陈 燕,王德成

(安徽新华学院)

基于Proteus的计算机组成原理虚拟实验研究*

陈 燕,王德成

(安徽新华学院)

针对目前计算机组成原理课程实验教学的现状，在课程教学中引入基于Proteus的虚拟实验，以加法器实验为例介绍实验设计及仿真过程，实验教学取得了良好的效果.

Proteus；实验教学；虚拟实验

0 引言

《计算机组成原理》作为计算机类各本科专业必开的核心课程，在培养学生的计算机系统应用能力中起着重要作用[1].通过该课程的学习，学生能够掌握计算机的组成和工作相关的概念、原理、设计与分析方法等，了解计算机系统中硬件、软件的功能划分和相互配合关系，能把在“数字电子技术”、“汇编语言程序设计”、“可编程逻辑器件”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，建立计算机整机系统的完整概念.但是本课程理论性较强，知识点较多，并且有些抽象，所以学习起来比较枯燥，学生在学习过程中也比较吃力.为了帮助学生加深对理论知识的掌握，实验内容就相对比较重要.

1 计算机组成原理课程实验的现状

目前，计算机组成原理课程的实验开设主要有两种形式：

一是基于实验箱的.学生在固定的各种芯片上，将各种引脚通过总线进行连接、使用开关进行控制、运用微指令进行编程等方式，实现与硬件系统的交互，达到了解计算机内部结构的目的.这种形式对于学生深入理解计算机各组成部件的硬件结构、计算机的底层结构与系统软件之间的关系帮助不大，也不利于培养学生设计计算机硬件系统的能力[2].并且实验箱难于扩展、更新迟缓，所以该形式限制了实验的改进和发展，很难满足教学需求.

二是基于FPGA的.运用EDA技术和VHDL语言在FPGA芯片上进行计算机组成部件的设计与仿真，来实现计算机组成原理课程的实验教学[2].但这种方式对三本或独立学院的学生来说，由于学时限制和培养目标的不同，实施起来较为困难.

针对实验箱开设实验不足和VHDL+FPGA的难度大的问题，结合学生的实际情况，笔者在计算机组成原理课程中引入虚拟实验项目.

2 虚拟实验的教育意义

在计算机技术的支持下，实验教学在发生着重要的变革，逐渐由实物实验教学向着虚拟实验教学转变.虚拟实验的技术来源于理工类学科，所以在理工类专业的课程进行虚拟实验教学具有重要的作用和意义.

国内外，有许多大学建成了虚拟实验项目/实验室.例如：美国Johns Hopkins大学的虚拟工程/科学技术实验室、德国的汉诺威大学的虚拟自动化实验室、浙江工业大学自动化专业的控制系统虚拟实验室等.教育部办公厅公布《关于批准北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知》.这些具有示范、引领作用的仿真实验教学中心的建设，是实验教学的一个新的发展方向，也对促进本课程教学理念与教学方法的变革起着重要作用[3].

在计算机组成原理的虚拟实验教学中引入Proteus软件，充分利用Proteus软件的在仿真方面性能，设计虚拟实验项目，既能脱离实物演示实验，又能使整个教学过程生动形象.

3 基于Proteus的虚拟实验

Proteus软件是 EDA工具软件的一种，是目前世界上最先进、最完整的系统设计与仿真平台[4]，国内不少高校近几年陆续开始使用.Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件，包括混合式仿真子系统、PCB设计子系统和智能原理图设计子系统.

Proteus非常适合实验教学，让学生在潜移默化中学会使用Proteus设计计算机系统，并在虚拟平台上对计算机系统功能进行仿真.Proteus不仅虚拟调试界面友好而且性能较高，不需要配置较高的硬件支持，从而使得学生在没有实物芯片、功能芯片以及接插件等设备时候，可以自由、灵活地学习和设计计算机系统.硬件实验与Proteus虚拟实验的区别见表1.

表1 硬件实验与虚拟实验的比较[5]

利用Proteus进行虚拟实验验证实验或综合性、设计性实验项目时，改变了传统实验箱实验方式的迷茫、反复、甚至全部失败的过程.使学生设计原理图、选择元器件，测试性能，动态仿真，分析实验结果与生成实验报告等整个过程变得方便无比，可以随时对出现的问题进行分析、修改.基于Proteus虚拟实验系统实验过程，可按图1所示流程进行.

图1 Proteus虚拟实验流程

图2 四位并行加法器

4 基于Proteus的加法器实验设计

加法是计算机运算的基础，计算机机内所有的运算都可以借助加法来完成，下面以加法器实验为例，讲述电路图设计及仿真过程.该实验由浅入深，先从一位全加器开始，到四位的串行，然后到并行加法器(如图2所示).

根据课程学习，全加器有三个输入端和两个输出端，其逻辑表达式为：

S=A⊕B⊕C

C+1=AB+(A⊕B) C

根据逻辑关系，加上开关模拟三个输入端，加上灯模拟输出端，其电路图如图3所示.

图3 一位全加器

图4 四位串行加法器

把四个全加器串接在一起，在每个全加器的B输入端加入异或关系，然后借助八位开关输入两个四位数据(高四位表示数据A，低四位表示数据B)，借助单个开关控制加减控制(0做加法，1做减法)，并加入溢出判断电路(高两位的全加器进位相异或，0无溢出，1有溢出)，即可形成四位串行加法器，电路图如图4所示.

串行加法器电路设计比较简单，但是速度比较慢，高位全加器的工作要依赖低位的进位，所以要逐位等待，为了提高运算速度，设计并行加法器，以先行进位为例设计，该加法器，是通过把进位提前形成，克服串行加法器的逐位等待，进位的逻辑表达式如下：

假设：Gi=AiBi,Pi=Ai⊕Bi

那么：

C1=G1+P1C0

C2=G2+P2G1+P2P1C0

C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0

C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0

电路图如图2所示.

启动仿真，验证功能，用开关或者开关组给定数据验证功能，经验证，功能正常，图3显示是输入端均是0的结果，S和C+1都是0；图4显示的是1100+0011的结果F；图2显示的是1100-0011的结果6，四位加法中当给定数据相加或则相减出现溢出时，溢出标志灯会点亮.

5 结束语

在计算机组成原理课程中设计一些虚拟实验是实验教学改革的要求.基于Proteus的虚拟实验方式成本不高，实验难度也符合学生的实际，并能激发学生进行综合性、设计性实验的兴趣.如何指导学生进行整机实验，甚至建立硬件课程群的一体化的虚拟实验体系是我们需要进一步研究的方向.

[1] 杨泽雪,闵莉，王建伟.计算机组成原理课程实验教学探讨[J].计算机教育,2015(4):107-110.

[2] 蔡晓燕，袁春风，张泽生.计算机组成原理实验初探[J].计算机教育,2013(21):74-78.

[3] 苏珉.虚拟现实技术在高校实验教学中的应用研究[J].中国教育信息化,2011(7):66-67

[4] 唐晓慧,韦萍萍.基于Protues软件的单片机软硬件仿真实验[J].毕节学院学报，2012(8):96-99.

[5] 潘昕畅.PROTEUS软件平台在中职单片机课程实验教学中的研究与应用[D].天津：天津师范大学，2012.

Abstract:Aiming at the present situation of the experimental teaching of computer composition principle,virtual experiment based on Proteus is introduced in the course of teaching.As an example of the adder experiment,the design and Simulation of the experimental process is introduced.Good results of experimental teaching are achieved.

Keywords:Proteus; Experimental teaching; Virtual experiment

(责任编辑：季春阳)

ResearchonVirtualExperimentofComputerOrganizationPrincipleBasedonProteus

Chen Yan,Wang Decheng

(Anhui Xinhua University)

TP391.9

A

1000-5617(2017)02-0087-03

2017-01-30

*安徽新华学院质量工程项目(2014jy010、2012jpkcx04、2014jgkcx04)