Proteus在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革中的應(yīng)用

范 琳，翟社平，王曉婕

（西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710121）

0 引言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科培養(yǎng)過程中的核心課程，是技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課。以組成原理為主線，硬件課程體系還包括微機(jī)原理與接口技術(shù)、匯編語言、硬件課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程，目的是讓學(xué)生能深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各功能部件的組成，工作原理及設(shè)計(jì)方法[1-4]。在后續(xù)工作或?qū)W習(xí)中，無論是進(jìn)行軟件開發(fā)、硬件設(shè)計(jì)，還是進(jìn)行更上層的算法研究，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)都能讓學(xué)生更好地開展后續(xù)工作。

目前，多數(shù)高校在計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)踐教學(xué)中采用實(shí)驗(yàn)箱，該方式受到硬件資源的限制，存在較多的局限性。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，利用EDA設(shè)計(jì)工具[5]，能方便地實(shí)現(xiàn)硬件仿真，降低做實(shí)驗(yàn)的門檻，更利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，能仿真多種型號(hào)的CPU及外圍器件，是目前較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具，受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞[6-9]。

1 目前的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前在本科教學(xué)中，大部分高校采用實(shí)驗(yàn)箱來進(jìn)行硬件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，例如西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程采用唐都TD-CMA實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)有運(yùn)算器、寄存器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等固件，學(xué)生通過連線、錄入指令和微指令等方式來完成實(shí)驗(yàn)，但上述實(shí)驗(yàn)方法存在若干問題。

（1）一學(xué)期只有5次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難及時(shí)通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)的理論，課程知識(shí)面廣，難度大，概念抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏對(duì)知識(shí)的驗(yàn)證，無法建立計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降。

（2）實(shí)驗(yàn)箱較大，無法讓學(xué)生帶回宿舍繼續(xù)研究，因此學(xué)生離開了實(shí)驗(yàn)室就沒辦法再做實(shí)驗(yàn)。在每次實(shí)驗(yàn)的2個(gè)小時(shí)中，部分同學(xué)充分理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并完成了實(shí)驗(yàn)，但還有一部分同學(xué)并沒有完成實(shí)驗(yàn)，回到宿舍也沒法繼續(xù)進(jìn)行。

（3）實(shí)驗(yàn)箱上做實(shí)驗(yàn)，存在很大的“不確定性”，即使學(xué)生的連線正確，但由于芯片壞了、導(dǎo)線壞了或者連接過程中的接觸不良等，也看不到正確的運(yùn)行結(jié)果。學(xué)生需要花大量的時(shí)間反復(fù)檢查連線，但也不一定能完成實(shí)驗(yàn)。

（4）1名教師帶3個(gè)班的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的2小時(shí)內(nèi)，30%好學(xué)的學(xué)生主動(dòng)問問題，老師的時(shí)間已經(jīng)全部占滿，無法關(guān)注到每個(gè)學(xué)生，想要“逼”所有學(xué)生都認(rèn)真自覺地學(xué)習(xí)其實(shí)是做不到的。

（5）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，按照指導(dǎo)書的步驟在實(shí)驗(yàn)箱完成簡單的連線與開關(guān)撥動(dòng)，限制了學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，照貓畫虎，不求甚解，沒有自己的思考，實(shí)驗(yàn)完成后收獲很有限。

2 基于Proteus的計(jì)算機(jī)組成原理改革

針對(duì)以上的問題，可以將EDA軟件Proteus應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過增加針對(duì)小型知識(shí)點(diǎn)的細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能體會(huì)到計(jì)算機(jī)各個(gè)組成部件的工作原理與設(shè)計(jì)方法，能從純理論過渡到仿真系統(tǒng)，從而體會(huì)到計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的魅力。

2.1 基于Proteus的實(shí)驗(yàn)改革思路

以往教學(xué)中采用下列方式來加深理解：學(xué)生在課堂上完成習(xí)題，課后完成作業(yè)，通過問答題、計(jì)算題、畫設(shè)計(jì)圖等方式來鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。但是很多同學(xué)對(duì)抽象的難度較大的理論不感興趣，作業(yè)存在抄襲現(xiàn)象。

為了提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，將Proteus應(yīng)用于組成原理的教學(xué)過程中，如果本次課的內(nèi)容涉及仿真實(shí)驗(yàn)，則提前通知學(xué)生攜帶筆記本電腦，2～3名同學(xué)共用一臺(tái)電腦，在課堂理論講解結(jié)束后，可以在老師的指導(dǎo)下完成小型的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。

改革前組成原理的5次實(shí)驗(yàn)為運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、總線控制實(shí)驗(yàn)、微控制器實(shí)驗(yàn)和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。改革后，增加基于Proteus的仿真實(shí)驗(yàn)：一位全加器、行波進(jìn)位加法器、行波進(jìn)位加減法器、BCD碼加法器、一片74ls181構(gòu)成4位運(yùn)算器和兩片74ls181構(gòu)成8位運(yùn)算器。仿真實(shí)驗(yàn)粒度較細(xì)，用于驗(yàn)證課本中的細(xì)節(jié)知識(shí)，能讓學(xué)生隨學(xué)隨用，增加學(xué)習(xí)成就感。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o學(xué)生打下好的EDA使用基礎(chǔ)，在后續(xù)的組成原理課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生可完成基本模型機(jī)和擴(kuò)展指令的模型機(jī)。兩種實(shí)驗(yàn)情況對(duì)比見表1。

2.2 基于Proteus改革的優(yōu)點(diǎn)

采用Proteus進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從一位全加器到基本模型機(jī)都可以設(shè)計(jì)。與實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)過程相比具有以下一些優(yōu)點(diǎn)。

1）實(shí)驗(yàn)門檻低。

使用Proteus進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，環(huán)境搭建很簡單，在任何一臺(tái)PC上安裝Proteus，都能進(jìn)行仿真，可以在宿舍完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)課堂上未理解的知識(shí)，也可以使用Proteus驗(yàn)證。

2）易學(xué)易用。

Protues入門簡單，在元件庫里搜索相應(yīng)器件，并正確連線，就能仿真并看到實(shí)驗(yàn)效果。

3）減少“不確定性”。

實(shí)驗(yàn)箱里的芯片，因?yàn)槭褂貌划?dāng)或者使用時(shí)間過長，有一些壞的。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，連線且完成操作后，卻看不到運(yùn)行結(jié)果，需要反復(fù)檢查，浪費(fèi)大量的時(shí)間，實(shí)際原因也許是某根線接觸不良、某塊芯片壞了。而使用Proteus，只要連線與操作正確，Proteus就能給出仿真的運(yùn)行結(jié)果，能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，建立更多的成就感，更有學(xué)習(xí)興趣。

表1 組成原理實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

4）查錯(cuò)更方便。

在實(shí)驗(yàn)箱發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，很難很快定位到出錯(cuò)位置，因?yàn)闊o法看到每條線里傳輸?shù)氖?還是1，在Proteus中尋找錯(cuò)誤時(shí)，加上Logic Probe（邏輯探針），就能看到每個(gè)點(diǎn)的值，能輕松找出錯(cuò)誤。

5）實(shí)驗(yàn)粒度更細(xì)。

使用實(shí)驗(yàn)箱能做5次實(shí)驗(yàn)，在指導(dǎo)書上，實(shí)驗(yàn)步驟寫得非常明確，具體操作就是連線。使用Proteus能完成更細(xì)致的驗(yàn)證，如可以搭建半加器、一位全加器、行波進(jìn)位加法器、ALU等，來驗(yàn)證課本上的理論，促使學(xué)生思考：為什么幾個(gè)與或門就能實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算呢？做了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)：它們的輸入和輸出是一樣的，真值表是一樣的。圖1給出了在Proteus中構(gòu)建的一位全加器，使用開關(guān)和燈進(jìn)行輸入輸出。

6）更具針對(duì)性。

圖1 基于Proteus構(gòu)建一位全加器（使用開關(guān)和燈進(jìn)行輸入輸出）

屏蔽底層電路知識(shí)，讓沒有數(shù)字電路與模擬電路基礎(chǔ)的學(xué)生能專注于組成原理的知識(shí)，不需要通過搭建電路來獲取高低電平。圖2為邏輯全加器，不需要使用電源、開關(guān)、地線和電阻，采用Logic State進(jìn)行輸入，Logic Probe顯示輸出。

7）答疑更方便。

學(xué)生在課后基于Proteus做實(shí)驗(yàn)時(shí)，遇到任何問題都可以把設(shè)計(jì)文件通過郵件發(fā)給老師，老師可以及時(shí)回復(fù)。

8）方便學(xué)生自學(xué)。

Proteus方便制作MOOC并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，能給學(xué)生進(jìn)行自學(xué)提供便利條件。

2.3 基于Proteus的細(xì)粒度組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)過程中，提供給學(xué)生的都是固化的模塊，如741s181芯片，沒有細(xì)節(jié)的實(shí)驗(yàn)；使用改進(jìn)型細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能提高學(xué)生的自學(xué)與思考能力，讓學(xué)生能真正理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

圖2 基于Proteus構(gòu)建一位全加器（邏輯輸入與輸出）

在運(yùn)算器設(shè)計(jì)章節(jié)，可以按順序完成多次細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)：①一位全加器。②行波進(jìn)位加法器。基于一位全加器芯片74ls183設(shè)計(jì)能進(jìn)行4位二進(jìn)制運(yùn)算的行波進(jìn)位加法器。③行波進(jìn)位加減法器。增加方式控制位M，可以使得行波進(jìn)位加法器能完成減法。當(dāng)M為0時(shí)，完成加法運(yùn)算。M為1時(shí)，完成減法運(yùn)算。④BCD碼加法器。使用4位二進(jìn)制表示1位十進(jìn)制數(shù)的壓縮型BCD碼，在做加法運(yùn)算時(shí)，如果采用二進(jìn)制的加法規(guī)則來運(yùn)算，則運(yùn)算完畢有可能需要進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)加法與調(diào)整電路。⑤一片74ls181構(gòu)成4位運(yùn)算器。使用74ls181ALU芯片來完成兩個(gè)操作數(shù)的多種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，開關(guān)通過三態(tài)門74HC245連接總線，打開三態(tài)門能將開關(guān)上的信息送到總線上，并使用鎖存器74273將信息鎖存并提供給運(yùn)算器74ls181，運(yùn)算結(jié)果能通過三態(tài)門再輸出到總線上，送到輸出設(shè)備。⑥兩片74ls181構(gòu)成8位運(yùn)算器。使用兩片74ls181構(gòu)成8位運(yùn)算器，能一次性完成兩個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的運(yùn)算。Proteus設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

3 改革效果分析

圖3 兩片74ls181構(gòu)成8位運(yùn)算器設(shè)計(jì)圖

為試驗(yàn)改革效果，針對(duì)多個(gè)班級(jí)指導(dǎo)組成原理課程，3個(gè)班分別執(zhí)行實(shí)驗(yàn)改革方案，其余3個(gè)班按原實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行，執(zhí)行改革方案的班級(jí)中，大部分同學(xué)更有學(xué)習(xí)興趣，課后答疑的同學(xué)更多，最后考試結(jié)果見表2。

進(jìn)行改革的班級(jí)在設(shè)計(jì)題中表現(xiàn)很好，設(shè)計(jì)題平均提高1.2分，因此組成原理實(shí)驗(yàn)改革有助于提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，更好地支撐學(xué)生的畢業(yè)要求，讓學(xué)生具備分析并解決復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程問題的能力，能夠基于科學(xué)原理，采用科學(xué)方法，使用現(xiàn)代工具，進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與開發(fā)，具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)語

將Proteus應(yīng)用到組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化學(xué)生對(duì)理論的理解，讓學(xué)生能使用現(xiàn)代工具，進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，該項(xiàng)改革取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生設(shè)計(jì)能力，更好地支撐了學(xué)生的畢業(yè)要求，是一項(xiàng)值得推廣的教學(xué)改革。基于Proteus的強(qiáng)大仿真能力，下一步計(jì)劃將Proteus推廣到計(jì)算機(jī)硬件課程群的其他課程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改革。

表2 組成原理實(shí)驗(yàn)改革結(jié)果比較