陳 燕,王德成

(安徽新華學院)

基于Proteus的計算機組成原理虛擬實驗研究*

陳 燕,王德成

(安徽新華學院)

針對目前計算機組成原理課程實驗教學的現(xiàn)狀，在課程教學中引入基于Proteus的虛擬實驗，以加法器實驗為例介紹實驗設計及仿真過程，實驗教學取得了良好的效果.

Proteus；實驗教學；虛擬實驗

0 引言

《計算機組成原理》作為計算機類各本科專業(yè)必開的核心課程，在培養(yǎng)學生的計算機系統(tǒng)應用能力中起著重要作用[1].通過該課程的學習，學生能夠掌握計算機的組成和工作相關的概念、原理、設計與分析方法等，了解計算機系統(tǒng)中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關系，能把在“數(shù)字電子技術(shù)”、“匯編語言程序設計”、“可編程邏輯器件”等課程中所學的軟、硬件知識有機地結(jié)合起來，建立計算機整機系統(tǒng)的完整概念.但是本課程理論性較強，知識點較多，并且有些抽象，所以學習起來比較枯燥，學生在學習過程中也比較吃力.為了幫助學生加深對理論知識的掌握，實驗內(nèi)容就相對比較重要.

1 計算機組成原理課程實驗的現(xiàn)狀

目前，計算機組成原理課程的實驗開設主要有兩種形式：

一是基于實驗箱的.學生在固定的各種芯片上，將各種引腳通過總線進行連接、使用開關進行控制、運用微指令進行編程等方式，實現(xiàn)與硬件系統(tǒng)的交互，達到了解計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的.這種形式對于學生深入理解計算機各組成部件的硬件結(jié)構(gòu)、計算機的底層結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)軟件之間的關系幫助不大，也不利于培養(yǎng)學生設計計算機硬件系統(tǒng)的能力[2].并且實驗箱難于擴展、更新遲緩，所以該形式限制了實驗的改進和發(fā)展，很難滿足教學需求.

二是基于FPGA的.運用EDA技術(shù)和VHDL語言在FPGA芯片上進行計算機組成部件的設計與仿真，來實現(xiàn)計算機組成原理課程的實驗教學[2].但這種方式對三本或獨立學院的學生來說，由于學時限制和培養(yǎng)目標的不同，實施起來較為困難.

針對實驗箱開設實驗不足和VHDL+FPGA的難度大的問題，結(jié)合學生的實際情況，筆者在計算機組成原理課程中引入虛擬實驗項目.

2 虛擬實驗的教育意義

在計算機技術(shù)的支持下，實驗教學在發(fā)生著重要的變革，逐漸由實物實驗教學向著虛擬實驗教學轉(zhuǎn)變.虛擬實驗的技術(shù)來源于理工類學科，所以在理工類專業(yè)的課程進行虛擬實驗教學具有重要的作用和意義.

國內(nèi)外，有許多大學建成了虛擬實驗項目/實驗室.例如：美國Johns Hopkins大學的虛擬工程/科學技術(shù)實驗室、德國的漢諾威大學的虛擬自動化實驗室、浙江工業(yè)大學自動化專業(yè)的控制系統(tǒng)虛擬實驗室等.教育部辦公廳公布《關于批準北京大學地球科學虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知》.這些具有示范、引領作用的仿真實驗教學中心的建設，是實驗教學的一個新的發(fā)展方向，也對促進本課程教學理念與教學方法的變革起著重要作用[3].

在計算機組成原理的虛擬實驗教學中引入Proteus軟件，充分利用Proteus軟件的在仿真方面性能，設計虛擬實驗項目，既能脫離實物演示實驗，又能使整個教學過程生動形象.

3 基于Proteus的虛擬實驗

Proteus軟件是 EDA工具軟件的一種，是目前世界上最先進、最完整的系統(tǒng)設計與仿真平臺[4]，國內(nèi)不少高校近幾年陸續(xù)開始使用.Proteus是一種功能強大的電子設計自動化軟件，包括混合式仿真子系統(tǒng)、PCB設計子系統(tǒng)和智能原理圖設計子系統(tǒng).

Proteus非常適合實驗教學，讓學生在潛移默化中學會使用Proteus設計計算機系統(tǒng)，并在虛擬平臺上對計算機系統(tǒng)功能進行仿真.Proteus不僅虛擬調(diào)試界面友好而且性能較高，不需要配置較高的硬件支持，從而使得學生在沒有實物芯片、功能芯片以及接插件等設備時候，可以自由、靈活地學習和設計計算機系統(tǒng).硬件實驗與Proteus虛擬實驗的區(qū)別見表1.

表1 硬件實驗與虛擬實驗的比較[5]

利用Proteus進行虛擬實驗驗證實驗或綜合性、設計性實驗項目時，改變了傳統(tǒng)實驗箱實驗方式的迷茫、反復、甚至全部失敗的過程.使學生設計原理圖、選擇元器件，測試性能，動態(tài)仿真，分析實驗結(jié)果與生成實驗報告等整個過程變得方便無比，可以隨時對出現(xiàn)的問題進行分析、修改.基于Proteus虛擬實驗系統(tǒng)實驗過程，可按圖1所示流程進行.

圖1 Proteus虛擬實驗流程

圖2 四位并行加法器

4 基于Proteus的加法器實驗設計

加法是計算機運算的基礎，計算機機內(nèi)所有的運算都可以借助加法來完成，下面以加法器實驗為例，講述電路圖設計及仿真過程.該實驗由淺入深，先從一位全加器開始，到四位的串行，然后到并行加法器(如圖2所示).

根據(jù)課程學習，全加器有三個輸入端和兩個輸出端，其邏輯表達式為：

S=A⊕B⊕C

C+1=AB+(A⊕B) C

根據(jù)邏輯關系，加上開關模擬三個輸入端，加上燈模擬輸出端，其電路圖如圖3所示.

圖3 一位全加器

圖4 四位串行加法器

把四個全加器串接在一起，在每個全加器的B輸入端加入異或關系，然后借助八位開關輸入兩個四位數(shù)據(jù)(高四位表示數(shù)據(jù)A，低四位表示數(shù)據(jù)B)，借助單個開關控制加減控制(0做加法，1做減法)，并加入溢出判斷電路(高兩位的全加器進位相異或，0無溢出，1有溢出)，即可形成四位串行加法器，電路圖如圖4所示.

串行加法器電路設計比較簡單，但是速度比較慢，高位全加器的工作要依賴低位的進位，所以要逐位等待，為了提高運算速度，設計并行加法器，以先行進位為例設計，該加法器，是通過把進位提前形成，克服串行加法器的逐位等待，進位的邏輯表達式如下：

假設：Gi=AiBi,Pi=Ai⊕Bi

那么：

C1=G1+P1C0

C2=G2+P2G1+P2P1C0

C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0

C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0

電路圖如圖2所示.

啟動仿真，驗證功能，用開關或者開關組給定數(shù)據(jù)驗證功能，經(jīng)驗證，功能正常，圖3顯示是輸入端均是0的結(jié)果，S和C+1都是0；圖4顯示的是1100+0011的結(jié)果F；圖2顯示的是1100-0011的結(jié)果6，四位加法中當給定數(shù)據(jù)相加或則相減出現(xiàn)溢出時，溢出標志燈會點亮.

5 結(jié)束語

在計算機組成原理課程中設計一些虛擬實驗是實驗教學改革的要求.基于Proteus的虛擬實驗方式成本不高，實驗難度也符合學生的實際，并能激發(fā)學生進行綜合性、設計性實驗的興趣.如何指導學生進行整機實驗，甚至建立硬件課程群的一體化的虛擬實驗體系是我們需要進一步研究的方向.

[1] 楊澤雪,閔莉，王建偉.計算機組成原理課程實驗教學探討[J].計算機教育,2015(4):107-110.

[2] 蔡曉燕，袁春風，張澤生.計算機組成原理實驗初探[J].計算機教育,2013(21):74-78.

[3] 蘇珉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校實驗教學中的應用研究[J].中國教育信息化,2011(7):66-67

[4] 唐曉慧,韋萍萍.基于Protues軟件的單片機軟硬件仿真實驗[J].畢節(jié)學院學報，2012(8):96-99.

[5] 潘昕暢.PROTEUS軟件平臺在中職單片機課程實驗教學中的研究與應用[D].天津：天津師范大學，2012.

Abstract:Aiming at the present situation of the experimental teaching of computer composition principle,virtual experiment based on Proteus is introduced in the course of teaching.As an example of the adder experiment,the design and Simulation of the experimental process is introduced.Good results of experimental teaching are achieved.

Keywords:Proteus; Experimental teaching; Virtual experiment

(責任編輯：季春陽)

ResearchonVirtualExperimentofComputerOrganizationPrincipleBasedonProteus

Chen Yan,Wang Decheng

(Anhui Xinhua University)

TP391.9

A

1000-5617(2017)02-0087-03

2017-01-30

*安徽新華學院質(zhì)量工程項目(2014jy010、2012jpkcx04、2014jgkcx04)