細粒度計算機組成原理Proteus仿真實驗設計

范琳 翟社平 王曉婕 王勁松

[摘 要]計算機組成原理課程是技術性、工程性和實踐性很強的一門課，針對目前的實驗箱教學法存在實驗次數較少、粒度較粗、學生實驗一知半解等問題，項目組將一款電子設計軟件Proteus應用到組成原理的教學過程，作為傳統教學的有益補充。教師基于Proteus設計多次細粒度實驗，并在教學過程中進行，能加深學生對理論的理解，使其學會使用現代工具設計與開發計算機硬件系統。該項改革提高了學生的設計能力，培養了學生的興趣，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]Proteus仿真;計算機組成原理;細粒度實驗

[中圖分類號] TP3332 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）02-0080-03

計算機組成原理課程的目的是讓學生掌握計算機硬件系統各功能部件的組成、工作原理、設計和實現方法，理解計算機系統各組成部分的內在聯系與相互作用[1-4]。目前培養計劃要求重點培養學生使用現代工程工具的能力，要求學生能使用工具進行計算機軟硬件系統設計、開發、測試、運維及改進。目前，多數高校在計算機組成原理的實踐教學中采用實驗箱，多采用連線的方式將計算機硬件的幾個核心模塊連接起來，驗證計算機系統的工作原理。該實驗方法存在一些局限性。隨著計算機軟件技術的發展，利用EDA設計工具[5-9]實現硬件仿真變得可行，其能降低做實驗的門檻，更利于學生學習興趣的培養。

本文將一款EDA軟件Proteus應用到組成原理的教學過程，作為傳統教學的有益補充。設計多次細粒度實驗，讓學生能進行計算機硬件系統設計與開發，在教學中深化學生對理論的理解。

一、目前的計算機組成原理實驗教學

目前在本科教學中，大部分高校采用實驗箱來進行硬件類課程實驗教學，例如本校采用唐都TD-CMA實驗箱，實驗箱內提供各個固件模塊，學生通過連線、板開關等方式來完成實驗，但上述實驗方法存在若干問題：

1.實驗次數少。學生很難及時通過實驗來驗證所學的理論，無法建立計算機單機系統的整體認識，導致學習興趣下降。

2.實驗箱較大，不方便帶出實驗室。實驗課上未完成實驗的同學無法回到宿舍繼續完成實驗。

3.實驗箱存在“不確定性”，由于芯片壞了、導線壞了，或者連線接觸不良等原因，學生需要花大量的時間反復檢查連線，但也不一定能完成實驗。

4.學生按照指導書的步驟完成簡單的連線與開關撥動，照貓畫虎，不求甚解，實驗收獲很有限。

5.實驗箱中提供給學生的都是已經固化好的模塊，例如741s181芯片、存儲器模塊等。學生學不到如何設計模塊。

由于以上原因，嘗試對實驗方式進行改革，將Proteus應用到計算機原理教學過程中，以期改進實驗。

二、基于Proteus的細粒度組成原理實驗設計

（一）基于Proteus的實驗改革思路

在實驗箱實驗的基礎上增加基于Proteus的仿真實驗。仿真實驗粒度較細，用于驗證課本中的細節知識，能讓學生隨學隨用，培養興趣，增加成就感。

第六章 總線系統 基本模型機實驗

（二）細粒度組成原理實驗設計

使用基于Proteus的細粒度實驗設計，提高學生的自學與思考能力，讓學生能真正理解實驗的內容。例如下述細粒度實驗，就能通過局部的改進讓學生體會設計的好處。

1.一位全加器

圖1給出了一位全加器的設計圖，使用開關進行高低電平的輸入，并使用燈泡查看輸出。在圖2中不使用電源、開關、地線和電阻，采用Logic State提供輸入，Logic Probe顯示輸出。后續實驗為了基于一位全加器構建更復雜的電路，可以使用一位全加器芯片74ls183來代替圖2中較為復雜的內部邏輯。

（三）基于Proteus改革的優點

與實驗箱實驗過程相比，基于Proteus的實驗改革具有以下一些優點，如表2所示。

1.實驗環境搭建很簡單。在任何一臺PC上安裝Proteus，就能進行仿真，對于課堂上未理解的知識，也可以使用Proteus驗證。

2.方便看到實驗效果。Protues使用簡單，在元件庫里搜索相應器件，并正確連線，就能仿真并看到實驗效果。

3.減少了“不確定性”。使用Proteus，只要連線與操作正確， 就能看到仿真結果。能讓學生在學習過程中，建立更多的成就感，更有學習興趣。

4.方便檢查連線錯誤。在實驗箱中無法看到每條線內的信息，錯誤發生時，難以快速定位;在Proteus中加上邏輯探針，就能看到每個點的值，能輕松找出錯誤。

5.實驗粒度比實驗箱更細，可以搭建半加器、一位全加器、行波進位加法器、ALU等，來驗證課本上的理論。

6.更具針對性，屏蔽底層電路知識，學生不需要很強的數電與模電基礎。

7.答疑與自學更加方便，方便通過郵件答疑。

由于以上優點，在計算機原理課程教學中引入Proteus。在授課過程中穿插講解Proteus的使用方法，驗證性實驗由學生在課后完成，進行課堂答疑，并將常見錯誤統一講解，及時指導學生完成實驗內容。

四、改革效果分析

為試驗改革效果，在組成原理授課過程中，針對三個班執行實驗改革方案，其余三個班只使用實驗箱。期末考試成績比較如表3所示。

參與改革的三個班在設計題中表現良好，比起只使用實驗箱的班級，設計題平均提高了1.2分，該項改革有助于能提高學生的設計能力，更好的支撐了學生的畢業要求，讓學生具備分析并解決復雜計算機系統工程問題的能力，能夠使用現代工具，進行復雜計算機軟硬件系統的研究、規劃、設計與開發，具備一定的工程實踐能力。

五、結論

本文將電子設計軟件Proteus應用到組成原理的教學過程，作為傳統教學的有益補充。基于Proteus設計多次細粒度實驗，在教學過程中進行，加深學生對理論的理解，讓學生學會使用現代工具設計與開發計算機硬件系統。該項改革提高了學生的設計能力，培養了學生的興趣，取得了良好的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 董梁，翟社平，王曉婕，邢高峰.計算機硬件實踐教學改進探索[J].計算機教育，2016（7）：55-59.

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[5] 薛延俠，劉雁飛.EDA技術在數字系統中的應用[J].西安郵電學院學報，2013（12）：41-46.

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[7] 袁春風，王帥.大學計算機專業教育應重視“系統觀”[J].中國大學教學，2013（12）：41-46.

[8] 胡中玉，岳強，任杰，蒲翠萍.基于Proteus仿真的電工電子課程教學創新[J].實驗技術與管理，2016（4）：128-130.

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[責任編輯：劉鳳華]