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摘要：《计算机组成原理》是一门以硬件为基础的计算机专业基础课。传统的实验教学方法存在着大量的实验箱、操作复杂等问题。随着计算机技术的发展，教学改革的不断深化，采用仿真软件进行实验教学，有利于培养学生的创造性思维。

关键词：Proteus；计算机组成原理；教学改革；应用

引言：

《计算机组成原理》是一门专门为计算机科学与技术类专业的本科生开设的一门基础课程。本课程将介绍数字系统、系统分析、系统设计、系统遗传等方面的基础知识，让学生能更好地了解计算机，并能在教学中摆脱神秘的感觉。该课程的主要特征是理论性强，抽象性强，概念多，计算量大。所以，如何把这门课程学好，一直是老师和学生们的难题。本课程在本专业教学中具有承上启下的功能，是学生学习计算机原理、接口技术和汇编编程的基本知识。为了改善计算机构成原理的教学状况，提高教学质量，采用 Proteus模拟软件进行设计[1]。

1、Proteus软件概述

Proteus是英国 Lab中心电子公司开发的 EDA软件，能够对不同型号的 CPU和外围器件进行仿真，是目前比较成熟的仿真 MCU和周边设备，受到众多 MCU的喜爱。对从事单片机教学的教师、从事微处理器开发与应用的广大科研人员表示了热烈的欢迎。Proteus在仿真上有许多的优势，特别是在模拟和验证 MCU和周边设备上。所以 Proteus就是其中一个非常重要的模拟软件。该系统从电路板的布图到代码的调试，从单片机和周边电路的 PCB到虚拟模型的创建，到现在最受欢迎的模拟软件，同时也是许多 PCB设计软件和虚拟模型的理想平台。即要真正做到从观念到产品的全面设计[2]。

Proteus中的实验数字与逻辑基础电路在整个计算机硬件设计过程中起着非常重要的作用，其主要目的就是为了让学生理解课程原理，熟悉各种接口技术以及了解CPU之间的通信情况，并通过各种接口仿真实验来验证理论。首先必须熟悉单片机的内部结构，了解各部分功能；其次需要具备一定的编程能力；最后还需具有良好的计算机编程技术。以掌握实验数字及逻辑基础电路的设计为前提。

2、Proteus在计算机组成原理教学改革中优势

2.1 由Proteus组成的实验室可提供少量仪器

Proteus软件已经为您提供了大量的虚拟仪器。在实验室中，通常采用的仪器设备主要由硬件、软件和系统三部分组成，这些部分具有独立的功能，可以根据需要进行调整，提高实验室的工作效率。为了获得高的测量精度，需要良好的信号调理性能，通常使用模拟设备。这种做法不但浪费了大量的资源，还带来了环境的污染。Proteus是一个很大的实验室。在实际应用中， Proteus能够很容易地对各类元件进行检测。这可以节约大量的试验费用，由此可以看出其重要程度和影响力。

2.2 仿真实验软件Proteus对于学生的基础知识要求不高

本系统采用了电脑结构的仿真方法。在实际的教学中，老师通常只是让他们具备一定的数学基础和数字电路的基础知识，而不需要他们画出逻辑门电路的图形，这就使得计算机的实验教学变得非常的艰难。该试验室具有设备简单、易于使用的特点；然而，软件模拟方法相对于常规实验来说更加方便灵活，因而得到了广大老师的青睐。同时，在没有任何限制的情况下，利用计算机平台进行教学。这样才能更有效地学习[3]。

2.3支持仿真电路设备

Proteus的功能是为电子课程的模拟电路设计，它可以很好地满足学生在学习电子课时所使用的各种设备而不能进行试验的需求；在此基础上，采用 Proteus仿真器，实现了在硬件设备研制前进行模拟。文章重点介绍了利用 Proteus技术建立电子线路的具体实现方案，并给出了相应的改进方法。最后，对整个流程进行了总结。这样的修改，既可以在试验中不费吹灰之力，也可以减少因为设计方案的缺陷而造成的不必要的硬件浪费。

3、Proteus在计算机组成原理教学面临现状

目前大多数高校的计算机构成理论仍然采用了常规的硬件实验箱，以五个主要的功能模块和三个主要的总线为硬件验证的基础，这样的实验箱的软件是固定的，升级缓慢；该方法对学生的基本功要求不高，不需要学习电脑构成的原理，只需将其与原来的电路进行连接，即可实现基本的功能；但是，由于缺乏对计算机构成的基本原理、硬件构成、各部分的工作流程、逻辑线路的实施和微编程的实施等方面的具体操作，使学员对理论的认识不够深入；加强自主学习的作用，制约了学生对试验的参与。因为实验仪器价格高，维修难度大；试验条件恶劣，无法适应现场使用的要求；实验区占地面积大，影响了其他相关的实验和教学。而随着时间的流逝，硬件试验平台的损失率也在不断增加，而设备的维修成本也在不断增加，这就导致了设备的成本和试验的实际结果不符。目前，FPGA的软件实验箱已经是当今计算机组成实验的主要形式，能够自主开发 CPU，灵活多变，但是 FPGA对基础知识的要求很高，需要熟练的 EDA技术和 HDL技术。对于大多数的高校毕业生而言，这是一个更棘手的问题。

4、Proteus在计算机组成原理教学改革中的实际应用

4.1改革方向

以往的教学方式是通过在课堂上进行实践，在课堂上完成，在课堂上完成任务，通过问答、计算和绘图来巩固已学到的知识。该教学法有助于学生对问题的分析与解决能力的提高。所以，很多老师对数学作业的安排都很重视，并且要求老师们仔细地给他们批改。但是，很多学生对抽象难懂的理论不感兴趣，在做功课时会出现抄袭现象。

为提高学生的学习兴趣，充分发挥他们的积极性，作者采用 Proteus进行模拟试验，在计算机上随机抽取2-3个学生，并在计算机上进行理论解释和验证试验。

在进行试验之前，首先要进行五项试验，包括存储器、运算器、总线控制、单片机等，并与基础样机进行对比。在此基础上，增加了以 Proteus为中心的模拟试验，包括一个全加电路、一个行波进位加法器；BCD编码加法，由74LS181构成4比特操作，74LS181构成8比特操作。模拟试验具有较少的颗粒性，有助于学生了解和应用具体的知识，增强他们的学习满意度；模拟试验主要是根据 EDA软件的构成原则课程和以基础模型为基础的扩展命令编程的方式来完成。通过对教科书进行修改，使其与实际的课堂活动紧密联系，取得了良好的效果。采用多种方法进行实验，激发了学生对英语的兴趣。利用现代科技手段提升教学品质。2个测试的对比显示在表格1中[4]：

4.2基于Proteus改革的特点

Proteus中的仿真实验通过教师对全加器和基础样机进行模拟试验。在此基础上，设计了一套基于 FPGA的数字锁环系统，并进行了硬件和软件的调试。实际应用表明，本系统是可行的。同时，对于实验盒的实验过程也很有参考价值。

（1）易用易学

Protues为我们的试验设计提供了一个易于更改和扩展的功能。

（2）实验门槛不高

使用 Proteus进行试验时，可以很容易地建立环境，将 Proteus安装在任何 PC上，就可以进行仿真；不过课余时间学生们可以通过 Proteus，来验证一些课堂上不明白的知识。

（3）降低“不确定性”

实验箱中的芯片因使用不当或放置时间过久而出现问题。一旦将那些残缺的芯片全部拼接在一起，再次进行试验就会产生许多问题。学生在试验中，连线完成计算，但是没有看到运行最终效果，需要重复检查；之所以会耽误这么长的一段时间，主要是由于电线连接不当，导致了某个芯片的故障。

4.3基于Proteus的细粒度组成原理实验设计

在实验箱中增加一个新的模块，该组件是用741s181的改进的细颗粒化实验所需要的芯片组，使学生能够进行自主学习和思维训练。

在本章中，操作员可以按顺序进行多个精细的试验：①一比特全数运算。②行波型相加装置。③ BCD编码和/或相加。以上都是在数码应用中常用的基础单元。在此基础上，对所获得的数字进行了预置，从而获得一个给定的数字序列（例如2、3、6），再把它们插到对应的数字中，从而完成了乘法运算。通过增大方式的控制比特 M，可以实现行波进位加法器的相加。如果 M是0，则进行了相加操作；如果 M为1，则做完了减。用四位二进制表示一个十进制的 BCD编码进行加法时，如果使用二进制加法的法则，很有可能会在完成后进行修正，并且对加法以及调节电路进行设计。④8比特 CMOS可完成2比特的数字信号的输入与输出，并将其转化为模拟格式。最后一部分是16比特的 ADC，它用于变换模拟信号。Proteus的设计图如图1所示。

4.4改革效果

为测试改革的成效，三个班级在完成理论教学后，分别进行三个班级的实验教学，其余三个班级按照原来的实验计划进行。在本课程中，大部分同学的学习热情都比较高，课堂上有更多的同学在课堂上做了解答，最后的成绩见下图2。

因此，结构理论的改革，既可以提升学生的设计水平，又可以支撑研究生的毕业需求，让他们具备对复杂的计算机系统工程问题进行的解析与求解，能够根据科学的基本原则，运用科学的手段[5]，使用先进的技术手段，对复杂的电脑软件和软件进行研究、计划、设计与发展；具有一定的实际应用技能。

4.5实验扩展

本项目采用基于74LS373的通用寄存器组，将各个寄存器组作为单独的操作单元，并以其为基础，完成了多据操作与存储的功能；利用 VHDL语言对 FPGA （FPGA）进行了实际的应用，通过 VHDL语言对其进行了模拟，结果显示，其自身性能达到了预期的要求；与其他算法相比，本算法具有更快的运算能力和更好的稳定性，将各组件以总线形式进行联接和集成，并实现一套计算机模型。

5、总结

总而言之，计算机构成原理的理论性太强，太抽象，所以很多学生都不想接受这门课程。因此，加强对学生的理论知识和实践技能的训练是非常有意义的。在整个试验过程中，实验是核心的一个重要部分，而常规的硬件平台由于其系统的设计而不断的升级，使得系统的体系更加僵化。应用 Proteus模拟系统不但可以突破实验室的硬件平台局限，学生还能解决问题，而且能更好地了解软件的工作流程和工作状态，而且能根据需要自行开发软件，提高学生的创新能力和实践能力，是新形势下院校开展实验教学、实施应用综合型人才的新思路。

参考文献：

[1]王景珊，李淑兰.Proteus和TEC-4在计算机组成原理实验教学改革中的应用研究[J].科学咨询/教育科研，2020，26（13）.：1665-1669.

[2]夏晶晶.关于构建中职院校进阶式创新创业课程体系的探索[J].陕西青年职业学院学报，2019，16（38）：4396-4398.

[3]王金江，邓艳红，陈列尊，谢宇希.Proteus仿真软件在数电课程设计教学中的应用[J].教育现代化，2019，6（75）：111-112，115.

[4]田咪咪.Proteus在电子电路设计教学中的应用[J].科教文汇（中旬刊），2019（04）：89-90.

[5]兰勇，张朝阳，王伟，张少博.计算机组成原理教学改革探索与实践[J].计算机教育，2019（01）：13-15，20.