Logisim在“计算机组成原理”教学中的应用实践

吴荣海

（大理大学，云南大理 671003）

Logisim在“计算机组成原理”教学中的应用实践

吴荣海

（大理大学，云南大理 671003）

分析了计算机组成原理在理论教学中存在的缺乏对知识点直观验证方法的问题，提出将Logisim引入教学活动中并进行了应用实践。通过与传统教学手段相比较，Logisim的引入对于学生理解所学的知识、降低课程学习的难度、激发学生学习的兴趣以及提高教师理论教学的效率等方面起到较好的效果。

计算机组成原理；理论教学；Logisim；设计与仿真

“计算机组成原理”是计算机科学与技术专业的学位课程之一，在“数字逻辑电路”“汇编语言程序设计”等先修课程与“单片机技术及应用”“微机原理和接口技术”等后续课程之间起着承上启下的重要作用。一方面，在“计算机组成原理”课程学习过程中，涉及大量将“数字逻辑电路”课程中的组合、时序逻辑基本单元组合成为具有特定功能的计算机部件的实例；另一方面，从多层次结构的计算机系统〔1〕引入计算机系统软硬件交界界面的概念，对学生理解计算机系统硬件和软件设计思想产生深刻的影响。

由于“计算机组成原理”课程教学内容显得分散，要求掌握的技术性、过程性问题较多，在学科形态上，理论、抽象、设计均有适当的分量，多年来一直被认为是一门既难教又难学的课程〔2-4〕。如何通过引入好的教学手段对抽象的知识点进行直观的展示及验证，以提高学生学习的兴趣、激发学生学习的主动性等问题，是“计算机组成原理”课程教学必须解决的问题。

Logisim〔5〕作为一个数字逻辑电路的设计与仿真软件相比较EWB、LabVIEW、Multisim、ELVIS、Proteus等软件，具有开源免费可二次开发、无需安装即可运行、软件使用简单易学、仿真结果直观易于理解等优点，适合用于数字逻辑电路的设计与仿真。而“计算机组成原理”中大量由基本门电路组合而成的计算机部件实例适合利用Logisim软件来设计及仿真〔6〕。

1 应用实践

1.1在“运算方法和运算器”教学中的应用实践“计算机的运算方法和运算器”部分通过数据的机器表示、运算方法及运算部件组成等问题的讲解，使学生掌握计算机的运算特征。在这部分内容的讲授过程中，学生对于运算器中基于补码表示的两个操作数通过加法器如何实现加减运算以及如何形成在机器指令执行过程中起到重要作用的零标志位（Zero）、符号标志位（Sign）、溢出标志位（Overflow）与进位标志位（Carry）等问题缺乏直观验证的过程，导致对于知识的理解要么觉得艰涩难懂，要么概念混淆不清。

针对存在的问题，任课教师在授课过程中完全可以利用Logisim对加法器电路（见图1）进行基于原理图的门电路级设计和仿真。首先，先修课程“数字逻辑电路”中已经系统地介绍过基于真值表、逻辑函数表达式设计逻辑电路的方法，在Logisim中利用其提供的通过真值表或逻辑表达式生成仿真电路的操作，能够将先修课程中讲授过的知识点得以延续，能够减轻学生的畏难情绪，让学生感觉容易上手；其次，在加法器中要能够进行减法计算，需要设计专门的电路部分实现通过〔X〕补得到〔-X〕补的功能。在设计过程中如何将理论推导得到的“〔-X〕补由〔X〕补连同符号位在内，每位取反，末位加1而得”〔1〕的变补计算法则在硬件上实现对于学生来说是一个抽象难懂的过程。利用如图1所示异或门与控制位（Sub∕Add）来实现并利用Logisim仿真验证，让学生完整地看到了将一个抽象的计算法则通过一个具体的逻辑电路实现其功能的过程，对培养学生的基本功能电路的设计能力起到了一定作用；最后，利用Logisim中仿真电路易于修改，仿真过程简洁方便，仿真结果直观易懂的特点，在授课过程中，任课教师可以根据学生的反馈情况，及时方便地对仿真电路进行修改、扩展，并且可以通过针对仿真电路的讨论、修改与完善来增强和学生的互动，使学生的学习兴趣、积极性得到充分调动。例如：由于在课程配套的运算器脱机实验中，大部分学生对于CZVS 4个标志位的作用及生成过程理解都不到位，达不到实验要求。那么，在理论课中任课教师就可以有针对性的利用Logisim对上述4个标志位的生成电路进行仿真，在仿真过程中以学生为主，任课教师为辅。对于学生提出的方案，任课教师可以在Logisim中即刻加以仿真实现以验证其可行性，这样可以明显活跃课程气氛，让学生积极主动地参与到学习过程中来并对上述4个标志位的产生及意义都有了更为深刻的理解。

图15 位全加器

1.2在“存储器”教学中的应用实践文献〔3〕指出主存储器的组织和结构是“计算机组成原理”课程的重点之一，在内容组织与教学安排上，应做到原理要讲透、结构要讲清、设计要讲细。对于存储芯片结构部分应突出存储器地址概念的物理内涵、按地址访问等基本特征，为学生建立主存储器地址空间和存储空间等概念奠定基础；存储器扩展部分突出地址空间的分配、片选信号的产生以及与CPU的连接等知识点。

针对上述要求，任课教师在授课过程中利用Logisim提供的随机存储器（RAM）模块设计了存储器读写电路（见图2）来讲解存储器地址概念的物理内涵、按地址访问等基本特征。利用Logisim提供的随机存储器（RAM）模块和译码器（Decode）设计了基于字位扩展的存储器容量扩展电路（见图3）来讲解地址空间的分配、片选信号的产生以及与CPU的连接等知识点。

图2 存储器读写电路

图3 存储器容量扩展电路

相比较未引入Logisim之前，仅通过理论课的讲解、布置的习题以及基于实验箱的实验项目，大部分学生对于存储器的读写、CPU与存储器的连接与存储器容量扩展等概念还是感觉较为抽象、不易理解，更谈不上实际应用。引入Logisim之后，利用Logisim提供的RAM、ROM模块，可以借助仿真将存储器读写、容量扩展的实现过程以直观易懂的形式展现给学生，尤其是读写控制，片选信号生成，RAM与ROM的区别等学生普遍觉得不好理解的关键知识点。从而对于学生的学习及动手能力的培养起到事半功倍的效果，明显提高了任课教师教学和学生学习的效率。

1.3在“中断系统”教学中的应用实践在“中断系统”教学过程中，学生对于中断请求标记、中断判优逻辑以及中断屏蔽技术等关键概念觉得过于抽象，不好理解。针对这些问题，在授课过程中任课教师利用Logisim设计并仿真了具有屏蔽功能的排队器电路（见图4）。通过Logisim的仿真，对于中断请求标志、中断判优电路、优先级中的排队电路以及中断屏蔽技术等问题均可以进行直观清晰的仿真。在仿真过程中，任课教师可以轻松实现多个中断源按照各种先后顺序提出中断请求的仿真过程，学生可以非常直观地看到排队电路的响应过程及排队输出的结果，可以看到屏蔽寄存器对于排队输出的控制过程及作用。这样的仿真对于帮助学生理解重要概念起到了积极作用，也大大减轻了学生的学习难度，对于培养学生对计算机基本部件进行设计的能力也起到了一定作用。

图4 具有屏蔽功能的排队器电路

2 应用效果

基于传统教学手段的“计算机组成原理”课程教学活动中，任课教师主要以课件为主来展开教学活动。在“数据的机器层次表示”“数值的机器运算”等基础性内容教学过程中，由于大量涉及数据的表示、数值的算术与逻辑运算、运算器的设计等内容，课件中有较多的定义及数学推导过程，学生容易将注意力集中在了各种定义及数学推导过程的理解记忆中，而忽略了计算机中采用二进制来表示数据完全是由于数字计算机自身硬件特点所决定的。从而导致学生即使能够听懂并理解各种数学推导的过程，也仍然无法达到“掌握计算机的运算特征，初步具备硬件系统设计能力”的课程大纲要求。

然而通过将Logisim引入教学活动中，利用Logisim中所提供的计数器（Counter）模块就可以将补码的实质、“模”的相关概念以及如何借助补码将减法运算用加法实现等概念清楚直观地展示给学生。对于运算器的设计，通过借助Logisim实现从逻辑电路设计到调试仿真的完整过程，依次将运算器中算术运算单元、逻辑运算单元加以实现，并可以由任课教师根据课堂上学生的反馈情况实时对设计方案进行更改调试。真正做到以学生为主体，让学生参与到教学活动中，并让学生能从门电路级的仿真演示中对所学知识鲜明的硬件特征以及功能部件的设计实现的整个过程有直观的认识，便于学生从硬件的角度去理解所学知识，使学生可以做到举一反三，能够将所学知识在硬件功能部件设计中加以扩展应用。

基于传统教学手段的教学活动中，在“存储系统和结构”“中央处理器”与“输入输出系统”等综合性内容教学过程中，任课教师在备课过程通常会借助相应软件实现具有一定交互性的动画演示来讲授教学内容。但这些动画一般很难在演示过程中实时进行调整更改，或展示各功能部件的内部组成细节以及动态工作过程，因此不便于学生从硬件的角度去理解所学内容，也不利于学生理解部分与整体间的关系。然而通过将Logisim引入教学活动中，利用Logisim所提供的子电路（Subcircuit）工具、探查（Probe）工具、通道（Tunnel）工具与分割（Splitter）工具可以将各个功能部件封装为独立的子电路，然后通过总线连接为一个整体。在任课教师授课过程中可以根据课堂上学生的反馈情况，通过设置各功能模块的控制信号对各种可能的情况进行仿真演示，实时展示各功能部件内部工作过程以及各总线上传输的数据，具有很强的可控性和交互性。同时也能够让学生对于各功能模块与总线之间的连接关系有清晰的认识和理解，更容易形成计算机的整体概念，对于培养学生具备初步的硬件系统设计能力起到积极作用。

3 结束语

经过近4年的教学实践证明，Logisim能够对“计算机组成原理”中的重点和难点内容进行基于原理图的设计与仿真，可以让学生在学习过程中对所学知识有直观的验证方法，让知识点不再艰涩难懂。更为关键的是Logisim可以实现门级电路的设计及仿真，可以将学生在先修课程“数字逻辑电路”中所学的组合、时序逻辑电路的设计思想、方法得以充分展现与利用，能够让学生确实感受到学以致用。通过4年来的不断完善积累，已针对74181ALU、原码1位乘法、原码加减交替除法、奇偶校验、汉明码、多体并行系统等进行了门电路级的设计与仿真，并应用于教学，取得了较好的效果。

如何进一步完善已有的模块并完成基于Logisim的高速缓冲存储器、控制器等的设计与仿真，以实现将“计算机组成原理”课程中涉及的重点和要点全部涵盖的目标；以及如何通过修订实验内容或通过开放实验将Logisim引入到“计算机组成原理”课程的实验教学中，是今后教学过程中需要重点考虑和急需解决的问题。

〔1〕唐朔飞.计算机组成原理〔M〕.北京：高等教育出版社，2008：5-10.

〔2〕邓丽，邓先瑞.计算机组成原理实验课程教学研究与实践探讨〔J〕.煤炭技术，2010，29（3）：233-235.

〔3〕唐朔飞，刘旭东，王诚，等.“计算机组成原理”课程教学实施方案〔J〕.中国大学教育，2010（11）：42-45.

〔4〕教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）〔M〕.北京：高等教育出版社，2006.

〔5〕BURCH C.Logisim〔EB∕OL〕.〔2016-01-23〕.http：∕∕www. cburch.com∕logisim∕.

〔6〕Minnie'sStuff.AnExampleHardwiredCPU〔EB∕OL〕.〔2016-01-23〕.http：∕∕minnie.tuhs.org∕CompArch∕Tutes∕week03. html.

Application and Practice of Teaching of"Computer Organization Principle"with Logisim

Wu Ronghai
（Dali University,Dali,Yunnan 671003,China）

This paper analyzes the exiting problem of lacking of direct verifying method in theoretical teaching of Computer Organization Principle,and proposes the application of Logisim into teaching.Through the comparison with traditional teaching method,the introduction of Logisim has a better result in helping students understand learning,lowering the learning difficulties, stimulating students'interest and improving teachers'teaching efficiency.

Computer Organization Principle;theoretical teaching;Logisim;design and simulation

TP32

A

2096-2266（2016）12-0096-05

10.3969∕j.issn.2096-2266.2016.12.021

（责任编辑 袁 霞）

大理大学教学质量与教学改革工程项目（JGV-140）

2016-03-21

2016-08-03

吴荣海，讲师，主要从事加权模糊Petri网应用、计算机硬件研究.