基于Proteus 的计算机组成原理实验改革

李忠金，陈凯琦

(杭州电子科技大学 计算机学院，浙江 杭州）

一 引言

计算机组成原理是计算机专业本科教学过程中的核心课程之一，课程的技术性、工程性、实践性很强，此外计算机组成原理的知识以数字电路、模拟电路为基础，其前导课程难度也较大，加大了计算机组成原理教学的难度。课程重点教授计算机系统的组成、工作原理和逻辑实现，有知识面广、内容多、难度大等特点。不仅需要学生学习理论基础，也对实践操作存在要求。引入实验能够帮助学生，明晰计算机的组成原理，提高实际操作能力，同时提高学生对计算机系统的设计和创新能力[1-2]。

当前，多数高校仍使用实验箱进行计算机组成原理的实验教学。通过实验箱进行实验教学的方式存在诸多限制，如实验箱入手难度高、硬件资源固定、时间不足等。实验箱对学生个体而言难以负担，只能使用学校的实验箱，学生做不到随时随地进行实验来验证自己的想法；实验箱内部的硬件固定，支持的实验数量有限，教师只能安排几个固定的实验，而无法随着教学进度适当的设计一些对应的实验来辅助学生理解当前知识；学生只能在实验课上使用实验箱进行实验，实验时间不足，难以验证自身对知识的理解情况，教师也无法顾及到所有学生，难以检查学生知识掌握情况。这些限制的存在使得实验教学无法得到预期的效果。随时间发展，计算机软件技术更加成熟，能方便的实现硬件仿真模拟的EDA 软件出现，如Proteus，让计算机组成原理的实验教学有了新的方法。

二 当前实验教学

目前在本科教学中，多数的高校在计算机组成原理实验教学中仍然采用传统的硬件实验箱，如唐都TD-CMA 实验箱、TEC-4 实验箱和TEC-5 实验箱等。实验箱内有输入、输出、运算器、存储器、控制器等硬件，学生根据实验指导书操作，通过直接连线、录入指令和微指令等方式进行实验。在实验中，学生进行的操作有限，如连线、拨动开关和查看结果，其内部的具体细节对学生是透明的。

实验箱型号不同，内部的硬件也有差异，但基本都有若干问题[3]。

（一）实验箱成本高，学生只会使用学校的实验箱。除开上实验课，学生没有实践的机会，同时，有限的实验时间可能无法完成实验，导致学生在面对难度高、抽象的知识时难以理解，学习兴趣下降。

（二）实验箱存在损坏的可能。学生操作正确，但实验箱损坏，导致实验无法得到正确结果。学生可能花费大量时间排查，减少本就不多的实验时间。学生的错误操作也可能导致实验箱损坏，使学生失去实验机会，同时可能抹除学生的学习热情。

（三） 学生在实验过程中受到实验箱硬件的限制，在实验箱内进行的实验数量有限且固定，学生无法发挥主观能动性，只是按照指导书的步骤进行操作，完成实验，没有思考，实验没有收获。

（四） 学生受到实验指导书限制。在实验过程中，学生只根据指导书进行操作，无法真正检验自身的知识了解情况。但不根据指导书，学生的操作可能出现错误，导致实验箱损坏，使学生不敢进行一些操作，抑制了学生的创造力。

（五）教师难以关注到所有学生。教师只在实验课的有限时间内能观察学生的知识掌握情况，人多的情况下无法顾及所有学生，不利于实验教学。学生可能在实验课中偷懒，完全根据实验指导书操作连线，教师也难以看出学生的真实水平。

三 基于Proteus 的计算机组成原理实验改革

Proteus 是Lab Center Electronics 公 司 提 供 的EDA 工具软件。该软件是目前较好的一款仿真软件，不仅有实验教学中需求的模拟和数字电路仿真功能，还具备仿真单片机和外围器件的功能，可以激发学生自主学习的兴趣，为其他科目的学习提供帮助。本学科的实验通过中小规模的数字逻辑器件组合即可实现，如数字逻辑实验、计算机组成实验、计算机体系结构实验、微机接口实验等[4-5]。

将Proteus 应用在计算机组成原理实验教学中是一个可行的方法，随着教学进度，教师可以通过增加针对知识细节的小型实验，充分展示计算机各个组成部分的工作原理和设计方法，帮助学生理解知识点。使用Proteus 仿真实验代替实验箱来进行计算机组成原理实验教学具有很多优点。

（一） 基于Proteus 改革的优点

与通过实验箱进行实验相比，用Proteus 仿真实验有以下优点[6-7]。

1.实验门槛低。学生通过实验箱进行实验基本都是使用学校的实验箱，对于个人而言，购买实验箱不值得。而Proteus 不同，学生可以在任意PC 上使用Proteus 进行仿真实验，时间、地点灵活，不再局限于实验课上通过实验箱进行实验。给学生更多的实验机会。

2.易学易用。使用实验箱进行实验需要你先对实验箱中的硬件进行了解，需要实验箱对应的说明书。而Proteus 是操作者去调用所需的硬件。同时Proteus 入门简单，同时网络上也有不少的教程可供学习。Proteus 使用简单，从元件库取出相应元件并正确连线就能进行仿真实验并看到实验结果。

3.不会损坏。实验箱中的元件可能因多种原因损坏，如老化、因碰撞导致部件接触不良、学生操作不当致使器件短路等，使实验无法继续进行。而Proteus 仿真的元件不会，只要学生连线与操作正确，就能得到结果。即便学生操作出现错误，也只会进行提示，说明操作出现错误，而不会真正出现损坏，学生可以放心大胆地进行实验，甚至故意进行错误操作，有助于深入理解知识。

4. 方便查错。通过实验箱实验难以发现错误，同时发生错误时，也很难快速找到出错的点，还有损坏器材的风险。在Proteus 仿真时能用Proteus 的逻辑探针功能查看每个点的值，轻松查错，还能帮助学生理解错误发生的原因，加深印象。

5.实验更细。实验箱能做的实验就是跟指导书连线，能进行的实验有限。而Proteus 仿真允许学生查看每个点的值，便于学生理解实验的细节。同时Proteus 元件库丰富，允许学生去尝试使用不同的硬件来达成相同的结果，可以给学生自由发挥的空间，学生能进行一些即兴尝试，更好地调动学生的积极性。

6. 答疑方便。实验室内进行实验的学生过多，学生的疑问不一定能被解答，而一旦下课，进行的实验就会被中止，学生无法再给老师汇报自己的情况。使用Proteus 进行实验，学生可以将Proteus 仿真的设计文件以及自己遇到的问题或产生的疑问发给老师，方便老师答疑以及了解学生的学习情况。

（二） 基于Proteus 改革的思路

过往的实验教学由于课时少、实际操作固定化等原因对计算机组成原理教学的帮助小。通过Proteus 辅助教学，在通常的教学中灵活地加入实验，在学生学习了知识点后进行对应的实验，激发学生主观能动性，加深理解，提高教学效果。

改革前的实验教学包括运算器组成、存储器、总线控制、微控制器和基本模型机设计实现共五个实验。与其相比，改革后增加了很多基于Proteus 的仿真实验[8]，具体如表1。此外，教师可以根据其他因素来决定是否再增加一些对应的小实验用于讲解知识细节，也可以进行一定的扩展来鼓励学生去自主了解课外知识，Proteus 丰富的元件库也支持学生去自主学习。通过Proteus 进行仿真实验的粒度细且与学习同步进行，辅助学生理解知识细节，通过实际动手增加学生学习成就感。

表1 仿真实验表

（三） 基于Proteus 的仿真实验

以下通过列举一些Proteus 的仿真实验体现改革的作用，以及其与传统实验箱实验相比的优势。

1.基于Proteus 的全加器

全加器的电路如图1。该全加器由1 个或门、2个与门、3 个异或门组成。逻辑表达式： 同时满足。图1 中的异或门U7 为输出，或门U10 为输出。由决定，和由总线输入。由图1 可以看到，通过Proteus 进行仿真实验，可以看到实验的每一个细节，信号在经过各个元件时的变化，有助于学生加深理解，同时在实验出现问题的时候，方便查找出错的点。

图1 全加器仿真电路图

2.基于Proteus 的行波进位加减法器

在全加器的基础上，设计行波进位加减法器实验。行波进位加减法器（串行进位加减法器）本质是将多个全加器串行，如图2 所示。该电路由四个全加器电路串联，将低位全加器的进位结果输出到相邻高位全加器。最高位是符号位。溢出判断位由最高数值位向符号位进位和符号位本身进位进行异或得到。

图2电路中的输入值X 与Y 中，X 连接输入端，Y 从异或门接入。方式控制位M 也接入异或门，最低位全加器的进位输入也是M。当M=0，Y 不变，加法器实现补码加法运算；当M=1，Y 取反，同时最低位全加器进位输入为1，即对Y 求补，加法器实现减法运算。参与运算的两个二进制数为补码时，通过方式控制位M 可在一个电路中实现加减法。

图2 行波进位加减法器电路图

3.基于Proteus 的存储器

在通过Proteus 进行存储器实验时，可设计如下图3 的实验，该实验涉及的知识有RAM 和ROM的工作特性，存储器与总线的连接和存储器地址映射原理。在该实验中有12 位地址总线ABUS_[0..11]和8 位地址总线DBUS_[0..7]两条总线，两条总线上的数据在左侧的拨码开关输入，同时由两边的数码管实时显示。ROM 芯片2764 的数据线D0-D7 连接数据总线，地址线A0-A8 由地址锁存器74LS273 输入，在ROM 片内寻址，地址线A9-A12 接地。RAM芯片6116 的数据线D0-D7 连接数据总线，地址线A0-A7 由地址锁存器74LS273 输入，在ROM 片内寻址，地址线A8-A10 接地。

图3 存储器电路图

在片选信号置于低电平时，对ROM 或RAM 进行读写操作才能正确执行。存储器片选信号并非开关手动控制，而是由片选逻辑电路通过地址信号的高4 位，即ABUS_[8..11] 经过自动生成。存储器片内的对应单元通过锁存在地址锁存器的低8 位的地址信号选中。RAM 和ROM 的地址锁存器的输入都与地址总线ABUS_[0..7] 相连，在RAM_CLK 或ROM_CLK 信号出现上升沿跳变时，地址总线内的数据进入对应锁存器锁存。在没有CLK 信号时，地址总线上的数据变化不会导致地址锁存器内数据变动，可以进行稳定的读写操作。

在本次实验中，Proteus 相比于传统实验箱的实验还有其他优点。使用Proteus 仿真实验能实时查看每个接口的信号状态，且与传统实验箱相比界面简洁明了，方便学生控制实验进度。ROM 内的数据可以通过软件直接烧写，以及RAM 和ROM 内部的数据可以通过软件直接查看。相比于传统实验箱对操作者的数据透明，通过Proteus 仿真实验能看到存储器内的内容，更加便于实验操作，有利于学生深入了解存储器的相关知识。

四 结语

计算机组成原理实验教学对学生理解相关知识有不可或缺的作用。传统实验箱的“插线”实验教学实行已久，其存在的诸多限制在通过改革后都能很好的解决。进行教学改革，将Proteus 应用到计算机组成原理实验教学，摒除了传统的局限，随时代进步，充分发挥计算机的优势，方便教师与学生的教学，提高教学的效果。同时，在新实验过程中能了解计算机硬件方面的前沿知识、对比课程所使用的FPGA 芯片及其开发工具的国内外现状，帮助学生树立投身科学研究和技术创新的远大理想，激发学生强烈的使命感和责任心。