实验简介：
本实验内容属于大学信息技术基础实验中的计算机硬件技术实验中的存储程序控制原理部分。这一原理就决定了人们使用计算机的主要方式：编写程序和运行程序，它仍然是我们理解计算机系统功能与特征的基础。
一、实验原理和相关知识点
1.存储程序控制原理由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出，所以又称为冯·诺依曼结构。
2.计算机由五大部件组成：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。控制器和运算器合成中央处理器（CPU）。
3.计算机由程序控制，程序由指令序列构成，指令以二进制形式存储在主存储当中。数据也以二进制形式存储在主存储器当中。
4.主存储是一个连续的存储单元，每个存储单元存储一个字节，每个存储单元都有一个编号，这个编号就是地址，CPU通过地址寻找到相应的存储单元。
5.地址的宽度由地址线的宽度决定。地址线的宽度决定了CPU寻址空间的大小，地址线中的地址码决定了主存储器中那个单元的指令和数据被读取或者写入。
6.指令由操作码和操作数构成，它们都是二进制的，操作码决定执行何种操作，操作数决定什么数据或者哪里的数据参与操作。计算机能够执行的所有指令称为指令系统。
7. CPU中的控制器中有指令计数器和指令寄存器。指令计数器存放着CPU即将执行的指令的地址，CPU将该地址中的指令读入指令寄存器，通过指令寄存器中译码器的翻译变成电信号，通过控制微电路（CU）控制运算器和寄存器组进行运算。
8.运算器负责算术运算和逻辑运算，通用寄存器组辅助暂存中间结果，状态寄存器存储控制状态，地址缓冲寄存器、数据缓冲寄存器、累加器、数据暂存器负责相应数据的缓存。
9.指令被CPU逐条执行。每隔一个时间周期，指令计数器自动加一，CPU根据更新的地址找到下一条指令所在的单元，即下一个地址指向的存储单元。
10.地址使用自然码，算术运算使用补码，算术运算和逻辑运算的拥有各自的规则。
11.面向过程的结构化思想，模块化、标准化的思想，向下兼容的思想。
实验背景：
1.新时代大学计算机通识课程改革的需求，中医药领域专业人才培养的需要。
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。
2. 技术性科普的困境，计算机行业科普的价值和效果
技术性科普比知识性科普难以符号化，技术性内容逻辑性更强，可视化困难，代入感有限。对于大部分大学通识课的受众，信息技术更多是工具而不是科学和方法论。这是我们继续改变的现状。本实验介绍的正是计算机工作原理与算法逻辑的实现。
存储程序控制原理即计算机工作原理是本课程理论知识教学的根本和基础。尽管计算机发展日新月异，新技术、新概念层出不穷，可是自计算机诞生七十年来，所有计算机的工作原理并未发生根本改变，理解其运行方式是掌握计算机后续知识的基础。
本实验发展自计算机组成原理课程的控制组合逻辑实验等多个专业课程实验，参考了开源项目：Scott CPU 架空架构，简化了专业课程的复杂概念，是一个全新设计的创新实验项目。包含CPU组合逻辑组成设计、基本逻辑单元组合逻辑设计、指令系统设计和指令运行仿真四个部分，全面涵盖存储程序控制原理的所有主要相关知识点。
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。
实验目标：
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
