Proteus在计算机组成原理教学改革中的应用

范 琳，翟社平，王晓婕

（西安邮电大学 计算机学院，陕西 西安 710121）

0 引言

计算机组成原理是计算机科学与技术、软件工程和网络工程专业本科培养过程中的核心课程，是技术性、工程性和实践性很强的一门课。以组成原理为主线，硬件课程体系还包括微机原理与接口技术、汇编语言、硬件课程设计、计算机系统结构等课程，目的是让学生能深入理解计算机系统各功能部件的组成，工作原理及设计方法[1-4]。在后续工作或学习中，无论是进行软件开发、硬件设计，还是进行更上层的算法研究，打下坚实的基础都能让学生更好地开展后续工作。

目前，多数高校在计算机组成原理的实践教学中采用实验箱，该方式受到硬件资源的限制，存在较多的局限性。随着计算机软件技术的发展，利用EDA设计工具[5]，能方便地实现硬件仿真，降低做实验的门槛，更利于学生学习兴趣的培养。

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，能仿真多种型号的CPU及外围器件，是目前较好的仿真单片机及外围器件的工具，受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐[6-9]。

1 目前的计算机组成原理实验教学

目前在本科教学中，大部分高校采用实验箱来进行硬件类课程实验教学，例如西安邮电大学计算机组成原理课程采用唐都TD-CMA实验箱，实验箱内有运算器、寄存器、存储器、输入设备、输出设备等固件，学生通过连线、录入指令和微指令等方式来完成实验，但上述实验方法存在若干问题。

（1）一学期只有5次实验，学生很难及时通过实验来验证所学的理论，课程知识面广，难度大，概念抽象，学生在学习过程中缺乏对知识的验证，无法建立计算机单机系统的整体认识，导致学习兴趣下降。

（2）实验箱较大，无法让学生带回宿舍继续研究，因此学生离开了实验室就没办法再做实验。在每次实验的2个小时中，部分同学充分理解实验内容并完成了实验，但还有一部分同学并没有完成实验，回到宿舍也没法继续进行。

（3）实验箱上做实验，存在很大的“不确定性”，即使学生的连线正确，但由于芯片坏了、导线坏了或者连接过程中的接触不良等，也看不到正确的运行结果。学生需要花大量的时间反复检查连线，但也不一定能完成实验。

（4）1名教师带3个班的实验，在实验的2小时内，30%好学的学生主动问问题，老师的时间已经全部占满，无法关注到每个学生，想要“逼”所有学生都认真自觉地学习其实是做不到的。

（5）学生在实验过程中，按照指导书的步骤在实验箱完成简单的连线与开关拨动，限制了学生主观能动性的发挥，照猫画虎，不求甚解，没有自己的思考，实验完成后收获很有限。

2 基于Proteus的计算机组成原理改革

针对以上的问题，可以将EDA软件Proteus应用于教学实验中，通过增加针对小型知识点的细粒度实验，学生能体会到计算机各个组成部件的工作原理与设计方法，能从纯理论过渡到仿真系统，从而体会到计算机设计的魅力。

2.1 基于Proteus的实验改革思路

以往教学中采用下列方式来加深理解：学生在课堂上完成习题，课后完成作业，通过问答题、计算题、画设计图等方式来巩固学习内容。但是很多同学对抽象的难度较大的理论不感兴趣，作业存在抄袭现象。

为了提高学生的主观能动性，将Proteus应用于组成原理的教学过程中，如果本次课的内容涉及仿真实验，则提前通知学生携带笔记本电脑，2～3名同学共用一台电脑，在课堂理论讲解结束后，可以在老师的指导下完成小型的验证型实验。

改革前组成原理的5次实验为运算器组成实验、存储器实验、总线控制实验、微控制器实验和基本模型机设计与实现。改革后，增加基于Proteus的仿真实验：一位全加器、行波进位加法器、行波进位加减法器、BCD码加法器、一片74ls181构成4位运算器和两片74ls181构成8位运算器。仿真实验粒度较细，用于验证课本中的细节知识，能让学生随学随用，增加学习成就感。仿真实验能给学生打下好的EDA使用基础，在后续的组成原理课程设计中，学生可完成基本模型机和扩展指令的模型机。两种实验情况对比见表1。

2.2 基于Proteus改革的优点

采用Proteus进行仿真实验，从一位全加器到基本模型机都可以设计。与实验箱实验过程相比具有以下一些优点。

1）实验门槛低。

使用Proteus进行实验，环境搭建很简单，在任何一台PC上安装Proteus，都能进行仿真，可以在宿舍完成实验，学生对课堂上未理解的知识，也可以使用Proteus验证。

2）易学易用。

Protues入门简单，在元件库里搜索相应器件，并正确连线，就能仿真并看到实验效果。

3）减少“不确定性”。

实验箱里的芯片，因为使用不当或者使用时间过长，有一些坏的。学生在实验时，连线且完成操作后，却看不到运行结果，需要反复检查，浪费大量的时间，实际原因也许是某根线接触不良、某块芯片坏了。而使用Proteus，只要连线与操作正确，Proteus就能给出仿真的运行结果，能让学生在学习过程中，建立更多的成就感，更有学习兴趣。

表1 组成原理实验箱实验与仿真实验的对应关系表

4）查错更方便。

在实验箱发生错误时，很难很快定位到出错位置，因为无法看到每条线里传输的是0还是1，在Proteus中寻找错误时，加上Logic Probe（逻辑探针），就能看到每个点的值，能轻松找出错误。

5）实验粒度更细。

使用实验箱能做5次实验，在指导书上，实验步骤写得非常明确，具体操作就是连线。使用Proteus能完成更细致的验证，如可以搭建半加器、一位全加器、行波进位加法器、ALU等，来验证课本上的理论，促使学生思考：为什么几个与或门就能实现加法运算呢？做了验证性实验就会发现：它们的输入和输出是一样的，真值表是一样的。图1给出了在Proteus中构建的一位全加器，使用开关和灯进行输入输出。

6）更具针对性。

图1 基于Proteus构建一位全加器（使用开关和灯进行输入输出）

屏蔽底层电路知识，让没有数字电路与模拟电路基础的学生能专注于组成原理的知识，不需要通过搭建电路来获取高低电平。图2为逻辑全加器，不需要使用电源、开关、地线和电阻，采用Logic State进行输入，Logic Probe显示输出。

7）答疑更方便。

学生在课后基于Proteus做实验时，遇到任何问题都可以把设计文件通过邮件发给老师，老师可以及时回复。

8）方便学生自学。

Proteus方便制作MOOC并进行网络教学，能给学生进行自学提供便利条件。

2.3 基于Proteus的细粒度组成原理实验设计

传统基于实验箱的实验过程中，提供给学生的都是固化的模块，如741s181芯片，没有细节的实验；使用改进型细粒度实验设计，能提高学生的自学与思考能力，让学生能真正理解实验的内容。

图2 基于Proteus构建一位全加器（逻辑输入与输出）

在运算器设计章节，可以按顺序完成多次细粒度实验：①一位全加器。②行波进位加法器。基于一位全加器芯片74ls183设计能进行4位二进制运算的行波进位加法器。③行波进位加减法器。增加方式控制位M，可以使得行波进位加法器能完成减法。当M为0时，完成加法运算。M为1时，完成减法运算。④BCD码加法器。使用4位二进制表示1位十进制数的压缩型BCD码，在做加法运算时，如果采用二进制的加法规则来运算，则运算完毕有可能需要进行调整，设计加法与调整电路。⑤一片74ls181构成4位运算器。使用74ls181ALU芯片来完成两个操作数的多种算术和逻辑运算，开关通过三态门74HC245连接总线，打开三态门能将开关上的信息送到总线上，并使用锁存器74273将信息锁存并提供给运算器74ls181，运算结果能通过三态门再输出到总线上，送到输出设备。⑥两片74ls181构成8位运算器。使用两片74ls181构成8位运算器，能一次性完成两个8位二进制数据的运算。Proteus设计图如图3所示。

3 改革效果分析

图3 两片74ls181构成8位运算器设计图

为试验改革效果，针对多个班级指导组成原理课程，3个班分别执行实验改革方案，其余3个班按原实验计划进行，执行改革方案的班级中，大部分同学更有学习兴趣，课后答疑的同学更多，最后考试结果见表2。

进行改革的班级在设计题中表现很好，设计题平均提高1.2分，因此组成原理实验改革有助于提高学生的设计能力，更好地支撑学生的毕业要求，让学生具备分析并解决复杂计算机系统工程问题的能力，能够基于科学原理，采用科学方法，使用现代工具，进行复杂计算机软硬件系统的研究、规划、设计与开发，具备较强的工程实践能力。

4 结语

将Proteus应用到组成原理的实验教学，作为传统教学的有益补充，可以激发学生的学习兴趣，深化学生对理论的理解，让学生能使用现代工具，进行计算机软硬件系统设计与开发，该项改革取得了良好的教学效果，提高了学生设计能力，更好地支撑了学生的毕业要求，是一项值得推广的教学改革。基于Proteus的强大仿真能力，下一步计划将Proteus推广到计算机硬件课程群的其他课程中进行实验改革。

表2 组成原理实验改革结果比较