基于Proteus 的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)改革

李忠金，陳凱琦

(杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，浙江 杭州）

一 引言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)過程中的核心課程之一，課程的技術(shù)性、工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)，此外計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)以數(shù)字電路、模擬電路為基礎(chǔ)，其前導(dǎo)課程難度也較大，加大了計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)的難度。課程重點(diǎn)教授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成、工作原理和邏輯實(shí)現(xiàn)，有知識(shí)面廣、內(nèi)容多、難度大等特點(diǎn)。不僅需要學(xué)生學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，也對(duì)實(shí)踐操作存在要求。引入實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生，明晰計(jì)算機(jī)的組成原理，提高實(shí)際操作能力，同時(shí)提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力[1-2]。

當(dāng)前，多數(shù)高校仍使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式存在諸多限制，如實(shí)驗(yàn)箱入手難度高、硬件資源固定、時(shí)間不足等。實(shí)驗(yàn)箱對(duì)學(xué)生個(gè)體而言難以負(fù)擔(dān)，只能使用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生做不到隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的想法；實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的硬件固定，支持的實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限，教師只能安排幾個(gè)固定的實(shí)驗(yàn)，而無法隨著教學(xué)進(jìn)度適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)一些對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來輔助學(xué)生理解當(dāng)前知識(shí)；學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課上使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足，難以驗(yàn)證自身對(duì)知識(shí)的理解情況，教師也無法顧及到所有學(xué)生，難以檢查學(xué)生知識(shí)掌握情況。這些限制的存在使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法得到預(yù)期的效果。隨時(shí)間發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)更加成熟，能方便的實(shí)現(xiàn)硬件仿真模擬的EDA 軟件出現(xiàn)，如Proteus，讓計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有了新的方法。

二 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前在本科教學(xué)中，多數(shù)的高校在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍然采用傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)箱，如唐都TD-CMA 實(shí)驗(yàn)箱、TEC-4 實(shí)驗(yàn)箱和TEC-5 實(shí)驗(yàn)箱等。實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)有輸入、輸出、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器等硬件，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書操作，通過直接連線、錄入指令和微指令等方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生進(jìn)行的操作有限，如連線、撥動(dòng)開關(guān)和查看結(jié)果，其內(nèi)部的具體細(xì)節(jié)對(duì)學(xué)生是透明的。

實(shí)驗(yàn)箱型號(hào)不同，內(nèi)部的硬件也有差異，但基本都有若干問題[3]。

（一）實(shí)驗(yàn)箱成本高，學(xué)生只會(huì)使用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)箱。除開上實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生沒有實(shí)踐的機(jī)會(huì)，同時(shí)，有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能無法完成實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生在面對(duì)難度高、抽象的知識(shí)時(shí)難以理解，學(xué)習(xí)興趣下降。

（二）實(shí)驗(yàn)箱存在損壞的可能。學(xué)生操作正確，但實(shí)驗(yàn)箱損壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法得到正確結(jié)果。學(xué)生可能花費(fèi)大量時(shí)間排查，減少本就不多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。學(xué)生的錯(cuò)誤操作也可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)箱損壞，使學(xué)生失去實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，同時(shí)可能抹除學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（三） 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中受到實(shí)驗(yàn)箱硬件的限制，在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限且固定，學(xué)生無法發(fā)揮主觀能動(dòng)性，只是按照指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)，沒有思考，實(shí)驗(yàn)沒有收獲。

（四） 學(xué)生受到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書限制。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生只根據(jù)指導(dǎo)書進(jìn)行操作，無法真正檢驗(yàn)自身的知識(shí)了解情況。但不根據(jù)指導(dǎo)書，學(xué)生的操作可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)箱損壞，使學(xué)生不敢進(jìn)行一些操作，抑制了學(xué)生的創(chuàng)造力。

（五）教師難以關(guān)注到所有學(xué)生。教師只在實(shí)驗(yàn)課的有限時(shí)間內(nèi)能觀察學(xué)生的知識(shí)掌握情況，人多的情況下無法顧及所有學(xué)生，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可能在實(shí)驗(yàn)課中偷懶，完全根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書操作連線，教師也難以看出學(xué)生的真實(shí)水平。

三 基于Proteus 的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)改革

Proteus 是Lab Center Electronics 公 司 提 供 的EDA 工具軟件。該軟件是目前較好的一款仿真軟件，不僅有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需求的模擬和數(shù)字電路仿真功能，還具備仿真單片機(jī)和外圍器件的功能，可以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，為其他科目的學(xué)習(xí)提供幫助。本學(xué)科的實(shí)驗(yàn)通過中小規(guī)模的數(shù)字邏輯器件組合即可實(shí)現(xiàn)，如數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)等[4-5]。

將Proteus 應(yīng)用在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是一個(gè)可行的方法，隨著教學(xué)進(jìn)度，教師可以通過增加針對(duì)知識(shí)細(xì)節(jié)的小型實(shí)驗(yàn)，充分展示計(jì)算機(jī)各個(gè)組成部分的工作原理和設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)。使用Proteus 仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)驗(yàn)箱來進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很多優(yōu)點(diǎn)。

（一） 基于Proteus 改革的優(yōu)點(diǎn)

與通過實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相比，用Proteus 仿真實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

1.實(shí)驗(yàn)門檻低。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)基本都是使用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)箱，對(duì)于個(gè)人而言，購(gòu)買實(shí)驗(yàn)箱不值得。而Proteus 不同，學(xué)生可以在任意PC 上使用Proteus 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，時(shí)間、地點(diǎn)靈活，不再局限于實(shí)驗(yàn)課上通過實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。給學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

2.易學(xué)易用。使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要你先對(duì)實(shí)驗(yàn)箱中的硬件進(jìn)行了解，需要實(shí)驗(yàn)箱對(duì)應(yīng)的說明書。而Proteus 是操作者去調(diào)用所需的硬件。同時(shí)Proteus 入門簡(jiǎn)單，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)上也有不少的教程可供學(xué)習(xí)。Proteus 使用簡(jiǎn)單，從元件庫(kù)取出相應(yīng)元件并正確連線就能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.不會(huì)損壞。實(shí)驗(yàn)箱中的元件可能因多種原因損壞，如老化、因碰撞導(dǎo)致部件接觸不良、學(xué)生操作不當(dāng)致使器件短路等，使實(shí)驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。而Proteus 仿真的元件不會(huì)，只要學(xué)生連線與操作正確，就能得到結(jié)果。即便學(xué)生操作出現(xiàn)錯(cuò)誤，也只會(huì)進(jìn)行提示，說明操作出現(xiàn)錯(cuò)誤，而不會(huì)真正出現(xiàn)損壞，學(xué)生可以放心大膽地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至故意進(jìn)行錯(cuò)誤操作，有助于深入理解知識(shí)。

4. 方便查錯(cuò)。通過實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)難以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，同時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，也很難快速找到出錯(cuò)的點(diǎn)，還有損壞器材的風(fēng)險(xiǎn)。在Proteus 仿真時(shí)能用Proteus 的邏輯探針功能查看每個(gè)點(diǎn)的值，輕松查錯(cuò)，還能幫助學(xué)生理解錯(cuò)誤發(fā)生的原因，加深印象。

5.實(shí)驗(yàn)更細(xì)。實(shí)驗(yàn)箱能做的實(shí)驗(yàn)就是跟指導(dǎo)書連線，能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有限。而Proteus 仿真允許學(xué)生查看每個(gè)點(diǎn)的值，便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。同時(shí)Proteus 元件庫(kù)豐富，允許學(xué)生去嘗試使用不同的硬件來達(dá)成相同的結(jié)果，可以給學(xué)生自由發(fā)揮的空間，學(xué)生能進(jìn)行一些即興嘗試，更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

6. 答疑方便。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生過多，學(xué)生的疑問不一定能被解答，而一旦下課，進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)就會(huì)被中止，學(xué)生無法再給老師匯報(bào)自己的情況。使用Proteus 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以將Proteus 仿真的設(shè)計(jì)文件以及自己遇到的問題或產(chǎn)生的疑問發(fā)給老師，方便老師答疑以及了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

（二） 基于Proteus 改革的思路

過往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于課時(shí)少、實(shí)際操作固定化等原因?qū)τ?jì)算機(jī)組成原理教學(xué)的幫助小。通過Proteus 輔助教學(xué)，在通常的教學(xué)中靈活地加入實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生學(xué)習(xí)了知識(shí)點(diǎn)后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性，加深理解，提高教學(xué)效果。

改革前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括運(yùn)算器組成、存儲(chǔ)器、總線控制、微控制器和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)共五個(gè)實(shí)驗(yàn)。與其相比，改革后增加了很多基于Proteus 的仿真實(shí)驗(yàn)[8]，具體如表1。此外，教師可以根據(jù)其他因素來決定是否再增加一些對(duì)應(yīng)的小實(shí)驗(yàn)用于講解知識(shí)細(xì)節(jié)，也可以進(jìn)行一定的擴(kuò)展來鼓勵(lì)學(xué)生去自主了解課外知識(shí)，Proteus 豐富的元件庫(kù)也支持學(xué)生去自主學(xué)習(xí)。通過Proteus 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的粒度細(xì)且與學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，輔助學(xué)生理解知識(shí)細(xì)節(jié)，通過實(shí)際動(dòng)手增加學(xué)生學(xué)習(xí)成就感。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)表

（三） 基于Proteus 的仿真實(shí)驗(yàn)

以下通過列舉一些Proteus 的仿真實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)改革的作用，以及其與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)相比的優(yōu)勢(shì)。

1.基于Proteus 的全加器

全加器的電路如圖1。該全加器由1 個(gè)或門、2個(gè)與門、3 個(gè)異或門組成。邏輯表達(dá)式： 同時(shí)滿足。圖1 中的異或門U7 為輸出，或門U10 為輸出。由決定，和由總線輸入。由圖1 可以看到，通過Proteus 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以看到實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，信號(hào)在經(jīng)過各個(gè)元件時(shí)的變化，有助于學(xué)生加深理解，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)問題的時(shí)候，方便查找出錯(cuò)的點(diǎn)。

圖1 全加器仿真電路圖

2.基于Proteus 的行波進(jìn)位加減法器

在全加器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)行波進(jìn)位加減法器實(shí)驗(yàn)。行波進(jìn)位加減法器（串行進(jìn)位加減法器）本質(zhì)是將多個(gè)全加器串行，如圖2 所示。該電路由四個(gè)全加器電路串聯(lián)，將低位全加器的進(jìn)位結(jié)果輸出到相鄰高位全加器。最高位是符號(hào)位。溢出判斷位由最高數(shù)值位向符號(hào)位進(jìn)位和符號(hào)位本身進(jìn)位進(jìn)行異或得到。

圖2電路中的輸入值X 與Y 中，X 連接輸入端，Y 從異或門接入。方式控制位M 也接入異或門，最低位全加器的進(jìn)位輸入也是M。當(dāng)M=0，Y 不變，加法器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼加法運(yùn)算；當(dāng)M=1，Y 取反，同時(shí)最低位全加器進(jìn)位輸入為1，即對(duì)Y 求補(bǔ)，加法器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。參與運(yùn)算的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)為補(bǔ)碼時(shí)，通過方式控制位M 可在一個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)加減法。

圖2 行波進(jìn)位加減法器電路圖

3.基于Proteus 的存儲(chǔ)器

在通過Proteus 進(jìn)行存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)時(shí)，可設(shè)計(jì)如下圖3 的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)有RAM 和ROM的工作特性，存儲(chǔ)器與總線的連接和存儲(chǔ)器地址映射原理。在該實(shí)驗(yàn)中有12 位地址總線ABUS_[0..11]和8 位地址總線DBUS_[0..7]兩條總線，兩條總線上的數(shù)據(jù)在左側(cè)的撥碼開關(guān)輸入，同時(shí)由兩邊的數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。ROM 芯片2764 的數(shù)據(jù)線D0-D7 連接數(shù)據(jù)總線，地址線A0-A8 由地址鎖存器74LS273 輸入，在ROM 片內(nèi)尋址，地址線A9-A12 接地。RAM芯片6116 的數(shù)據(jù)線D0-D7 連接數(shù)據(jù)總線，地址線A0-A7 由地址鎖存器74LS273 輸入，在ROM 片內(nèi)尋址，地址線A8-A10 接地。

圖3 存儲(chǔ)器電路圖

在片選信號(hào)置于低電平時(shí)，對(duì)ROM 或RAM 進(jìn)行讀寫操作才能正確執(zhí)行。存儲(chǔ)器片選信號(hào)并非開關(guān)手動(dòng)控制，而是由片選邏輯電路通過地址信號(hào)的高4 位，即ABUS_[8..11] 經(jīng)過自動(dòng)生成。存儲(chǔ)器片內(nèi)的對(duì)應(yīng)單元通過鎖存在地址鎖存器的低8 位的地址信號(hào)選中。RAM 和ROM 的地址鎖存器的輸入都與地址總線ABUS_[0..7] 相連，在RAM_CLK 或ROM_CLK 信號(hào)出現(xiàn)上升沿跳變時(shí)，地址總線內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)入對(duì)應(yīng)鎖存器鎖存。在沒有CLK 信號(hào)時(shí)，地址總線上的數(shù)據(jù)變化不會(huì)導(dǎo)致地址鎖存器內(nèi)數(shù)據(jù)變動(dòng)，可以進(jìn)行穩(wěn)定的讀寫操作。

在本次實(shí)驗(yàn)中，Proteus 相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)還有其他優(yōu)點(diǎn)。使用Proteus 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)時(shí)查看每個(gè)接口的信號(hào)狀態(tài)，且與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱相比界面簡(jiǎn)潔明了，方便學(xué)生控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。ROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)可以通過軟件直接燒寫，以及RAM 和ROM 內(nèi)部的數(shù)據(jù)可以通過軟件直接查看。相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱對(duì)操作者的數(shù)據(jù)透明，通過Proteus 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芸吹酱鎯?chǔ)器內(nèi)的內(nèi)容，更加便于實(shí)驗(yàn)操作，有利于學(xué)生深入了解存儲(chǔ)器的相關(guān)知識(shí)。

四 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)有不可或缺的作用。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的“插線”實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)行已久，其存在的諸多限制在通過改革后都能很好的解決。進(jìn)行教學(xué)改革，將Proteus 應(yīng)用到計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，摒除了傳統(tǒng)的局限，隨時(shí)代進(jìn)步，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，方便教師與學(xué)生的教學(xué)，提高教學(xué)的效果。同時(shí)，在新實(shí)驗(yàn)過程中能了解計(jì)算機(jī)硬件方面的前沿知識(shí)、對(duì)比課程所使用的FPGA 芯片及其開發(fā)工具的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，幫助學(xué)生樹立投身科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新的遠(yuǎn)大理想，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的使命感和責(zé)任心。