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Proteus仿真软件在计算机组成原理实验教学中的应用

范文

赵鹏涛++杨友红

摘要：分析计算机组成原理课程特性，实验教学现状，引入Proteus仿真软件对《计算机组成原理》课程实验教学进行仿真，描述Proteus仿真8位运算器的具体设计过程，深入了解和掌握计算机硬件构成、计算机体系结构、计算机的设计理念，培养学生的创新能力和自主设计能力。

关键词：计算机组成原理；Proteus；ALU

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0148-02

1 概述

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心专业课，是一门重要的专业必修课程，也是计算机专业考研必考的课程之一，课程重点讲授计算机系统的组成、工作原理和逻辑实现设计方法等知识。课程教学具有知识面广，内容多、难度大、更新快等特点[1]。而实验教学环节不仅可以帮助学生加深理论知识的理解和掌握，同时可以提高学生对计算机系统的自主设计和创新能力。

2 现状分析

目前，多数高校的计算机组成原理实践教学仍然采用传统的硬件实验箱来完成，根据计算机硬件的五大功能模块和三大类总线为基础来进行硬件的验证性实验，这类实验箱硬件固定、更新速度慢，学生只能通过实验系统中原有的结构进行简单的连线，通过控制开关实现模块功能，这类实验箱对学生的基础要求很低，即便是没有学习过计算机组成原理课程，经过讲解也能实现实验的基础功能，但是对于计算机硬件结构、功能部件运行流程、逻辑电路执行情况、微程序执行流程等不能够直观的进行查看，达不到学生加深理论知识的理解和掌握的目的，学生的自主创新能力也收到制约。同时硬件实验平台随着时间的增加，损坏率逐年递增，硬件的维修成本不断增加，导致投入的成本和实验的实际效果不成正比。

基于FPGA的计算机硬件实验箱是目前计算机组成原理实验平台的主流，可以自主设计CPU系统架构，灵活性较高，但是，FPGA对学生基础知识的要求较高，要求学生熟练掌握EDA设计和可编程逻辑语言HDL，这对多数高校的学生来说，难度很大。

Proteus仿真软件的出现，很好地解决了这个问题，学生只要有基础的数字＼逻辑电路基础，了解逻辑门电路的基础知识，就可以根据要求设计出基础的逻辑原理图，并进行仿真，对学生的基础知识要求很低，借助于计算机平台，能够随时随地地使用软件进行计算机组成原理的仿真设计。

3 Proteus软件介绍

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台[2]。

4 Proteus仿真应用

通过仿真软件可实现实验数字＼逻辑基础电路仿真，在掌握基本数字＼逻辑基础电路的基础上，根据计算硬件设计的目的，并能够在后续课程微机原理与接口技术中通过自己搭建的CPU来进行接口仿真实验。在计算机组成原理实验教学过程中，学生可以围绕计算机系统的五大功能模块和三大类总线进行系统设计，了解并掌握计算机硬件系统设计的全过程。下面以74LS181芯片搭建八位运算器为例介绍Proteus在计算机组成原理实验教学中的应用。

4.1 设计原理

利用Proteus 8.4进行多功能算术/逻辑运算器（ALU）的设计和仿真，利用DIPSWC_8八位拨码开关实现二进制数据输入，三态门（74LS245）控制输出接口输出数据到数据总线，两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU，两片74LS273锁存器锁存运算数据，根据表1中控制端M控制运算器进行算术运算或逻辑运算，CN控制是否进位，S3、S2、S1、S0控制运算器进行具体运算，8位运算器逻辑电路如图1所示。

4.2 仿真数据验证

根据表1查询，通过控制M、CN、S3、S2、S1、S0可以实现32种不同的运算，设置M=0，CN=1，S3S2S1S0=1110，运算器进行算术运算F=A加B，原理图中A=65H，B=A7，运算结果为F=0CH。设置M=1运算器进行逻辑运算，S3S2S1S0=1110，，F=A+B，运算结果F=E7，表2中记录运算器进行的32种运算结果，其中M=0，CN=0控制运算器进行有进位的算术运算部分实在无进位算术运算的基础上加1构成，在这里不在详细描述，经过验证，逻辑表中运算器的运算结果均正确。从图中不难看出，利用仿真可以直接查看八位运算器的逻辑电路通路，各个部件的高低电平状态，以及各个部件和数据总线的连接方式。利用Proteus仿真过程中，不仅可以直观地看到各个芯片引脚的工作状态，还可以通过数码管直接读出运算的结果。这些是在硬件实验箱平台上无法实现的。

4.3 实验扩展

在完成运算器搭建的基础上，加入74LS374芯片构建通用寄存器组，通过寄存器组和运算单元相结合，实现多数据运算。利用Proteus中丰富的元器件库，比如74LS299、74LS374、6116，74LS163等芯片，可以实现移位寄存器、通用寄存器、存储器、程序计数器、微程序控制器、计算机硬布线、流水线CPU设计、等实验项目，在完成基础性模块试验项目的基础上，通过总线对各个模块进行连接整合，设计出完整的计算机模型。

5 结束语

计算机组成原理具有理论性较强且抽象的特点，实验教学环节在整个教学环节中就显得举足轻重，传统的硬件实验平台更新速度慢，结构固定，维护成本较高，且受到实验室开放时间和地域的限制，而Proteus仿真软件的应用不仅可以打破实验室硬件平台的局限，随时随地都能够进行仿真，更加方便同学们之间的交流合作，培养独自解决问题的能力，同时也能够更加直观的了解计算机体系结构的设计过程和各个模块工作的状态，通过学生可以根据需求自主设计系统，这对进一步激发学生的学习兴趣，提高创新能力和实际动手能力，同时也为新形势下高校实验教学提供新的思路，为高校落实应用型人才培养提供新的思路和方法。

参考文献：

[1] 白中英.计算机组成原理[M].5版.北京：科学技术出版社，2013.

[2] 白中英.计算机体系结构[M].3版.北京：科学技术出版社，2010.

[3] 王建新，张丽媛，盛羽，刘丽娟.基于组件的计算机组成原理虚拟实验室的设计与实现[J].系统仿真学报， 2008（9）.

[4] 张磊，郑榕，田军峰.计算机组成原理理论实验教学无缝结合的新方法[J].实验室研究与探索，2013（5）.

[5] 肖娟，张雯雰，王嵩，等.虚拟实验系统在计算机组成原理实验教学改革中的应用[J].计算机教育，2014（14）：33-36.

[6] 袁春风，陈贵海，黄宜华，等.“计算机组织与系统结构”课程的教學现状和改革思路[J].计算机教育，2009（16）.

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