基于Multisim的聾生計算機組成原理實驗的仿真設計

李 凱， 張書珍， 韓 梅

(天津理工大學 聾人工學院， 天津 300384)

引言

《計算機組成原理》是聾人大學生計算機專業的一門重要的學科基礎課，在聾生計算機專業培養方案中起著承上啟下的作用。在學習了邏輯數字電路、電工電子技術等先行課程后，學生對基本元器件的功能的使用有了基本的認識。通過《計算機組成原理》的學習可以使學生掌握一個完整的計算機系統的工作原理和基本設計技術。《計算機組成原理》的驗證性實驗主要包括運算方法及運算器實驗、通用寄存器實驗存儲器和總線系統、微程序控制單元實驗等，在綜合性實驗環節學生要完成一個小型的基本模型機的實驗。

傳統的《計算機組成原理》實驗是選擇專用的實驗箱CH-2000來規范構建。在長期的實驗教學中，發現傳統的實驗箱有以下缺點：

(1)實驗箱數量有限，不能保證一人一箱，通常是2～3人共用一箱。

(2)傳統的實驗箱模式對于聾人大學生的課堂知識接受度很低。計算機硬件課程的特點是從底層探討計算機的組成及工作原理，涉及數學、物理的知識較多，如電子電路分析、對邏輯數字電路的分析等，對于聾生而言，頗顯枯燥，而且聾生在學習中只是模仿連線，簡單驗證，不利于學生設計性實驗的開設。

(3)單純的實驗箱方式的實驗講解不利于面向聾生的教學。學生常會忽略教師的手語，從而漏掉講授的關鍵環節。

(4)目前面向聾生的計算機專業的各類硬件課程中，這些課程有關的實驗都涉及各自的實驗箱，但由于實驗箱在采購中存在廠家不同、型號不同等特點，課程之間的內在聯系未能充分體現，學生不能形成系統化的實驗體系，綜合性、設計性的實驗比較欠缺[1]。

結合聾人大學生學習現狀和思維方式的特點，面向聾生的計算機專業的培養目標應該定位在應用型人才的培養，以及動手實踐能力的提升與增強。計算機仿真技術發展，給硬件課程的教學提供了新的思路。目前硬件課程教學內容從基本的 MOS 管、集成電路到整個計算機系統及外圍接口電路，硬件實驗已發展為由實驗儀與 EDA、VHDL 和 CPLD/FPGA 等仿真器聯合承擔的階段[2]，這種原理設計—模擬實現—最終實現的實驗形式能將軟、硬件結合為一個統一整體，教師可以把課程實驗用仿真軟件進行仿真、模擬調試后再轉入真正的硬件實現，仿真軟件還可以清晰展現元器件的工作特性。學生可以不受時間限制地進行自主實驗設計與開發。使用Multisim 12.0設計展開硬件課程的仿真實驗可以使硬件課程之間實現無縫銜接，在整合每門課程的實驗內容時統籌協調，避免知識點重復或遺漏，有利于構筑聾生的硬件思維，拓展設計性和綜合性實驗的深度和廣度，培養硬件系統開發與設計能力[3]。

Multisim 12.0是在2012年3月由美國國家儀器(National Instruments,NI)推出的主要用于電路設計和電子教學的專用版本。不僅可以用軟件仿真硬件實驗，電路的原理圖輸入、構建、仿真、分析和結果顯示均在同一個環境中完成，無需在不同的應用程序間來回切換[4]；而且，還具有豐富的虛擬儀器，生動的仿真顯示，可以加強聾生對所學知識的感性認識，可以脫離實驗箱通過軟件仿真看到運行結果，更適合聾生的硬件實驗教學。

1 Multisim仿真實驗方案

1.1 移位寄存器實驗仿真

移位寄存器實驗是《計算機組成原理》課程中具備基礎效用的驗證性實驗。該實驗的主要目的是了解移位寄存器的硬件電路組成，驗證移位控制與寄存的組合功能，實現寄存器的移位操作。

CH-2000計算機組成原理實驗箱使用一片74LS299作為移位發生器。74LS299是八位雙向通用移位寄存器，其中八位輸入/輸出端已與總線單元設定了連接。由299-B信號控制其使能端，實驗時按動“單步”命令鍵產生時鐘脈沖，脈沖信號由T4時序輸送產生。由S0、S1、M控制信號設置其運行狀態，控制特性見表1。

由于Multisim 12.0中的元器件中不包括74LS299，因此研究選擇與其相似的四位雙向通用寄存器74LS194代替。在Multisim 12.0的元件庫中，選擇74LS中的集成塊系列,選項中的74LS194DHE 74LS194N僅僅是IC的封裝分別為SOIC(小外形集成電路封裝)和PDIP(塑料雙列直插式封裝)，對IC的性能無影響。在繪制仿真圖中運用了74LS194N，仿真電路即如圖1所示。

表1 74LS299控制特性Tab. 1 Control features of 74LS299

圖1 Multisim中移位寄存器的仿真電路Fig. 1 Simulation circuit of shift register in Multisim

圖1中,J2、J9和J1均表示撥碼開關。其中，J2掌控著對數據A、B、C、D賦初值，為了仿真效果明顯，最好不要設為全0或全1。J9設計用于M的置數，當M=1時，控制帶進位的循環左移和右移。J1則可支持對S0和S1的置值，靈活選控移位寄存器的功能。SL和SR用于控制將會發生循環左移還是右移。J8=0表示清0，此時其他輸入為任意值，輸出端的LED5～LED8均為燈滅狀態。初始狀態下，令S0=1,S1=1,將A、B、C、D的值裝入寄存器，按一下CLK，加CP脈沖，此時運行仿真，由LED5～LED8燈亮的狀態情況可以看出結果為ABCD，數據裝載成功。改變J1使S0=1,S1=0，多次按下CLK，加CP脈沖，觀察LED6～LED8燈亮的情況，可以看到左移的仿真結果。而當S0=0,S1=1時，可以看到右移的結果。

1.2 進位加法器實驗的仿真

在計算機組成原理的實驗中，使用實驗箱來設計驗證74LS181運算器的算術邏輯運算。為了使學生深入理解74LS181的工作原理，研發中增加了進位加法器利用Multisim 12.0仿真技術實現4位串行加法器和并行加法器的實驗仿真。根據加法器工作原理，若Ai、Bi為參加運算的2個數，Si為2個數相加的和Ci為低位向高位的進位，Ci+1為2個數相加后向高位的進位，則有：Si=Ai?Bi?Ci；Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi=AiBi+(Ai?Bi)Ci。圖2所示即為4位進位加法器的仿真實驗圖的串行加法器部分。圖2中CLA電路中的與門、或門、異或門均利用TTL工具箱中74系列提供的工具來搭建繪制，旨在使學生簡單明了地觀察2個數相加后的結果。圖2中U58異或門的輸出為S0，U57或門輸出為C0，電路采用單符號位法的溢出檢測邏輯。當Ci=Ci-1時,運算沒有溢出；當Ci≠Ci-1時,運算有溢出,經異或門產生溢出信號。從圖2中可以看到串行加法器的行波進位的實現過程。仿真中采用自帶譯碼器的7段數碼管DCD_HEX_DIG_BLUE作為結果的顯示，撥動撥碼開關J1和J4,輸入A=0100，B=0010的值，圖2中7段數碼管顯示的仿真結果是6。從仿真圖中可以推知，串行加法器的進位方式是將全加器級聯構成多位加法器，高位必須等待低位的進位才能運算，因此會影響運行速度。

圖2 4位串行進位加法器仿真電路圖Fig. 2 Simulation circuit diagram of 4-bit serial carry adder

使用并行進位加法器可以解決串行進位加法器的速度慢的問題，根據并行加法器進位鏈操作，可以得到：

C1=Y0+X0C0

C2=Y1+X1C1=Y1+X1Y0+X1X0C0

C3=Y2X2C2=Y2+X2Y1+X2X1Y0+X2X1X0C0

C4=Y3+X3C3=Y3X3Y2+X3X2X2Y0+

X3X2X1X0C0

令Yi=AiBi,Xi=(Ai?Bi)，其中Yi為4位進位加法鏈的進位產生函數，Xi為4位進位加法鏈的進位產生函數，如圖3所示則為并行進位加法器的仿真實驗圖。并行進位加法器設有并行進位產生邏輯，運算速度快；可以通過增加示波器看到時間長短的仿真效果。本次課程的仿真實驗中只是設計了4位加法器的仿真，并且隨著位數的增加，相同位數的并行加法器比串行加法器的時間差距效果會更加明顯，但資源占用方面的差異也會越來越大。

圖3 并行進位加法器仿真電路圖Fig. 3 Parallel carry on simulation circuit diagram

2 Multisim仿真計算機組成原理實驗的教學應用

聾人大學生學習《計算機組成原理》課程之前已經具備了前期的門電路知識，但是沒有接觸過相關的仿真軟件。在進行組成原理實驗的仿真之前，可以指導學生使用Multisim軟件設計基本的仿真電路，如基于譯碼器設計的三人表決器、基于優先編碼器設計的八人搶答器、基于模8計數器的紅綠燈控制電路、基于移位寄存器的彩燈控制電路等，而后再陸續過渡到組成原理中的運算器實驗、存儲器和總線實驗以及基本模型機設計的實驗仿真環節中。通過讓學生親自設計研發一臺小型計算機控制系統，包括計算機的各個部件和功能，如此即可使學生真真切切感受到如何設計一個可獨立工作的計算機系統，強化和提升學生的綜合實踐能力，同時打造學生的創新思維和創造能力[5]。仿真實驗還可以給學

生提出思考問題，并由學生自行驗證得到的答案想法。如在74LS181運算器的通路中，輸入鎖存器有什么作用？可不可以去掉？74LS244緩沖存儲器有什么作用？可不可以去掉？這些問題可以促使學生在實驗中加入創意，也可以讓學生直接看到仿真的效果，對學生理解相關的理論知識頗具幫助指導之現實功效。

3 結束語

在計算機組成原理實驗教學中使用Multisim對實驗進行仿真，教師可以結合理論課程的教學實際設計實驗內容并通過實驗內容的引領深化理論教學內容，學生可以從底層細節理解課程中枯燥的理論知識點。在使用組成原理實驗箱實驗時，學生可以將零散的知識匯集成整機的概念，綜合考慮各知識點之間的聯系，發揮學生的創造性[6]。開闊學生的視野、培養學生查閱資料、獨立分析問題和解決問題的能力，以及延伸、拓展學生的動手能力和學習興趣。對硬件知識感興趣的學生還可以通過開展學生科技活動和參加大學生創新實驗活動豐富自身的科研能力，為增強學生實踐動手能力和設計創新能力提供有效基礎和良好的參考依據。

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