基于Logisim的计算机组成原理实验案例设计开题报告

全文总字数：4144字

1. 研究目的与意义（文献综述）

一、课题研究背景

实验教学在计算机类专业教学中一直占有重要地位，其作用不可替代。而《计算机组成原理》是计算机专业的一门核心课程，在整个培养体系中起着承上启下的作用。所以目前，我国高校纷纷开设了计算机硬件类实践课程，效果却不容乐观^[1]。以某高校“计算机组成原理”实验课程为例，对“计算机组成原理”实验进行微探，重点阐述单周期和多周期cpu的构成和设计。但是并没有得到很好的效果。《计算机组成原理》实验平台基本上采用硬件平台，主要有两种方式^[2]。第一种是采用固定传统试验箱，试验箱带有必需的实验电路模块，通过导线连接、拨动开关和编写微程序达到实验要求，这种实验形式难以让学生直观地看到电路原理图和部件的硬件结构，因而无法让学生真正深入理解计算机各部件工作原理、控制信号如何产生和数据如何流动，难以建立计算机系统的整机概念；第二种是利用eda技术在fpga上完成实验，所有实验电路都可以自己设计，用某种硬件描述语言描述电路，仿真实验结果下载到fpga实验板，再验证结果。这也是当前普遍的实验方式。但是无论是哪一种方式的教学都面临着两大问题^[3]，首先，需要大量的实验箱，设备成本及维修成本都很高，其次对学生的硬件知识的要求也比较高。这就容易使学生产生畏难情绪，学生有的借助与同组成员有的逃避，照抄。这就失去了实验教育的目的。为此现在都提倡做虚拟仿真实验^[4]。

吴荣海等教授分析了计算机组成原理在理论教学中存在的缺乏对知识点直观验证方法的问题,提出将logisim引入教学活动中并进行了应用实践^[5]。通过与传统教学手段相比较,logisim的引入对于学生理解所学的知识、降低课程学习的难度、激发学生学习的兴趣以及提高教师理论教学的效率等方面起到较好的效果。logisim采用图行化界面，便于学习、易于上手，电路图设计和仿真非常方便高效，完全可以脱离硬件仿真环境运行。logisim软件占用计算机资源很小，便于学生在自己电脑上安装和使用，实验灵活性强，不受实验器材以及实验空间的影响，教师对实验结果的检查和验收也十分便捷^[6]。

二、相关研究现状

2.1 实验教学现状

《计算机组成原理》是一门偏硬件的课程，课程知识点多且面广、概念抽象、繁杂难懂，学生学习该课程的积极性普遍不高。学生觉得“难学”，教师认为“难教”。而学生要顺利完成实验任务，学生除熟悉数字逻辑和《计算机组成原理》相关知识外，还需掌握一种硬件描述语言（如verilog或vhdl）和一种eda仿真平台（如vivado或quartusⅡ）。实验过程繁琐，学生需选择电路模式、设置芯片参数、锁定引脚、连接usb、下载配置文件等，这一系列过程既繁琐且容易出错^[7]，最大问题是与实验目标任务关系不密切，浪费很多时间，降低了实验效果。但是，作为计算机偏硬件的学生又必须要克服这些困难。

2. 研究的基本内容与方案

三、研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

3.1 研究内容及研究目标

本文的研究内容主要是用基于logisim设计适用于“计算机组成原理”教学中的实验。主要有数据表示实验、运算器组成实验、存储系统实验以及单周期mips实验。以这几个实验搭建一个“计算机组成原理”课程实验模型，优化课程实验教育。基于logisim平台，使学生更加清楚地了解计算机组成原理的课程实质。将一些抽象的计算机硬件过程转变为直观的电路仿真过程，加深学生印象，做到解决学生学习“计算机组成原理”课程时的畏难情绪以及实验器材容易损坏成本高的问题，使每个学生都能够切身体会到实验的本质。

3.2 拟采用的技术方案及措施

3. 研究计划与安排

四、进度安排

（1）2020/1/22—2020/2/28：阅读相关文献，确定选题，翻译英文文献，完成开题报告；

（2）2020/3/1—2020/3/15：继续阅读文献，学习并熟悉logisim平台的使用，学习计算机组成原理实验网课，完成数据表示实验的设计；

（3）2020/3/16—2020/3/23：继续学习课程，学习计算机组成原理存储系统，掌握logisim开发，完成运算器组成实验 ；

4. 参考文献（12篇以上）

五、参考文献

1. 唐彩燕.“计算机组成原理”实验课程微探[j].现代盐化工,2020,47(01):66-67.

2. 邵雄凯,杨习伟.基于logisim平台的《计算机组成原理》实验教学探究[j].软件导刊,2019,18(12):208-210 214.

3. 王志英,周兴社,袁春风,吴功宜,张钢,何炎祥,陈向群.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[j].计算机教育,2013(09):1-6.

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