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1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）
| 课题的意义、国内外研究进展、应用前景等（列出主要参考文献） 1、课题的意义 时代的发展对当代计算机专业的大学生提出了新的要求，计算机专业学生除了具备基本的编写程序能力，更应注重系统能力的培育。但是教学中往往缺少综合性的实践环节。本项目立足于虚拟实验室，以教学为目的一个软件平台进行相关的实验。对于传统的实验教学而言，需要大量的实验仪器和材料，且难以建模。信息时代，计算机虚拟化仿真技术蓬勃发展。出现virtual-box、QEMU等仿真软件。将仿真软件应用到计算机教学中可以解决这些难题，在科学研究和生产实践中也得到了广泛推广，节约了科研成本和风险。开展本课题有利于利用虚拟化技术展开实验。而MIPS[2]指令集简洁优美，适合学生学习，本课题以MIPS[2]指令集为基础展开虚拟实验系统。 2、国内外研究进展 国内现有的教学实验手段主要有：（1）围绕硬件实验箱展开的实验。（2）基于FPGA的处理器设计实验。其中,围绕硬件实验箱的系统具有可操作性，可以按照实验箱设计者构建的实验分课时展开，利于教学。但在实际开展过程中会有很多局限，如实验箱电路不通导致无法得到预期结果；实验箱所支持实验有限，功能单一[3]；学生需要在实验室展开实验，时间地点受限。 基于FPGA的处理器设计实验立足设计，能够让学生深刻理解掌握处理器设计实现的整个流程，将知识转化为能力[4]，达到培养系统能力的要求。但它对实验者数字逻辑电路知识要求较高，学习成本较大，且FPGA开发板造价高昂，学校往往没有配套的基础设施[5]，这使得基于FPGA的处理器设计实验在现实中不容易展开。 国外开源软件有MIPS Assembler and Runtime Simulator (MARS)[6],该系统由Java写成，可以当做是MIPS汇编的集成开发环境，支持指令的单步调试和浮点运算。著名的QEMU模拟器也可以仿真MIPS指令集。 3、应用前景 可以用在教学之中，相对于国内外大而全的MIPS模拟器，本项目小巧简洁，可以被学生迅速理解。有助于学生自主参与到本系统的扩展中从而加深对理论知识的理解，达到教学目的。 4、参考文献 [1] D. A. Patterson and J.L. Hennessy, Computer Organization and Design- The Hardware/SoftwareInterface, 3rd ed. Morgan Kaufmann, 2005 [2] See MIPS Run (TheMorgan Kaufmann Series in Computer Architecture and Design) 2nd Edition,2005 [3] 袁春风, 张泽生, 蔡晓燕.计算机组成原理课程实践教学探索[J]. 计算机教育, 2011(17): 110-114. [4] 袁春风,陶先平,汪亮,顾荣,李俊.面向计算机系统能力培养的课程实验体系构建[J].实验技术与管理,2018,35(06):12-16. [5]袁春风,黄宜华,武港山,俞建新,吴海军.“计算机组成与体系结构”课程群建设实践[J].计算机教育,2010(13):80-83. |
2. 研究的基本内容和问题
研究的目标、内容和拟解决的关键问题
1. 项目的研究目标：
本项目拟建立一个计算机虚拟实验系统，旨在为《计算机组成原理与体系结构》课程教学提供一个不受具体物理位置和时间限制、具有高度灵活性、可扩展性、可维护和低成本等特点的辅助教学实验手段。本项目研究目的在于让学习《计算机组成原理》变得更加有趣和易懂。
2. 项目的研究内容：
本项目分为核心层、接口层和应用层。
1）核心层是mips指令集的模拟实现。系统在此层包括五个模块：
3. 研究的方法与方案
研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
1、研究方法
1）通过研读《计算机组成与设计》这本书，结合网上资料。分析mips指令系统，考虑并选择要实现其中的指令子集。
4. 研究创新点
特色或创新之处
1）既能辅助日常教学，用于加深对理论知识的理解，让课本中的原理更加直观。
5. 研究计划与进展
| 研究计划及预期进展 2019.01-2019.02：阅读相关书籍资料，打好知识储备。 2019.02.01-2019.02.15：着手编写原型系统，与理论知识相结合。 2019.02.16-2019.02.28：完成产品的迭代。重点实现系统的核心层，即MIPS指令集编写基于MIPS的计算机组成原理虚拟实验系统的各部分代码。 2019.03-2019.04：虚拟实验系统的可视化界面，最终可以在宿主机中看到系统的运行。实现可优化和改进的模块化组成，系统中部件可以被替换与完善。 2019.04-2019.05：完成实验配套的完善报告和使用说明，撰写毕业论文与研究报告。
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