CPU组合逻辑与指令执行虚拟仿真实验

南京中医药大学 CPU组合逻辑与指令执行虚拟仿真实验

信息化时代,南京中医药大学培养的中医药领域专业人才需要良好的信息素养(Information Literacy),帮助他们在以后的学习和工作中发挥效能倍增的作用。在人类创造的无数工具和机械中,大部分都是帮助人类从体力上解放自己并提高效率的,只有少数是帮助人们提高提升智力效用的工具,比如纸笔和计算机。

南京中医药大学 CPU组合逻辑与指令执行虚拟仿真实验

南京中医药大学

实验简介:

信息化时代,南京中医药大学培养的中医药领域专业人才需要良好的信息素养(Information Literacy),帮助他们在以后的学习和工作中发挥效能倍增的作用。在人类创造的无数工具和机械中,大部分都是帮助人类从体力上解放自己并提高效率的,只有少数是帮助人们提高提升智力效用的工具,比如纸笔和计算机。可以画在纸上的神奇数学符号,美轮美奂的书法和绘画,精确的工程图样等,人类甚至发明了五线谱将声乐记录下来。纸笔也许限制了人类记录事务的表达方式,但是从来没有限制人类的创造力。计算机也应该如此,现代计算机在表现形式和处理能力上几乎没有限制,可是我们的大学生却大都局限于简单的信息获取和办公软件的使用,即便少数能够掌握一些编程语言和编程工具的使用,也缺乏将计算机效能倍增作用应用于自身专业领域内的能力。所以,我们希望学生不仅仅能够通过本实验掌握相关知识,而且能够体验一种思维模式:将思考过程和步骤用计算机的表达方式呈现,并用计算机的执行方式实现;这种思维模式包括:分解、抽象、算法、泛化、迭代和调试。大学信息技术基础课程是大学通识课程的重要组成部分。针对学校中医学科背景着重培养学生逻辑思维能力;对信息的理解、认知和利用的能力;数据核心观和数据科学方法论。

设计原则:

实验项目总体采用双模块多层次设计,一边是CPU与RAM组合逻辑,一边是指令执行;结合基础理论知识,以项目驱动方式求解实际问题,让学生在实验过程中,不仅掌握计算机工作原理的理论知识,还可以结合算法设计培养计算思维,充分发挥学生自主性。采用自主式、互动式、迭代反馈式和问题探索式等多种教学方法,实现以学生为中心的实验教学理念。

1. 自主式学习教学方法

使用目的:学生通过自主学习,掌握理论大纲要求的二进制数、CPU结构、指令和指令周期、程序结构方面的学习内容。通过全面系统的认知环节引导学生有目的有方向的系统性学习。

实施过程:实验的认知环节依据计算机组合逻辑划分知识点,并提供层次化的学习路径。大大强化了学习的完整性和系统性。

实施效果:认知实验设计由易到难,知识水平逐层提升,符合学生自主学习的学习规律。同时,学生可以根据自己的知识水平自主选择符合自身知识层次的实验,充分发挥了学生的自主性。

2. 互动式教学方法:

使用目的:理解指令和逻辑单元之间的关联关系。理解执行效率和组合逻辑,指令集的关系。理解各个逻辑单元之间的关系。利用内部SocctCPU模型,让学生在设计过程中对不同参数进行调整,考察对各个逻辑单元组合逻辑以及指令执行效率的影响。充分体现过程分析的效果。

实施过程:例如:学生对指令宽度的位数设计可以影响通用寄存器的个数,和协处理器的指令集大小,间接影响指令执行的速度和效率。

实施效果:提高了学生综合思考能力,培养了学生计算机工程学思想,在有限的资源下最大限度的发挥系统整体效果的思维方式。

3. 迭代反馈式教学方法

使用目的:通过求解问题的项目驱动方式,在一个真实场景中使用计算机解决具体问题,由于使用了迭代式的算法设计环节设计,使得学生可以在反复实践中寻找最优解。

实施过程:算法设计到指令执行的各个步骤都是可以迭代的,每个步骤都会叠加最终效果,学生在反复实践中完成实验,最终实现最优的优化设计。

实施效果:允许学生反复设计设计,反复优化,体现了学生的自主创新能力。

4. 问题探索式教学方法

使用目的:用抽象的理论知识实践场景来解决具体的问题,为了避免让学生在理论知识中沉浸太久,我们以真实的案例驱动程序设计的过程,从算法设计到最后实践,让学生掌握利用现有知识解决具体问题的能力。

实施过程:学生需要对一个应用题求解,并在场景中实现。

实施效果:充分体现了计算思维和数据思维。培养了学生的信息化素养。

实验目的:

根据大学信息技术基础教程大纲和关键知识点,本实验考察程序存储控制原理、计算机组成、CPU组合逻辑、指令与指令周期、算法设计与实现这几方面的知识和应用,重点考核学生理解能力、统筹规划能力和计算思维。

通过本实验,达到以下目的:

1. 加深对存储程序控制原理的理解,

2. 加深对各个逻辑单元的理解,分三个层次理解计算机结构:第一层次是CPU、存储器和总线的关系,第二层次是控制器、运算器、协处理器和控制器的关系,第三层次是各个逻辑单元的组合逻辑和细节。

3. 掌握组合逻辑设计的方法

4. 加深指令和指令周期的理解,理解伪指令,微指令,指令执行的关联

5. 掌握问题到算法到伪指令实现的过程控制

6. 掌握参数设置对于计算机效能的影响,提升综合分析、统筹规划的能力

实验要求:

1.掌握和理解程序存储控制原理、计算机组成、CPU组合逻辑、指令与指令周期、算法设计与实现这几方面的知识

2.通过迭代和调试完成算法设计

3.通过组装和反馈实现结构设计

4.培养计算思维,统筹规划能力

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