李忠金，陳凱琦

(杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州）

一 引言

計算機組成原理是計算機專業(yè)本科教學過程中的核心課程之一，課程的技術(shù)性、工程性、實踐性很強，此外計算機組成原理的知識以數(shù)字電路、模擬電路為基礎(chǔ)，其前導課程難度也較大，加大了計算機組成原理教學的難度。課程重點教授計算機系統(tǒng)的組成、工作原理和邏輯實現(xiàn)，有知識面廣、內(nèi)容多、難度大等特點。不僅需要學生學習理論基礎(chǔ)，也對實踐操作存在要求。引入實驗?zāi)軌驇椭鷮W生，明晰計算機的組成原理，提高實際操作能力，同時提高學生對計算機系統(tǒng)的設(shè)計和創(chuàng)新能力[1-2]。

當前，多數(shù)高校仍使用實驗箱進行計算機組成原理的實驗教學。通過實驗箱進行實驗教學的方式存在諸多限制，如實驗箱入手難度高、硬件資源固定、時間不足等。實驗箱對學生個體而言難以負擔，只能使用學校的實驗箱，學生做不到隨時隨地進行實驗來驗證自己的想法；實驗箱內(nèi)部的硬件固定，支持的實驗數(shù)量有限，教師只能安排幾個固定的實驗，而無法隨著教學進度適當?shù)脑O(shè)計一些對應(yīng)的實驗來輔助學生理解當前知識；學生只能在實驗課上使用實驗箱進行實驗，實驗時間不足，難以驗證自身對知識的理解情況，教師也無法顧及到所有學生，難以檢查學生知識掌握情況。這些限制的存在使得實驗教學無法得到預(yù)期的效果。隨時間發(fā)展，計算機軟件技術(shù)更加成熟，能方便的實現(xiàn)硬件仿真模擬的EDA 軟件出現(xiàn)，如Proteus，讓計算機組成原理的實驗教學有了新的方法。

二 當前實驗教學

目前在本科教學中，多數(shù)的高校在計算機組成原理實驗教學中仍然采用傳統(tǒng)的硬件實驗箱，如唐都TD-CMA 實驗箱、TEC-4 實驗箱和TEC-5 實驗箱等。實驗箱內(nèi)有輸入、輸出、運算器、存儲器、控制器等硬件，學生根據(jù)實驗指導書操作，通過直接連線、錄入指令和微指令等方式進行實驗。在實驗中，學生進行的操作有限，如連線、撥動開關(guān)和查看結(jié)果，其內(nèi)部的具體細節(jié)對學生是透明的。

實驗箱型號不同，內(nèi)部的硬件也有差異，但基本都有若干問題[3]。

（一）實驗箱成本高，學生只會使用學校的實驗箱。除開上實驗課，學生沒有實踐的機會，同時，有限的實驗時間可能無法完成實驗，導致學生在面對難度高、抽象的知識時難以理解，學習興趣下降。

（二）實驗箱存在損壞的可能。學生操作正確，但實驗箱損壞，導致實驗無法得到正確結(jié)果。學生可能花費大量時間排查，減少本就不多的實驗時間。學生的錯誤操作也可能導致實驗箱損壞，使學生失去實驗機會，同時可能抹除學生的學習熱情。

（三） 學生在實驗過程中受到實驗箱硬件的限制，在實驗箱內(nèi)進行的實驗數(shù)量有限且固定，學生無法發(fā)揮主觀能動性，只是按照指導書的步驟進行操作，完成實驗，沒有思考，實驗沒有收獲。

（四） 學生受到實驗指導書限制。在實驗過程中，學生只根據(jù)指導書進行操作，無法真正檢驗自身的知識了解情況。但不根據(jù)指導書，學生的操作可能出現(xiàn)錯誤，導致實驗箱損壞，使學生不敢進行一些操作，抑制了學生的創(chuàng)造力。

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

三 基于Proteus 的計算機組成原理實驗改革

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，不僅有實驗教學中需求的模擬和數(shù)字電路仿真功能，還具備仿真單片機和外圍器件的功能，可以激發(fā)學生自主學習的興趣，為其他科目的學習提供幫助。本學科的實驗通過中小規(guī)模的數(shù)字邏輯器件組合即可實現(xiàn)，如數(shù)字邏輯實驗、計算機組成實驗、計算機體系結(jié)構(gòu)實驗、微機接口實驗等[4-5]。

將Proteus 應(yīng)用在計算機組成原理實驗教學中是一個可行的方法，隨著教學進度，教師可以通過增加針對知識細節(jié)的小型實驗，充分展示計算機各個組成部分的工作原理和設(shè)計方法，幫助學生理解知識點。使用Proteus 仿真實驗代替實驗箱來進行計算機組成原理實驗教學具有很多優(yōu)點。

（一） 基于Proteus 改革的優(yōu)點

與通過實驗箱進行實驗相比，用Proteus 仿真實驗有以下優(yōu)點[6-7]。

1.實驗門檻低。學生通過實驗箱進行實驗基本都是使用學校的實驗箱，對于個人而言，購買實驗箱不值得。而Proteus 不同，學生可以在任意PC 上使用Proteus 進行仿真實驗，時間、地點靈活，不再局限于實驗課上通過實驗箱進行實驗。給學生更多的實驗機會。

2.易學易用。使用實驗箱進行實驗需要你先對實驗箱中的硬件進行了解，需要實驗箱對應(yīng)的說明書。而Proteus 是操作者去調(diào)用所需的硬件。同時Proteus 入門簡單，同時網(wǎng)絡(luò)上也有不少的教程可供學習。Proteus 使用簡單，從元件庫取出相應(yīng)元件并正確連線就能進行仿真實驗并看到實驗結(jié)果。

3.不會損壞。實驗箱中的元件可能因多種原因損壞，如老化、因碰撞導致部件接觸不良、學生操作不當致使器件短路等，使實驗無法繼續(xù)進行。而Proteus 仿真的元件不會，只要學生連線與操作正確，就能得到結(jié)果。即便學生操作出現(xiàn)錯誤，也只會進行提示，說明操作出現(xiàn)錯誤，而不會真正出現(xiàn)損壞，學生可以放心大膽地進行實驗，甚至故意進行錯誤操作，有助于深入理解知識。

4. 方便查錯。通過實驗箱實驗難以發(fā)現(xiàn)錯誤，同時發(fā)生錯誤時，也很難快速找到出錯的點，還有損壞器材的風險。在Proteus 仿真時能用Proteus 的邏輯探針功能查看每個點的值，輕松查錯，還能幫助學生理解錯誤發(fā)生的原因，加深印象。

5.實驗更細。實驗箱能做的實驗就是跟指導書連線，能進行的實驗有限。而Proteus 仿真允許學生查看每個點的值，便于學生理解實驗的細節(jié)。同時Proteus 元件庫豐富，允許學生去嘗試使用不同的硬件來達成相同的結(jié)果，可以給學生自由發(fā)揮的空間，學生能進行一些即興嘗試，更好地調(diào)動學生的積極性。

6. 答疑方便。實驗室內(nèi)進行實驗的學生過多，學生的疑問不一定能被解答，而一旦下課，進行的實驗就會被中止，學生無法再給老師匯報自己的情況。使用Proteus 進行實驗，學生可以將Proteus 仿真的設(shè)計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生的學習情況。

（二） 基于Proteus 改革的思路

過往的實驗教學由于課時少、實際操作固定化等原因?qū)τ嬎銠C組成原理教學的幫助小。通過Proteus 輔助教學，在通常的教學中靈活地加入實驗，在學生學習了知識點后進行對應(yīng)的實驗，激發(fā)學生主觀能動性，加深理解，提高教學效果。

改革前的實驗教學包括運算器組成、存儲器、總線控制、微控制器和基本模型機設(shè)計實現(xiàn)共五個實驗。與其相比，改革后增加了很多基于Proteus 的仿真實驗[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應(yīng)的小實驗用于講解知識細節(jié)，也可以進行一定的擴展來鼓勵學生去自主了解課外知識，Proteus 豐富的元件庫也支持學生去自主學習。通過Proteus 進行仿真實驗的粒度細且與學習同步進行，輔助學生理解知識細節(jié)，通過實際動手增加學生學習成就感。

表1 仿真實驗表

（三） 基于Proteus 的仿真實驗

以下通過列舉一些Proteus 的仿真實驗體現(xiàn)改革的作用，以及其與傳統(tǒng)實驗箱實驗相比的優(yōu)勢。

1.基于Proteus 的全加器

全加器的電路如圖1。該全加器由1 個或門、2個與門、3 個異或門組成。邏輯表達式： 同時滿足。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 進行仿真實驗，可以看到實驗的每一個細節(jié)，信號在經(jīng)過各個元件時的變化，有助于學生加深理解，同時在實驗出現(xiàn)問題的時候，方便查找出錯的點。

圖1 全加器仿真電路圖

2.基于Proteus 的行波進位加減法器

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

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，最低位全加器的進位輸入也是M。當M=0，Y 不變，加法器實現(xiàn)補碼加法運算；當M=1，Y 取反，同時最低位全加器進位輸入為1，即對Y 求補，加法器實現(xiàn)減法運算。參與運算的兩個二進制數(shù)為補碼時，通過方式控制位M 可在一個電路中實現(xiàn)加減法。

圖2 行波進位加減法器電路圖

3.基于Proteus 的存儲器

在通過Proteus 進行存儲器實驗時，可設(shè)計如下圖3 的實驗，該實驗涉及的知識有RAM 和ROM的工作特性，存儲器與總線的連接和存儲器地址映射原理。在該實驗中有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，同時由兩邊的數(shù)碼管實時顯示。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 存儲器電路圖

在片選信號置于低電平時，對ROM 或RAM 進行讀寫操作才能正確執(zhí)行。存儲器片選信號并非開關(guān)手動控制，而是由片選邏輯電路通過地址信號的高4 位，即ABUS_[8..11] 經(jīng)過自動生成。存儲器片內(nèi)的對應(yīng)單元通過鎖存在地址鎖存器的低8 位的地址信號選中。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 信號出現(xiàn)上升沿跳變時，地址總線內(nèi)的數(shù)據(jù)進入對應(yīng)鎖存器鎖存。在沒有CLK 信號時，地址總線上的數(shù)據(jù)變化不會導致地址鎖存器內(nèi)數(shù)據(jù)變動，可以進行穩(wěn)定的讀寫操作。

在本次實驗中，Proteus 相比于傳統(tǒng)實驗箱的實驗還有其他優(yōu)點。使用Proteus 仿真實驗?zāi)軐崟r查看每個接口的信號狀態(tài)，且與傳統(tǒng)實驗箱相比界面簡潔明了，方便學生控制實驗進度。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)實驗箱對操作者的數(shù)據(jù)透明，通過Proteus 仿真實驗?zāi)芸吹酱鎯ζ鲀?nèi)的內(nèi)容，更加便于實驗操作，有利于學生深入了解存儲器的相關(guān)知識。

四 結(jié)語

計算機組成原理實驗教學對學生理解相關(guān)知識有不可或缺的作用。傳統(tǒng)實驗箱的“插線”實驗教學實行已久，其存在的諸多限制在通過改革后都能很好的解決。進行教學改革，將Proteus 應(yīng)用到計算機組成原理實驗教學，摒除了傳統(tǒng)的局限，隨時代進步，充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，方便教師與學生的教學，提高教學的效果。同時，在新實驗過程中能了解計算機硬件方面的前沿知識、對比課程所使用的FPGA 芯片及其開發(fā)工具的國內(nèi)外現(xiàn)狀，幫助學生樹立投身科學研究和技術(shù)創(chuàng)新的遠大理想，激發(fā)學生強烈的使命感和責任心。