范琳 翟社平 王曉婕 王勁松

[摘 要]計算機組成原理課程是技術性、工程性和實踐性很強的一門課，針對目前的實驗箱教學法存在實驗次數較少、粒度較粗、學生實驗一知半解等問題，項目組將一款電子設計軟件Proteus應用到組成原理的教學過程，作為傳統(tǒng)教學的有益補充。教師基于Proteus設計多次細粒度實驗，并在教學過程中進行，能加深學生對理論的理解，使其學會使用現(xiàn)代工具設計與開發(fā)計算機硬件系統(tǒng)。該項改革提高了學生的設計能力，培養(yǎng)了學生的興趣，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]Proteus仿真;計算機組成原理;細粒度實驗

[中圖分類號] TP3332 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）02-0080-03

計算機組成原理課程的目的是讓學生掌握計算機硬件系統(tǒng)各功能部件的組成、工作原理、設計和實現(xiàn)方法，理解計算機系統(tǒng)各組成部分的內在聯(lián)系與相互作用[1-4]。目前培養(yǎng)計劃要求重點培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代工程工具的能力，要求學生能使用工具進行計算機軟硬件系統(tǒng)設計、開發(fā)、測試、運維及改進。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，多采用連線的方式將計算機硬件的幾個核心模塊連接起來，驗證計算機系統(tǒng)的工作原理。該實驗方法存在一些局限性。隨著計算機軟件技術的發(fā)展，利用EDA設計工具[5-9]實現(xiàn)硬件仿真變得可行，其能降低做實驗的門檻，更利于學生學習興趣的培養(yǎng)。

本文將一款EDA軟件Proteus應用到組成原理的教學過程，作為傳統(tǒng)教學的有益補充。設計多次細粒度實驗，讓學生能進行計算機硬件系統(tǒng)設計與開發(fā)，在教學中深化學生對理論的理解。

一、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，例如本校采用唐都TD-CMA實驗箱，實驗箱內提供各個固件模塊，學生通過連線、板開關等方式來完成實驗，但上述實驗方法存在若干問題：

1.實驗次數少。學生很難及時通過實驗來驗證所學的理論，無法建立計算機單機系統(tǒng)的整體認識，導致學習興趣下降。

2.實驗箱較大，不方便帶出實驗室。實驗課上未完成實驗的同學無法回到宿舍繼續(xù)完成實驗。

3.實驗箱存在“不確定性”，由于芯片壞了、導線壞了，或者連線接觸不良等原因，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.學生按照指導書的步驟完成簡單的連線與開關撥動，照貓畫虎，不求甚解，實驗收獲很有限。

5.實驗箱中提供給學生的都是已經固化好的模塊，例如741s181芯片、存儲器模塊等。學生學不到如何設計模塊。

由于以上原因，嘗試對實驗方式進行改革，將Proteus應用到計算機原理教學過程中，以期改進實驗。

二、基于Proteus的細粒度組成原理實驗設計

（一）基于Proteus的實驗改革思路

在實驗箱實驗的基礎上增加基于Proteus的仿真實驗。仿真實驗粒度較細，用于驗證課本中的細節(jié)知識，能讓學生隨學隨用，培養(yǎng)興趣，增加成就感。

第六章 總線系統(tǒng) 基本模型機實驗

（二）細粒度組成原理實驗設計

使用基于Proteus的細粒度實驗設計，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。例如下述細粒度實驗，就能通過局部的改進讓學生體會設計的好處。

1.一位全加器

圖1給出了一位全加器的設計圖，使用開關進行高低電平的輸入，并使用燈泡查看輸出。在圖2中不使用電源、開關、地線和電阻，采用Logic State提供輸入，Logic Probe顯示輸出。后續(xù)實驗為了基于一位全加器構建更復雜的電路，可以使用一位全加器芯片74ls183來代替圖2中較為復雜的內部邏輯。

（三）基于Proteus改革的優(yōu)點

與實驗箱實驗過程相比，基于Proteus的實驗改革具有以下一些優(yōu)點，如表2所示。

1.實驗環(huán)境搭建很簡單。在任何一臺PC上安裝Proteus，就能進行仿真，對于課堂上未理解的知識，也可以使用Proteus驗證。

2.方便看到實驗效果。Protues使用簡單，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.減少了“不確定性”。使用Proteus，只要連線與操作正確， 就能看到仿真結果。能讓學生在學習過程中，建立更多的成就感，更有學習興趣。

4.方便檢查連線錯誤。在實驗箱中無法看到每條線內的信息，錯誤發(fā)生時，難以快速定位;在Proteus中加上邏輯探針，就能看到每個點的值，能輕松找出錯誤。

5.實驗粒度比實驗箱更細，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。

6.更具針對性，屏蔽底層電路知識，學生不需要很強的數電與模電基礎。

7.答疑與自學更加方便，方便通過郵件答疑。

由于以上優(yōu)點，在計算機原理課程教學中引入Proteus。在授課過程中穿插講解Proteus的使用方法，驗證性實驗由學生在課后完成，進行課堂答疑，并將常見錯誤統(tǒng)一講解，及時指導學生完成實驗內容。

四、改革效果分析

為試驗改革效果，在組成原理授課過程中，針對三個班執(zhí)行實驗改革方案，其余三個班只使用實驗箱。期末考試成績比較如表3所示。

參與改革的三個班在設計題中表現(xiàn)良好，比起只使用實驗箱的班級，設計題平均提高了1.2分，該項改革有助于能提高學生的設計能力，更好的支撐了學生的畢業(yè)要求，讓學生具備分析并解決復雜計算機系統(tǒng)工程問題的能力，能夠使用現(xiàn)代工具，進行復雜計算機軟硬件系統(tǒng)的研究、規(guī)劃、設計與開發(fā)，具備一定的工程實踐能力。

五、結論

本文將電子設計軟件Proteus應用到組成原理的教學過程，作為傳統(tǒng)教學的有益補充?；赑roteus設計多次細粒度實驗，在教學過程中進行，加深學生對理論的理解，讓學生學會使用現(xiàn)代工具設計與開發(fā)計算機硬件系統(tǒng)。該項改革提高了學生的設計能力，培養(yǎng)了學生的興趣，取得了良好的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 袁春風，張澤生，楊若瑜，王帥，蔡曉燕.“計算機組成與系統(tǒng)結構”課程建設思路與教學實踐[J].計算機教育，2012（2）：62-66.

[4] 袁春風，楊若瑜，王帥，唐杰.計算機組成與其他課程之間的關聯(lián)內容分析[J].計算機教育，2015（17）：35-38.

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[責任編輯：劉鳳華]