Proteus在計算機組成原理教學改革中的應用

范 琳，翟社平，王曉婕

（西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710121）

0 引言

計算機組成原理是計算機科學與技術、軟件工程和網絡工程專業本科培養過程中的核心課程，是技術性、工程性和實踐性很強的一門課。以組成原理為主線，硬件課程體系還包括微機原理與接口技術、匯編語言、硬件課程設計、計算機系統結構等課程，目的是讓學生能深入理解計算機系統各功能部件的組成，工作原理及設計方法[1-4]。在后續工作或學習中，無論是進行軟件開發、硬件設計，還是進行更上層的算法研究，打下堅實的基礎都能讓學生更好地開展后續工作。

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，該方式受到硬件資源的限制，存在較多的局限性。隨著計算機軟件技術的發展，利用EDA設計工具[5]，能方便地實現硬件仿真，降低做實驗的門檻，更利于學生學習興趣的培養。

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，能仿真多種型號的CPU及外圍器件，是目前較好的仿真單片機及外圍器件的工具，受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞[6-9]。

1 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，例如西安郵電大學計算機組成原理課程采用唐都TD-CMA實驗箱，實驗箱內有運算器、寄存器、存儲器、輸入設備、輸出設備等固件，學生通過連線、錄入指令和微指令等方式來完成實驗，但上述實驗方法存在若干問題。

（1）一學期只有5次實驗，學生很難及時通過實驗來驗證所學的理論，課程知識面廣，難度大，概念抽象，學生在學習過程中缺乏對知識的驗證，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，無法讓學生帶回宿舍繼續研究，因此學生離開了實驗室就沒辦法再做實驗。在每次實驗的2個小時中，部分同學充分理解實驗內容并完成了實驗，但還有一部分同學并沒有完成實驗，回到宿舍也沒法繼續進行。

（3）實驗箱上做實驗，存在很大的“不確定性”，即使學生的連線正確，但由于芯片壞了、導線壞了或者連接過程中的接觸不良等，也看不到正確的運行結果。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）1名教師帶3個班的實驗，在實驗的2小時內，30%好學的學生主動問問題，老師的時間已經全部占滿，無法關注到每個學生，想要“逼”所有學生都認真自覺地學習其實是做不到的。

（5）學生在實驗過程中，按照指導書的步驟在實驗箱完成簡單的連線與開關撥動，限制了學生主觀能動性的發揮，照貓畫虎，不求甚解，沒有自己的思考，實驗完成后收獲很有限。

2 基于Proteus的計算機組成原理改革

針對以上的問題，可以將EDA軟件Proteus應用于教學實驗中，通過增加針對小型知識點的細粒度實驗，學生能體會到計算機各個組成部件的工作原理與設計方法，能從純理論過渡到仿真系統，從而體會到計算機設計的魅力。

2.1 基于Proteus的實驗改革思路

以往教學中采用下列方式來加深理解：學生在課堂上完成習題，課后完成作業，通過問答題、計算題、畫設計圖等方式來鞏固學習內容。但是很多同學對抽象的難度較大的理論不感興趣，作業存在抄襲現象。

為了提高學生的主觀能動性，將Proteus應用于組成原理的教學過程中，如果本次課的內容涉及仿真實驗，則提前通知學生攜帶筆記本電腦，2～3名同學共用一臺電腦，在課堂理論講解結束后，可以在老師的指導下完成小型的驗證型實驗。

改革前組成原理的5次實驗為運算器組成實驗、存儲器實驗、總線控制實驗、微控制器實驗和基本模型機設計與實現。改革后，增加基于Proteus的仿真實驗：一位全加器、行波進位加法器、行波進位加減法器、BCD碼加法器、一片74ls181構成4位運算器和兩片74ls181構成8位運算器。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，增加學習成就感。仿真實驗能給學生打下好的EDA使用基礎，在后續的組成原理課程設計中，學生可完成基本模型機和擴展指令的模型機。兩種實驗情況對比見表1。

2.2 基于Proteus改革的優點

采用Proteus進行仿真實驗，從一位全加器到基本模型機都可以設計。與實驗箱實驗過程相比具有以下一些優點。

1）實驗門檻低。

使用Proteus進行實驗，環境搭建很簡單，在任何一臺PC上安裝Proteus，都能進行仿真，可以在宿舍完成實驗，學生對課堂上未理解的知識，也可以使用Proteus驗證。

2）易學易用。

Protues入門簡單，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“不確定性”。

實驗箱里的芯片，因為使用不當或者使用時間過長，有一些壞的。學生在實驗時，連線且完成操作后，卻看不到運行結果，需要反復檢查，浪費大量的時間，實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就能給出仿真的運行結果，能讓學生在學習過程中，建立更多的成就感，更有學習興趣。

表1 組成原理實驗箱實驗與仿真實驗的對應關系表

4）查錯更方便。

在實驗箱發生錯誤時，很難很快定位到出錯位置，因為無法看到每條線里傳輸的是0還是1，在Proteus中尋找錯誤時，加上Logic Probe（邏輯探針），就能看到每個點的值，能輕松找出錯誤。

5）實驗粒度更細。

使用實驗箱能做5次實驗，在指導書上，實驗步驟寫得非常明確，具體操作就是連線。使用Proteus能完成更細致的驗證，如可以搭建半加器、一位全加器、行波進位加法器、ALU等，來驗證課本上的理論，促使學生思考：為什么幾個與或門就能實現加法運算呢？做了驗證性實驗就會發現：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中構建的一位全加器，使用開關和燈進行輸入輸出。

6）更具針對性。

圖1 基于Proteus構建一位全加器（使用開關和燈進行輸入輸出）

屏蔽底層電路知識，讓沒有數字電路與模擬電路基礎的學生能專注于組成原理的知識，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、地線和電阻，采用Logic State進行輸入，Logic Probe顯示輸出。

7）答疑更方便。

學生在課后基于Proteus做實驗時，遇到任何問題都可以把設計文件通過郵件發給老師，老師可以及時回復。

8）方便學生自學。

Proteus方便制作MOOC并進行網絡教學，能給學生進行自學提供便利條件。

2.3 基于Proteus的細粒度組成原理實驗設計

傳統基于實驗箱的實驗過程中，提供給學生的都是固化的模塊，如741s181芯片，沒有細節的實驗；使用改進型細粒度實驗設計，能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。

圖2 基于Proteus構建一位全加器（邏輯輸入與輸出）

在運算器設計章節，可以按順序完成多次細粒度實驗：①一位全加器。②行波進位加法器?；谝晃蝗悠餍酒?4ls183設計能進行4位二進制運算的行波進位加法器。③行波進位加減法器。增加方式控制位M，可以使得行波進位加法器能完成減法。當M為0時，完成加法運算。M為1時，完成減法運算。④BCD碼加法器。使用4位二進制表示1位十進制數的壓縮型BCD碼，在做加法運算時，如果采用二進制的加法規則來運算，則運算完畢有可能需要進行調整，設計加法與調整電路。⑤一片74ls181構成4位運算器。使用74ls181ALU芯片來完成兩個操作數的多種算術和邏輯運算，開關通過三態門74HC245連接總線，打開三態門能將開關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算器74ls181，運算結果能通過三態門再輸出到總線上，送到輸出設備。⑥兩片74ls181構成8位運算器。使用兩片74ls181構成8位運算器，能一次性完成兩個8位二進制數據的運算。Proteus設計圖如圖3所示。

3 改革效果分析

圖3 兩片74ls181構成8位運算器設計圖

為試驗改革效果，針對多個班級指導組成原理課程，3個班分別執行實驗改革方案，其余3個班按原實驗計劃進行，執行改革方案的班級中，大部分同學更有學習興趣，課后答疑的同學更多，最后考試結果見表2。

進行改革的班級在設計題中表現很好，設計題平均提高1.2分，因此組成原理實驗改革有助于提高學生的設計能力，更好地支撐學生的畢業要求，讓學生具備分析并解決復雜計算機系統工程問題的能力，能夠基于科學原理，采用科學方法，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，具備較強的工程實踐能力。

4 結語

將Proteus應用到組成原理的實驗教學，作為傳統教學的有益補充，可以激發學生的學習興趣，深化學生對理論的理解，讓學生能使用現代工具，進行計算機軟硬件系統設計與開發，該項改革取得了良好的教學效果，提高了學生設計能力，更好地支撐了學生的畢業要求，是一項值得推廣的教學改革。基于Proteus的強大仿真能力，下一步計劃將Proteus推廣到計算機硬件課程群的其他課程中進行實驗改革。

表2 組成原理實驗改革結果比較