细粒度计算机组成原理Proteus仿真实验设计
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[摘 要]计算机组成原理课程是技术性、工程性和实践性很强的一门课，针对目前的实验箱教学法存在实验次数较少、粒度较粗、学生实验一知半解等问题，项目组将一款电子设计软件Proteus应用到组成原理的教学过程，作为传统教学的有益补充。教师基于Proteus设计多次细粒度实验，并在教学过程中进行，能加深学生对理论的理解，使其学会使用现代工具设计与开发计算机硬件系统。该项改革提高了学生的设计能力，培养了学生的兴趣，取得了良好的教学效果。
[关键词]Proteus仿真;计算机组成原理;细粒度实验
[中图分类号] TP3332 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）02-0080-03
计算机组成原理课程的目的是让学生掌握计算机硬件系统各功能部件的组成、工作原理、设计和实现方法，理解计算机系统各组成部分的内在联系与相互作用[1-4]。目前培养计划要求重点培养学生使用现代工程工具的能力，要求学生能使用工具进行计算机软硬件系统设计、开发、测试、运维及改进。目前，多数高校在计算机组成原理的实践教学中采用实验箱，多采用连线的方式将计算机硬件的几个核心模块连接起来，验证计算机系统的工作原理。该实验方法存在一些局限性。随着计算机软件技术的发展，利用EDA设计工具[5-9]实现硬件仿真变得可行，其能降低做实验的门槛，更利于学生学习兴趣的培养。
本文将一款EDA软件Proteus应用到组成原理的教学过程，作为传统教学的有益补充。设计多次细粒度实验，让学生能进行计算机硬件系统设计与开发，在教学中深化学生对理论的理解。
一、目前的计算机组成原理实验教学
目前在本科教学中，大部分高校采用实验箱来进行硬件类课程实验教学，例如本校采用唐都TD-CMA实验箱，实验箱内提供各个固件模块，学生通过连线、板开关等方式来完成实验，但上述实验方法存在若干问题：
1.实验次数少。学生很难及时通过实验来验证所学的理论，无法建立计算机单机系统的整体认识，导致学习兴趣下降。
2.实验箱较大，不方便带出实验室。实验课上未完成实验的同学无法回到宿舍继续完成实验。
3.实验箱存在“不确定性”，由于芯片坏了、导线坏了，或者连线接触不良等原因，学生需要花大量的时间反复检查连线，但也不一定能完成实验。
4.学生按照指导书的步骤完成简单的连线与开关拨动，照猫画虎，不求甚解，实验收获很有限。
5.实验箱中提供给学生的都是已经固化好的模块，例如741s181芯片、存储器模块等。学生学不到如何设计模块。
由于以上原因，尝试对实验方式进行改革，将Proteus应用到计算机原理教学过程中，以期改进实验。
二、基于Proteus的细粒度组成原理实验设计
（一）基于Proteus的实验改革思路
在实验箱实验的基础上增加基于Proteus的仿真实验。仿真实验粒度较细，用于验证课本中的细节知识，能让学生隨学随用，培养兴趣，增加成就感。
第六章 总线系统 基本模型机实验
（二）细粒度组成原理实验设计
使用基于Proteus的细粒度实验设计，提高学生的自学与思考能力，让学生能真正理解实验的内容。例如下述细粒度实验，就能通过局部的改进让学生体会设计的好处。
1.一位全加器
图1给出了一位全加器的设计图，使用开关进行高低电平的输入，并使用灯泡查看输出。在图2中不使用电源、开关、地线和电阻，采用Logic State提供输入，Logic Probe显示输出。后续实验为了基于一位全加器构建更复杂的电路，可以使用一位全加器芯片74ls183来代替图2中较为复杂的内部逻辑。
（三）基于Proteus改革的优点
与实验箱实验过程相比，基于Proteus的实验改革具有以下一些优点，如表2所示。
1.实验环境搭建很简单。在任何一台PC上安装Proteus，就能进行仿真，对于课堂上未理解的知识，也可以使用Proteus验证。
2.方便看到实验效果。Protues使用简单，在元件库里搜索相应器件，并正确连线，就能仿真并看到实验效果。
3.减少了“不确定性”。使用Proteus，只要连线与操作正确， 就能看到仿真结果。能让学生在学习过程中，建立更多的成就感，更有学习兴趣。
4.方便检查连线错误。在实验箱中无法看到每条线内的信息，错误发生时，难以快速定位;在Proteus中加上逻辑探针，就能看到每个点的值，能轻松找出错误。
5.实验粒度比实验箱更细，可以搭建半加器、一位全加器、行波进位加法器、ALU等，来验证课本上的理论。
6.更具针对性，屏蔽底层电路知识，学生不需要很强的数电与模电基础。
7.答疑与自学更加方便，方便通过邮件答疑。
由于以上优点，在计算机原理课程教学中引入Proteus。在授课过程中穿插讲解Proteus的使用方法，验证性实验由学生在课后完成，进行课堂答疑，并将常见错误统一讲解，及时指导学生完成实验内容。
四、改革效果分析
为试验改革效果，在组成原理授课过程中，针对三个班执行实验改革方案，其余三个班只使用实验箱。期末考试成绩比较如表3所示。
参与改革的三个班在设计题中表现良好，比起只使用实验箱的班级，设计题平均提高了1.2分，该项改革有助于能提高学生的设计能力，更好的支撑了学生的毕业要求，让学生具备分析并解决复杂计算机系统工程问题的能力，能够使用现代工具，进行复杂计算机软硬件系统的研究、规划、设计与开发，具备一定的工程实践能力。
五、结论
本文将电子设计软件Proteus应用到组成原理的教学过程，作为传统教学的有益补充。基于Proteus设计多次细粒度实验，在教学过程中进行，加深学生对理论的理解，让学生学会使用现代工具设计与开发计算机硬件系统。该项改革提高了学生的设计能力，培养了学生的兴趣，取得了良好的教学效果。
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[责任编辑：刘凤华]
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