數控系統電路設計，計算機控制系統設計及對機械部分的控制；從而實現了機電結合。對規范化的題目、要求及上述設計內容都已編入指導書中。

（3）指導教師的培養。

首先被培訓的教師可以跟班聽課，熟悉掌握相關的課程內容，然后在機電一體化課程設計進行中跟班輔導，以培養出合格的指導教師。

（4）加強督察。

當指導教師接到指導課程設計任務后，首先拿到機電一體化課程設計指導書，根據要求寫出課程設計任務書；并由教研室主任或院教學指導委員會審查，合格才可向學生下達任務。指導中，教師要填寫指導日志，隨時記錄指導中的難點、及出現的問題和解決方法，并進行小結，以便下一次指導時提高設計水平。

3機電一體化課程設計指導書主要內容

3.1設計題目確定及要求

3.2總體方案確定

（1）總體方案設計；

（2）繪制總體方案圖。

3.3伺服系統機械傳動部件設計

（1）切削力計算；

（2）滾動絲杠螺母副的計算與選型；

（3）伺服系統傳動設計；

（4）步進電機當量扭矩計算及選型；

（5）機械傳動結構設計（繪制一個軸的機械裝配圖）。

3.4控制系統硬件電路設計

（1）確定控制系統方案及繪制系統框圖；

（2）單片機的選用；

（3）存儲器的選用與擴展；

（4）譯碼電路設計；

（5）接口電路設計；

（6）繪制控制系統硬件電路原理圖。

3.5基本的參考圖表匯編。

4近一屆學生機電一體化課程設計進行情況

4.1教師配備

近一屆機電專業學生，每屆有四個班進行機電一體化課程設計，共配備6名教師；其中有四名為獨立指導教師，兩名為輔導教師，為培養新的指導教師儲備力量。

4.2指導書的使用及設計過程

設計學生和指導教師每人一份機電一體化課程設計指導書。教師按照要求寫出機電一體化課程設計任務書，并經研究所長審查后發給學生。設計題目主要有CA6140普通車床數控化改造設計、C6132普通車床數控化改造設計。在同一個題目的學生中，要求設計進給軸部件時，一部分學生設計X軸進給部件，另一部分學生設計Z軸進給部件。整個過程根據設計任務書的題目、要求和機電一體化課程設計指導書給出的設計步驟、方法，先進行總體方案設計，再進行機械傳動部件設計，最后進行CNC硬件電路設計。整個過程經過了機械、電子兩方面的訓練，實現了機電結合，達到預期效果。

4.3填寫指導日志

教師在指導設計的過程中，及時填寫指導日志，記錄設計中的難點、問題，并進行小結。

5本文總結

單片機課程設計小結范文4

學校所開設的實驗課分隨課實驗和獨立實驗課，而隨課實驗的實驗教學多數是驗證或鞏固對課程內容的理解和基本技能的訓練。這些教學環節之間聯系不緊密，實驗的方式方法也與實際應用有較大的距離。如用一些實驗臺或者實驗箱所做的實驗，很多元器件被固定在現成的電路和模塊中，學生看不到器件和電路的內部結構，在實驗的過程中，學生也只需將測量儀表或者相關的元器件用導線連到實驗板所標注的符號上，就可以完成實驗電路的連接。在整個學習階段，本課程具有承上啟下的作用，在本課程的實訓中，學生必須應用專業基礎課的電路理論知識進行電路設計，在安裝調試和測試過程必須具有一定的實驗能力，本門課程是理論和實際的綜合運用。另一方面，學生由基本技能的培養轉變到綜合技能的培養，使學生具有一定的單元電路的設計能力，熟悉電路設計的流程，掌握從理論到實踐，再從實踐到理論的設計思想，為后續課程設計、畢業設計等課程的學習打下基礎，提高學生實際應用能力、培養學生的創新思維，提高學生專業技能水平，提高學生的綜合素質，提升學生社會競爭能力。

2《電子綜合技能訓練》教學模式

本課程為必修課，總課時36，周課時3，安排在大二下學期進行。這時候學生已完成《電路基礎》、《模擬電子線路》、《脈沖與數字電路》等理論課程的學習，完成《電子基本技能訓練Ⅰ》、《電子基本技能訓練Ⅱ》、《電路識圖》等實驗課程的學習，初步掌握了電子元器件和電路圖的識別，常規儀器儀表的使用，以及仿真軟件的使用，為綜合性、設計性訓練打下了一定的基礎。實驗運行模式為學生兩人一組，自主完成理論設計、元器件購買、電路的安裝調試和測試任務，本教學環節分三個階段。

2.1課堂教學階段

在這個階段，第一步，用2次課的時間對學生進行元器件識別和測試，儀器的使用進行訓練，使學生進一步掌握電路常規指標，如：通頻帶、放大倍數、輸入電阻、輸出電阻、輸出功率等的測量方法。通過這個階段的實訓，對學生的一些實踐技能再進行強化訓練，避免在實驗當中，由于基本技能不過關影響綜合技能項目的順利進行。第二步，采用集中授課的方式，以放大電路為例，介紹設計性實驗進行的步驟和要求，實驗報告的格式和要求，成績評定的方法和標準。并提供給學生自編的實驗指導書。設計性實驗，應該包括這幾方面的內容：設計題目、設計任務和要求、電路設計、安裝調試和測試、小結。其中設計任務和要求，要交代清楚電路要實現的功能和達到的具體指標；電路設計要有具體的設計方案，原理框圖，具體電路的設計中要交代清楚元器件型號參數選擇的依據，對于要編程的電路，要有程序流程圖。在調試測試階段，要記錄下實驗數據。

2.2設計準備階段

實驗內容的選擇分四個大類：線性電路、非線性電路、數字電路、綜合性電路。每個大類都必須選擇，大類里的具體電路就有學生自己確定。學生自由組合，兩人一組，按照自己確定的實驗內容，查資料，完成原理款圖、電路原理圖的設計，填寫元器件清單（名稱、型號、規格、數量等），以班級為單位由學生代表去采購元器件。實驗室提供配置有面包板的實驗箱，以及穩壓電源、信號源、示波器等儀器設備。

2.3實際操作階段

學生的設計方案給指導老師檢查無誤后，利用面包板和實驗設備完成電路的安裝、連線和調試。實驗過程嚴格考勤制度，學生進入實驗室要進行登記，每個實驗實現了功能和指標需經老師認定合格進行記錄后，下次課才能進行下個一個實驗內容。每次實驗過程，學生要注意實驗安全，遵守實驗規程，實驗完成后，學生要拆除實驗所用的元器件，將儀器設備復原，保持實驗室的整潔，回去書寫實驗報告。實驗成績的評定分五個等級：優、良、中、及格、不及格。實驗內容完成8個以上的評為優，7個為良、6個為中，完成5個及格，完成5個以下的不及格。

3教學效果和體會

通過開設《電子綜合技能訓練》課程，激發了學生的創新意識和參與實踐教學的積極性和主動性，增強了學科之間的系統性和綜合性。通過這一環節的實訓，進一步增強了學生的實驗技能，加深了學生對課程理論知識的掌握，電路設計能力得到訓練，并積累了一定的綜合實驗經驗。實驗內容層次多樣化，內容豐富，知識覆蓋面廣。實驗形式使學生處于主動地位，學生既動腦又動手，學生學習積極性高，在實驗過程中，學生具有自主性，可根據自身能力的差異選擇不同的實驗內容，量體裁衣，增加學習的信心。綜合訓練的過程，不僅是理論聯系實際的過程，也是對學生進行操作技能、實踐能力的綜合訓練，同時還培養了學生查資料、團結協作的能力，培養求實的實驗作風，培養創新意識、安全意識、工程意識，最終也是培養擔負社會責任的意識。

4結束語

單片機課程設計小結范文5

關鍵詞：SimpleScalar；CMPP；模擬器；實驗機箱；驗證；設計創新

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

1引言

“計算機系統結構”課程是計算機科學與技術專業中重要的專業課程，是一門從組織和結構角度上學習、總體把握和領會計算機系統的課程。因為其理論性較強，知識結構較為復雜，它的實驗課設置一直是一個空白。但是，作為一門針對本科高年級學生的計算機綜合設計課程，沒有相應實驗課對學生理解能力的提高和創新能力的培養，所謂的綜合設計課程也成了一句空談，為此，我們使用WinDLX、DLXView、SimpleScalar模擬器(安裝在微機上)來仿真計算機，讓學生在這個虛擬計算機上設置各種不同高端計算機系統結構技術，然后通過統計數據得到不同計算機系統結構技術對計算機性能的不同影響，最后給出統計結論。

但在實際教學過程中，我們發現，此種“PC機+模擬器”的實驗方式形式過于單一，所有的實驗都是先在模擬器中給出計算機系統結構技術參數設定，然后運行測試程序，最后根據程序運行結果給出實驗結論。對學生而言，所做的工作只是系統結構參數的給定，然后面對一堆運行出來的枯燥數據給出實驗結論。由于這些實驗全是驗證型實驗，使得學生沒有真正的實驗體會，感覺也比較抽象，一個學期下來，整個實驗課程沒有收到它應有的效果，同時也沒能激發出學生的創新性。

為了讓學生更加有硬件實驗體會，并發揮學生的創新性思維，我們在原有的“PC機+模擬器”模式下增加一個實驗機箱，變成 “實驗機箱+PC機+模擬器”模式，經過一個學期的實踐，計算機系統結構實驗課程有了突破性的進展，取得了較好的效果。

本文其他部分內容如下：第二節介紹原有的“PC機+模擬器”實驗模式的具體細節及其弊端；第三節闡明“實驗機箱+PC機+模擬器”新模式的由來；第四節說明新模式具體的實驗項目改革；最后給出本實驗課程教改的特色與創新之處，并作出結論。

2“PC機+模擬器”模式

“計算機系統結構”課程中的實驗課程在以往的教學中一直是一個空白。為響應微軟亞洲研究院的大力倡導，本課程初期引入由卡內基?梅隆大學提出的“Learning by doing”這一適用于工程教學的行之有效的先進教學理念，對“計算機系統結構”實驗課程建設進行初步嘗試。

由于這門課程的實驗是從無到有的一個過程，因此，在建設初期，我們首先采用的是一個生搬照學的方法。為此，我們找到張晨曦教授在同濟大學使用的“計算機系統結構”實驗教學資料，然后根據本校學生具體情況對實驗內容進行部分篩選，總結出“PC機+模擬器”模式，然后運用到實際教學中。

PC機是我們計算機系統結構實驗課程開展的硬件平臺，軟件平臺即我們的Windows操作系統以及安裝在其上的各種模擬器，包括WinDLX、DLXView、SimpleScalar模擬器。實驗過程中，學生在這些模擬器中設置各種不同參數而獲得不同虛擬處理器，然后通過測試程序檢測不同系統結構技術對處理器性能的影響。

WinDLX是一個基于Windows的模擬器。它能夠以圖的方式演示DLX流水線是如何工作的。學生通過改變流水線的結構和時間要求、存儲器大小和其他幾個控制模擬的參數，獲得不同流水線的性能。實驗一的流水線相關實驗，實驗二的循環展開及指令調度實驗都是使用此模擬器。

DLXview是一個圖形化、交互式的DLX流水線模擬器。該模擬器能夠實現對基本流水線、記分牌算法和Tomasulo算法的模擬。通過對內存訪問延遲、功能部件的數目、功能部件的延遲的配置，實現不同流水線的模擬。實驗三的記分牌和Tomasulo算法實驗使用的是此模擬器。

而SimpleScalar模擬器是目前學術界最為流行的體系結構模擬器，是一個單處理器架構的性能模擬器工具集。其工具集包含了非常豐富的工具,可以配置成許多不同體系結構的模擬器。同時，其源代碼公開，具有良好可移植性和可擴展性，是開發微處理器芯片前期進行系統結構驗證的重要工具。也是使用軟件手段模擬和研究CPU系統結構的主要手段。實驗四的Cache性能分析中和實驗五的虛擬Cache與偽相聯Cache使用的是此模擬器。

以上所述實驗都是使用模擬器進行計算機系統結構技術參數設定，然后運行測試程序，最后根據程序運行結果給出實驗結論，其實驗屬性全部是驗證型實驗。對于學生而言，所做的工作僅僅只是系統結構技術參數的給定，和測試程序的運行，最后從一堆運行出來的數據中得到實驗結論。

這種軟件模擬的方式適合研究生程度以上的學生進行學術研究和理論驗證，這也是這些學生對于新思想新理論進行學術論證的常用方法與手段，但是對于發展目標為應用型的本科學生而言，此種實驗形式與方法都過于枯燥與單一，整個實驗做下來，學生感覺比較抽象，收不到實際效果，更談不上激發學生創新意識，實驗做到最后便流于一種形式，一種走過場。

3新模式的引入

基于計算機系統結構實驗課程建設初期所遇到的問題，我們決定重新規劃系統結構實驗內容。

計算機系統結構實驗課程是一門綜合實驗課程，既然是綜合課程，即說它是一個軟硬件結合體。在“PC機+模擬器”模式實驗中，模擬器的引入可以很好的體現其軟的方面，而硬的方面我們則選用學生在前期課程計算機組成原理中使用的教學設備(TND-CM++唐都教學儀器實驗箱)入手，以達到事半功倍的學習效果。

計算機組成原理課程是專業必修課程，其教學與實驗方面已經形成一個完整而成熟的體系。這是一門在整個計算機科學與技術專業課程中份量很重的課程，也是一門非常重視實驗課的課程，除開課程本身的70學時中包括20學時的實驗課程，學生還有專門2周的課程設計工作需要完成。這些大量的前期學習與實驗實踐，為學生熟練掌握和使用實驗設備以及對計算機是軟硬件綜合體的理解打下堅實基礎。而計算機系統結構課程本身就是計算機組成原理的后續和提高課程，利用前期的基礎作進一步的理論提高和實驗提高成了順理成章的事情。

因此，“實驗機箱+PC機+模擬器”模式引入到計算機系統結構實驗教學中。在以前的教學中，“實驗機箱+PC機”和“模擬器+PC機器”模式是分開使用的，因此PC機分別與兩者的結合不是問題，但是當這三者(實驗機箱、PC機和模擬器三者)結合在一起時，則需要對它們進行重新分工組合，以達到理想的實驗效果，這將在文章的第4節的具體實驗項目中詳細敘述。

4“實驗機箱+PC機+模擬器”模式

4.1“實驗機箱+PC機+模擬器”模式簡介

“實驗機箱+PC機+模擬器”模式是“PC機+模擬器”和“實驗機箱+PC機”兩者的結合，但這種結合不是簡單機械的結合，而是一種有機的結合。在以前的教學中，“PC機+模擬器”方式用于計算機系統結構初期實驗課程，“實驗機箱+PC機”方式用于計算機組成原理實驗課程。但是，由于前一節“PC機+模擬器”方式所提到的弊端，即數據的枯燥性和理解的抽象性問題，我們把具有硬件動手優勢的“實驗機箱+PC機”方式中的計算機實驗機箱引入到此課程實驗中。

實驗條件準備如下：首先在PC機器中安裝Windows操作系統，然后在此操作系統中安裝WinDLX、DLXView、SimpleScalar模擬器，同時安裝CMPP模擬器(實驗設備廠家隨實驗設備匹配提供)。然后通過RS-232串口與PC微機聯機，這樣，利用PC機上具有的這些模擬器我們可以在PC 機上編程、向實驗機箱系統裝載實驗程序、然后在圖形界面下進行動態調試及運行。另外，系統具有的兩路邏輯信號測量平臺，使得可在PC機上看到信號測量波形。

我們實驗的中心思想是：以計算機硬件為基礎，通過軟件配置擴充功能，形成一個可能是相當復雜的有機組合的計算機系統。最后通過模擬器中測試數據的統計獲得此系統性能的結論數據。

其中的硬件是指我們通過實驗機箱把計算機系統中的基礎模塊通過總線(數據總線、地址總線和控制總線)連接好；而配置軟件是指通過CMPP、SimpleScalar模擬軟件來進行一些高級配置的擴充，從而形成我們需要的系統結構；最后，通過(WinDLX、DLXView、SimpleScalar)模擬器跑動測試程序以獲得此系統結構的性能參數及結論數據。

4.2模式的可行性論證

“實驗機箱+PC機+模擬器”模式的可行性論證主要討論如下問題(其中系統指實驗系統，即實驗設備)：

(1)PC機與系統的關聯：

實驗系統安裝有一個標準的DB型9針RS-232C 串口插座，使用配套的串行通訊電纜分別插在實驗系統及PC 微機的串口，即可實現系統與PC 的聯機操作。系統通訊電纜連接方式如圖1：

(2)CMPP與系統的關聯

系統配套的集成操作軟件CMPP具有專為聯機操而開發的圖形方式操作界面，其操作簡便、直觀且具有動態調試功能，可完全根據實驗系統的數據通路圖來實時、動態的顯示用戶設計的實驗數據流的流向、數據值、控制線和各單元的內容。CMPP軟件界面如圖2：

本系統軟件CMPP通過PC 機串行口向實驗系統上的單片機控制單元發送指令，由實驗系統的單片機直接對程序存儲器、微程序控制器進行讀寫，控制單拍或單步微程序、單步機器指令和程序連續運行等操作，實時監測各數據流和控制流的情況，從而實現實時動態圖形方式下的系統跟蹤調式和運行。

(3)SimpleScalar模擬器與系統的關聯

SimpleScalar工具集是一個用于構建各種模擬程序的系統軟件框架，可用于構建各種體系結構模擬器．它提供了一套參考模擬器，包括快速的功能模擬器，用于分支預測評估的模擬器，用于Cache層次評估的模擬器以及一個詳細的、動態調度的、多級存儲層次的微體系結構模擬器．SimpleScalar還包含一個機器定義框架，允許絕大部分體系結構細節和模擬器的具體實現分離．除了模擬器，SimpleScalar工具集還提供統計分析、調試、驗證和可視化支持．SimpleScalar工具集被廣泛用于計算機體系結構的研究和教學．例如在2000年，頂級體系結構會議上超過三分之一的文章是使用SimpleScalar來評價設計。

由于Simplescalar的使用廣泛性和完整性，我們把它引入我們的實驗課程中，但由于這個模擬器與我們的實驗系統是各自獨立的個體，因此當把這兩者融合在一起時就存在一個有機組合問題。Simplescalar模擬器是一個原代碼公開的軟件，具有良好的可移植性和可擴展性，因此我們希望通過代碼的更改，獲得SimpleScalar模擬器與實驗設備的有機整合。雖然這部分工作我們已經展開，但是工作做得還很不夠，這也是我們下一步要繼續進行的重點工作之一。

4.3存在的問題

(1) 實驗延續性的問題

通常，計算機組成原理課程會開在第五學期，計算機系統結構課程開在第七學期，因此，這兩門課程之間有一個學期的間隔，由于這兩門實驗課程的順延性較強，因此在計算機系統結構實驗課程的設計中，初始實驗應先重復計算機組成原理實驗課程中綜合性強，并在后續系統結構實驗課程中需要應用到的實驗內容。

(2) 課時偏少而實驗內容偏多的問題

計算機系統結構實驗課時偏少，一般是8個課時(4個學時)。但是由于其實驗內容綜合性強，復雜度大，因此很難在一個學時(2個課時)完成一個實驗。這就要求老師和學生在實驗課之前要做較多的工作，包括老師在實驗課之前詳細的講解，學生在課前完成實驗預習工作，這樣，才能充分利用一個學時的時間完成一次的實驗。

(3)SimpleScalar與實驗系統的整合問題

前面說過，我們利用SimpleScalar模擬器的開放性代碼把SimpleScalar模擬器和實驗系統整合在一起，這個工作還需要繼續完善。這個工作也是整個計算機系統結構實驗課程改革的一個重要的步驟。它是一個需要長期驗證、修改和調試以及完善的工作，不是短時間就能完成的工作。

4.4實驗項目的設計

(1)CISC(復雜指令集計算機)實驗

此實驗要求先按照實驗連接圖把計算機的主要模塊通過總線連接起來(這個操作在實驗機箱內進行)，然后為這個模型計算機設計包括16條機器指令(包括算術邏輯指令、I/O指令、訪問及轉移指令和停機指令)的指令集，編寫相應的微程序，通過PC機中CMPP模擬器裝載和調試程序，以使同學們通過這個過程掌握整機概念，并能綜合運用所學計算機原理知識，設計并實現較為完整的計算機。

此實驗是在前計算機組成原理實驗課程中掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統。同時也是對以前所學知識的溫習。

(2)RISC(精簡指令集計算機)實驗

RISC是針對CISC結構存在的問題所提出的思想。它選取使用頻率最高，以及很有用但不復雜的指令，這些指令大部分能在一個時鐘周期內完成，并且只有Load和store兩條指令訪存等思想設計的計算機，在此實驗中，我們選取使用頻度比較高的五條基本指令：MOV、ADD、STORE、LOAD、JMP。然后尋址方式采用寄存器尋址及直接尋址兩種方式來設計這個RISC計算機(依照前一實驗方法，也是由CMPP模擬器進行調試)。

然后，我們通過在SimpleScalar模擬器中設置參數來比較RISC計算機和CISC計算機，這是通過跑同一測試程序來完成的。結論是：RISC機器執行的速度和效率大大提高。如對于此實驗中設計的機器指令在RISC處理器中執行完需9個機器周期，而在復雜模型機實驗中，需34個機器周期才能完成。

這樣的實驗程序的設計，可以讓同學們深刻體會到兩種不同處理器的運行效率，同時讓同學們體會到實驗直觀性。

(3) 重疊實驗

此實驗是在RISC模型機實驗的基礎上，進一步將其構成一臺具有重疊功能的模型機。

一條指令的執行包括“取指”和“分析執行”兩個階段，而重疊技術是指把前條指令的“分析和執行”與后條指令的“取指”重疊在一起執行。

在此實驗中，計算機“執行部件”數據通路的控制由微程序控制器來完成，而“指令預取”部件的數據通路由一片CPLD 來模擬。以原基本模型機的五條機器指令為例，編寫相應的微程序，然后具體上機調試掌握重疊概念。

然后，在SimpleScalar模擬器中設置參數比較RISC計算機和重疊計算機。結論是：重疊計算機執行的速度和效率明顯提高。如前所述的同段機器指令在重疊處理器中執行完需要20個機器周期，而在RISC模型機的實驗中，需要27個機器周期。

(4) 流水實驗

流水可以看作是重疊的引申，一次重疊是一種簡單的指令流水線。在流水計算機中，一條指令的執行包括“取指令”、“指令譯碼”、“取操作數”、“執行”四個子過程(前三階段由指令分析部件完成，而第四階段由指令執行部件完成)，而每個子過程可以與其他子過程同時進行，這叫并行性中的并發性。

這種并行性大大提高了計算機的處理效率。本實驗除“指令執行部件”為板上的“ALU UNIT”和“REG UNIT”電路構成外，其余全部由CM＋＋板上的一片CPLD 芯片設計，輸入設備、輸出設備、RAM 及時序仍由板上輸入單元、輸出顯示單元、存儲器單元及時序單元電路給出。

實驗過程類似于前述實驗。

5實驗特色與創新

新設計的“實驗機箱+PC機+模擬器”實驗模式有如下功能特點。

(1) 結構清晰的單元式實驗電路，可構造出不同結構及復雜程度的原理性計算機。系統采用部件單元式結構，包括運算器及數據通路、存儲器、控制器、信號及時序控制、內總線、外總線、接口及輸入輸出設備、大規?？删幊踢壿嬈骷扔嬎銠C部件的單元電路，可使用排線連接方式(實驗機箱)或計算機電子自動邏輯設計方式(SimpleScalar等模擬器)，根據自己所設計的模型計算機結構方案，來構造出不同結構及復雜程度的原理性計算機，使學生能夠對計算機組成結構有清楚的認識和理解。

(2) 對實驗設計具有完全的開放性，增強學生綜合設計能力。系統所具有的軟硬件結構(實驗機箱和模擬器)對實驗設計具有完全的開放性，其數據線、地址線、控制線都由學生來操作連接，系統中的運算器結構、控制器結構及微程序指令的格式及定義均可根據教學需要來做靈活改變或重新設計。這對于自行設計各種結構及不同復雜程度的模型計算機提供了強大的軟硬件操作平臺，從而避免了單純驗證性的實驗模式，極大提高了學生計算機系統的綜合設計能力。

(3) 通用邏輯器件和大規?？删幊踢壿嬈骷嘟Y合，可面向不同層次的學生。系統采用通用邏輯器件和大規模可編程邏輯器件并用的方式，既能給熟練掌握復雜邏輯系統設計的學生提供高檔的實驗平臺，又能對不熟悉這些內容的學生提供易操作的實驗平臺。符合循序漸進、先基礎后提高的教學原則。

(4) 具有實時調試功能的圖形方式操作界面，也可用于多媒體輔助教學。系統具有與PC微機聯機實時調試的功能，提供了圖形方式的調試界面(CMPP模擬器)，在調試過程中可動態實時顯示模型計算機各部件之間的數據傳送以及各部件和總線上的所有信息。這種圖形調試界面也可用于多媒體輔助教學，從而獲得極佳的教學效果。

(5) 多種輸入輸出方式及邏輯信號測量功能，實驗操作及觀察更容易。系統提供多種輸入輸出方式。通過RS-232 串口與PC 微機聯機，可在PC 機上進行編程并向系統裝載實驗程序，在圖形界面下進行動態調試及運行。另外還具有兩路邏輯信號測量平臺，可在PC 機上看到信號測量波形；如單獨使用本系統，則可通過開關及LED以二進制碼形式進行編程、顯示及調試運行。

(6) 實驗電路的實時在線檢測功能，便于檢查接線錯誤。系統具有實驗電路檢測功能，通過人機交互方式可實時在線檢測各實驗單元電路的好壞以及模型機實驗線路連接是否正確。

(7) 測試功能的完備性。SimpleScalar工具集所自帶的SimpleScalar Spec2000測試程序使得學生可以及時對自己設計出來的計算機系統結構方案進行測試，然后根據測試結果對所設計計算機結構進行及時調整，以提高學生的實驗直觀性。

6小結

實踐證明，此模式把計算機系統結構實驗設計成一門軟硬件結合的綜合實驗課程，并真正實現從呆板的“驗證為主”到創新的“設計為主”的飛躍。試用一年以來獲得較好效果。

參考文獻：

[1] 張福新,章隆兵. 基于SimpleScalar的龍芯CPU模擬器Sim-Godson[J]. 計算機學報,2007,30(1).