Proteus仿真軟件在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

趙鵬濤++楊友紅

摘要：分析計(jì)算機(jī)組成原理課程特性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，引入Proteus仿真軟件對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行仿真，描述Proteus仿真8位運(yùn)算器的具體設(shè)計(jì)過(guò)程，深入了解和掌握計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)成、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；Proteus；ALU

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0148-02

1 概述

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心專業(yè)課，是一門(mén)重要的專業(yè)必修課程，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)考研必考的課程之一，課程重點(diǎn)講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成、工作原理和邏輯實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法等知識(shí)。課程教學(xué)具有知識(shí)面廣，內(nèi)容多、難度大、更新快等特點(diǎn)[1]。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不僅可以幫助學(xué)生加深理論知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)可以提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

2 現(xiàn)狀分析

目前，多數(shù)高校的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)仍然采用傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成，根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件的五大功能模塊和三大類總線為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行硬件的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)箱硬件固定、更新速度慢，學(xué)生只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的連線，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)模塊功能，這類實(shí)驗(yàn)箱對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)要求很低，即便是沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理課程，經(jīng)過(guò)講解也能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)功能，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、功能部件運(yùn)行流程、邏輯電路執(zhí)行情況、微程序執(zhí)行流程等不能夠直觀的進(jìn)行查看，達(dá)不到學(xué)生加深理論知識(shí)的理解和掌握的目的，學(xué)生的自主創(chuàng)新能力也收到制約。同時(shí)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隨著時(shí)間的增加，損壞率逐年遞增，硬件的維修成本不斷增加，導(dǎo)致投入的成本和實(shí)驗(yàn)的實(shí)際效果不成正比。

基于FPGA的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)箱是目前計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主流，可以自主設(shè)計(jì)CPU系統(tǒng)架構(gòu)，靈活性較高，但是，F(xiàn)PGA對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的要求較高，要求學(xué)生熟練掌握EDA設(shè)計(jì)和可編程邏輯語(yǔ)言HDL，這對(duì)多數(shù)高校的學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度很大。

Proteus仿真軟件的出現(xiàn)，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生只要有基礎(chǔ)的數(shù)字＼邏輯電路基礎(chǔ)，了解邏輯門(mén)電路的基礎(chǔ)知識(shí)，就可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)的邏輯原理圖，并進(jìn)行仿真，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)要求很低，借助于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，能夠隨時(shí)隨地地使用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理的仿真設(shè)計(jì)。

3 Proteus軟件介紹

Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)[2]。

4 Proteus仿真應(yīng)用

通過(guò)仿真軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)字＼邏輯基礎(chǔ)電路仿真，在掌握基本數(shù)字＼邏輯基礎(chǔ)電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算硬件設(shè)計(jì)的目的，并能夠在后續(xù)課程微機(jī)原理與接口技術(shù)中通過(guò)自己搭建的CPU來(lái)進(jìn)行接口仿真實(shí)驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的五大功能模塊和三大類總線進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，了解并掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。下面以74LS181芯片搭建八位運(yùn)算器為例介紹Proteus在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

4.1 設(shè)計(jì)原理

利用Proteus 8.4進(jìn)行多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算器（ALU）的設(shè)計(jì)和仿真，利用DIPSWC_8八位撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入，三態(tài)門(mén)（74LS245）控制輸出接口輸出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線，兩片74LS181以并/串形式構(gòu)成8位字長(zhǎng)的ALU，兩片74LS273鎖存器鎖存運(yùn)算數(shù)據(jù)，根據(jù)表1中控制端M控制運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，CN控制是否進(jìn)位，S3、S2、S1、S0控制運(yùn)算器進(jìn)行具體運(yùn)算，8位運(yùn)算器邏輯電路如圖1所示。

4.2 仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證

根據(jù)表1查詢，通過(guò)控制M、CN、S3、S2、S1、S0可以實(shí)現(xiàn)32種不同的運(yùn)算，設(shè)置M=0，CN=1，S3S2S1S0=1110，運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算F=A加B，原理圖中A=65H，B=A7，運(yùn)算結(jié)果為F=0CH。設(shè)置M=1運(yùn)算器進(jìn)行邏輯運(yùn)算，S3S2S1S0=1110，，F(xiàn)=A+B，運(yùn)算結(jié)果F=E7，表2中記錄運(yùn)算器進(jìn)行的32種運(yùn)算結(jié)果，其中M=0，CN=0控制運(yùn)算器進(jìn)行有進(jìn)位的算術(shù)運(yùn)算部分實(shí)在無(wú)進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算的基礎(chǔ)上加1構(gòu)成，在這里不在詳細(xì)描述，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，邏輯表中運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果均正確。從圖中不難看出，利用仿真可以直接查看八位運(yùn)算器的邏輯電路通路，各個(gè)部件的高低電平狀態(tài)，以及各個(gè)部件和數(shù)據(jù)總線的連接方式。利用Proteus仿真過(guò)程中，不僅可以直觀地看到各個(gè)芯片引腳的工作狀態(tài)，還可以通過(guò)數(shù)碼管直接讀出運(yùn)算的結(jié)果。這些是在硬件實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

4.3 實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展

在完成運(yùn)算器搭建的基礎(chǔ)上，加入74LS374芯片構(gòu)建通用寄存器組，通過(guò)寄存器組和運(yùn)算單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)運(yùn)算。利用Proteus中豐富的元器件庫(kù)，比如74LS299、74LS374、6116，74LS163等芯片，可以實(shí)現(xiàn)移位寄存器、通用寄存器、存儲(chǔ)器、程序計(jì)數(shù)器、微程序控制器、計(jì)算機(jī)硬布線、流水線CPU設(shè)計(jì)、等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在完成基礎(chǔ)性模塊試驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過(guò)總線對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行連接整合，設(shè)計(jì)出完整的計(jì)算機(jī)模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理具有理論性較強(qiáng)且抽象的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中就顯得舉足輕重，傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更新速度慢，結(jié)構(gòu)固定，維護(hù)成本較高，且受到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間和地域的限制，而Proteus仿真軟件的應(yīng)用不僅可以打破實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)的局限，隨時(shí)隨地都能夠進(jìn)行仿真，更加方便同學(xué)們之間的交流合作，培養(yǎng)獨(dú)自解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也能夠更加直觀的了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程和各個(gè)模塊工作的狀態(tài)，通過(guò)學(xué)生可以根據(jù)需求自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這對(duì)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)也為新形勢(shì)下高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的思路，為高校落實(shí)應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供新的思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

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