范琳 翟社平 王曉婕 王勁松

[摘 要]計(jì)算機(jī)組成原理課程是技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課，針對(duì)目前的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)法存在實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少、粒度較粗、學(xué)生實(shí)驗(yàn)一知半解等問題，項(xiàng)目組將一款電子設(shè)計(jì)軟件Proteus應(yīng)用到組成原理的教學(xué)過程，作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。教師基于Proteus設(shè)計(jì)多次細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)，并在教學(xué)過程中進(jìn)行，能加深學(xué)生對(duì)理論的理解，使其學(xué)會(huì)使用現(xiàn)代工具設(shè)計(jì)與開發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。該項(xiàng)改革提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]Proteus仿真;計(jì)算機(jī)組成原理;細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] TP3332 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）02-0080-03

計(jì)算機(jī)組成原理課程的目的是讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各功能部件的組成、工作原理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)在聯(lián)系與相互作用[1-4]。目前培養(yǎng)計(jì)劃要求重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工程工具的能力，要求學(xué)生能使用工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試、運(yùn)維及改進(jìn)。目前，多數(shù)高校在計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)踐教學(xué)中采用實(shí)驗(yàn)箱，多采用連線的方式將計(jì)算機(jī)硬件的幾個(gè)核心模塊連接起來，驗(yàn)證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理。該實(shí)驗(yàn)方法存在一些局限性。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，利用EDA設(shè)計(jì)工具[5-9]實(shí)現(xiàn)硬件仿真變得可行，其能降低做實(shí)驗(yàn)的門檻，更利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

本文將一款EDA軟件Proteus應(yīng)用到組成原理的教學(xué)過程，作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。設(shè)計(jì)多次細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，在教學(xué)中深化學(xué)生對(duì)理論的理解。

一、目前的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前在本科教學(xué)中，大部分高校采用實(shí)驗(yàn)箱來進(jìn)行硬件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，例如本校采用唐都TD-CMA實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)提供各個(gè)固件模塊，學(xué)生通過連線、板開關(guān)等方式來完成實(shí)驗(yàn)，但上述實(shí)驗(yàn)方法存在若干問題：

1.實(shí)驗(yàn)次數(shù)少。學(xué)生很難及時(shí)通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)的理論，無法建立計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降。

2.實(shí)驗(yàn)箱較大，不方便帶出實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)課上未完成實(shí)驗(yàn)的同學(xué)無法回到宿舍繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)箱存在“不確定性”，由于芯片壞了、導(dǎo)線壞了，或者連線接觸不良等原因，學(xué)生需要花大量的時(shí)間反復(fù)檢查連線，但也不一定能完成實(shí)驗(yàn)。

4.學(xué)生按照指導(dǎo)書的步驟完成簡單的連線與開關(guān)撥動(dòng)，照貓畫虎，不求甚解，實(shí)驗(yàn)收獲很有限。

5.實(shí)驗(yàn)箱中提供給學(xué)生的都是已經(jīng)固化好的模塊，例如741s181芯片、存儲(chǔ)器模塊等。學(xué)生學(xué)不到如何設(shè)計(jì)模塊。

由于以上原因，嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行改革，將Proteus應(yīng)用到計(jì)算機(jī)原理教學(xué)過程中，以期改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

二、基于Proteus的細(xì)粒度組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）基于Proteus的實(shí)驗(yàn)改革思路

在實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加基于Proteus的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)粒度較細(xì)，用于驗(yàn)證課本中的細(xì)節(jié)知識(shí)，能讓學(xué)生隨學(xué)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(jī)實(shí)驗(yàn)

（二）細(xì)粒度組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用基于Proteus的細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的自學(xué)與思考能力，讓學(xué)生能真正理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。例如下述細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)，就能通過局部的改進(jìn)讓學(xué)生體會(huì)設(shè)計(jì)的好處。

1.一位全加器

圖1給出了一位全加器的設(shè)計(jì)圖，使用開關(guān)進(jìn)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(guān)、地線和電阻，采用Logic State提供輸入，Logic Probe顯示輸出。后續(xù)實(shí)驗(yàn)為了基于一位全加器構(gòu)建更復(fù)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(fù)雜的內(nèi)部邏輯。

（三）基于Proteus改革的優(yōu)點(diǎn)

與實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)過程相比，基于Proteus的實(shí)驗(yàn)改革具有以下一些優(yōu)點(diǎn)，如表2所示。

1.實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建很簡單。在任何一臺(tái)PC上安裝Proteus，就能進(jìn)行仿真，對(duì)于課堂上未理解的知識(shí)，也可以使用Proteus驗(yàn)證。

2.方便看到實(shí)驗(yàn)效果。Protues使用簡單，在元件庫里搜索相應(yīng)器件，并正確連線，就能仿真并看到實(shí)驗(yàn)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(jié)果。能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，建立更多的成就感，更有學(xué)習(xí)興趣。

4.方便檢查連線錯(cuò)誤。在實(shí)驗(yàn)箱中無法看到每條線內(nèi)的信息，錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，難以快速定位;在Proteus中加上邏輯探針，就能看到每個(gè)點(diǎn)的值，能輕松找出錯(cuò)誤。

5.實(shí)驗(yàn)粒度比實(shí)驗(yàn)箱更細(xì)，可以搭建半加器、一位全加器、行波進(jìn)位加法器、ALU等，來驗(yàn)證課本上的理論。

6.更具針對(duì)性，屏蔽底層電路知識(shí)，學(xué)生不需要很強(qiáng)的數(shù)電與模電基礎(chǔ)。

7.答疑與自學(xué)更加方便，方便通過郵件答疑。

由于以上優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)原理課程教學(xué)中引入Proteus。在授課過程中穿插講解Proteus的使用方法，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生在課后完成，進(jìn)行課堂答疑，并將常見錯(cuò)誤統(tǒng)一講解，及時(shí)指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

四、改革效果分析

為試驗(yàn)改革效果，在組成原理授課過程中，針對(duì)三個(gè)班執(zhí)行實(shí)驗(yàn)改革方案，其余三個(gè)班只使用實(shí)驗(yàn)箱。期末考試成績比較如表3所示。

參與改革的三個(gè)班在設(shè)計(jì)題中表現(xiàn)良好，比起只使用實(shí)驗(yàn)箱的班級(jí)，設(shè)計(jì)題平均提高了1.2分，該項(xiàng)改革有助于能提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，更好的支撐了學(xué)生的畢業(yè)要求，讓學(xué)生具備分析并解決復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程問題的能力，能夠使用現(xiàn)代工具，進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與開發(fā)，具備一定的工程實(shí)踐能力。

五、結(jié)論

本文將電子設(shè)計(jì)軟件Proteus應(yīng)用到組成原理的教學(xué)過程，作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充?；赑roteus設(shè)計(jì)多次細(xì)粒度實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)過程中進(jìn)行，加深學(xué)生對(duì)理論的理解，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用現(xiàn)代工具設(shè)計(jì)與開發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。該項(xiàng)改革提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 董梁，翟社平，王曉婕，邢高峰.計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（7）：55-59.

[2] 袁春風(fēng)，黃宜華，武港山，余建新，吳海軍.“計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)”課程群建設(shè)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（13）：80-83.

[3] 袁春風(fēng)，張澤生，楊若瑜，王帥，蔡曉燕.“計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程建設(shè)思路與教學(xué)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（2）：62-66.

[4] 袁春風(fēng)，楊若瑜，王帥，唐杰.計(jì)算機(jī)組成與其他課程之間的關(guān)聯(lián)內(nèi)容分析[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（17）：35-38.

[5] 薛延俠，劉雁飛.EDA技術(shù)在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（12）：41-46.

[6] 李現(xiàn)國，張艷.Proteus仿真在微機(jī)原理及接口技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010（12）：125-127.

[7] 袁春風(fēng)，王帥.大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)教育應(yīng)重視“系統(tǒng)觀”[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013（12）：41-46.

[8] 胡中玉，岳強(qiáng)，任杰，蒲翠萍.基于Proteus仿真的電工電子課程教學(xué)創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016（4）：128-130.

[9] 千承輝，凌振寶，田寶鳳，萬云霞.Proteus仿真在電子測量實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013（3）：96-98.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]