基于Multisim的聾生計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)

李 凱， 張書珍， 韓 梅

(天津理工大學(xué) 聾人工學(xué)院， 天津 300384)

引言

《計(jì)算機(jī)組成原理》是聾人大學(xué)生計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，在聾生計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)方案中起著承上啟下的作用。在學(xué)習(xí)了邏輯數(shù)字電路、電工電子技術(shù)等先行課程后，學(xué)生對(duì)基本元器件的功能的使用有了基本的認(rèn)識(shí)。通過《計(jì)算機(jī)組成原理》的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生掌握一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理和基本設(shè)計(jì)技術(shù)?！队?jì)算機(jī)組成原理》的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要包括運(yùn)算方法及運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、通用寄存器實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)器和總線系統(tǒng)、微程序控制單元實(shí)驗(yàn)等，在綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生要完成一個(gè)小型的基本模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)是選擇專用的實(shí)驗(yàn)箱CH-2000來規(guī)范構(gòu)建。在長期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱有以下缺點(diǎn)：

(1)實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量有限，不能保證一人一箱，通常是2～3人共用一箱。

(2)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱模式對(duì)于聾人大學(xué)生的課堂知識(shí)接受度很低。計(jì)算機(jī)硬件課程的特點(diǎn)是從底層探討計(jì)算機(jī)的組成及工作原理，涉及數(shù)學(xué)、物理的知識(shí)較多，如電子電路分析、對(duì)邏輯數(shù)字電路的分析等，對(duì)于聾生而言，頗顯枯燥，而且聾生在學(xué)習(xí)中只是模仿連線，簡單驗(yàn)證，不利于學(xué)生設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)。

(3)單純的實(shí)驗(yàn)箱方式的實(shí)驗(yàn)講解不利于面向聾生的教學(xué)。學(xué)生常會(huì)忽略教師的手語，從而漏掉講授的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(4)目前面向聾生的計(jì)算機(jī)專業(yè)的各類硬件課程中，這些課程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)都涉及各自的實(shí)驗(yàn)箱，但由于實(shí)驗(yàn)箱在采購中存在廠家不同、型號(hào)不同等特點(diǎn)，課程之間的內(nèi)在聯(lián)系未能充分體現(xiàn)，學(xué)生不能形成系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)體系，綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)比較欠缺[1]。

結(jié)合聾人大學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和思維方式的特點(diǎn)，面向聾生的計(jì)算機(jī)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該定位在應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，以及動(dòng)手實(shí)踐能力的提升與增強(qiáng)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展，給硬件課程的教學(xué)提供了新的思路。目前硬件課程教學(xué)內(nèi)容從基本的 MOS 管、集成電路到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及外圍接口電路，硬件實(shí)驗(yàn)已發(fā)展為由實(shí)驗(yàn)儀與 EDA、VHDL 和 CPLD/FPGA 等仿真器聯(lián)合承擔(dān)的階段[2]，這種原理設(shè)計(jì)—模擬實(shí)現(xiàn)—最終實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)形式能將軟、硬件結(jié)合為一個(gè)統(tǒng)一整體，教師可以把課程實(shí)驗(yàn)用仿真軟件進(jìn)行仿真、模擬調(diào)試后再轉(zhuǎn)入真正的硬件實(shí)現(xiàn)，仿真軟件還可以清晰展現(xiàn)元器件的工作特性。學(xué)生可以不受時(shí)間限制地進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)。使用Multisim 12.0設(shè)計(jì)展開硬件課程的仿真實(shí)驗(yàn)可以使硬件課程之間實(shí)現(xiàn)無縫銜接，在整合每門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，避免知識(shí)點(diǎn)重復(fù)或遺漏，有利于構(gòu)筑聾生的硬件思維，拓展設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，培養(yǎng)硬件系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)能力[3]。

Multisim 12.0是在2012年3月由美國國家儀器(National Instruments,NI)推出的主要用于電路設(shè)計(jì)和電子教學(xué)的專用版本。不僅可以用軟件仿真硬件實(shí)驗(yàn)，電路的原理圖輸入、構(gòu)建、仿真、分析和結(jié)果顯示均在同一個(gè)環(huán)境中完成，無需在不同的應(yīng)用程序間來回切換[4]；而且，還具有豐富的虛擬儀器，生動(dòng)的仿真顯示，可以加強(qiáng)聾生對(duì)所學(xué)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，可以脫離實(shí)驗(yàn)箱通過軟件仿真看到運(yùn)行結(jié)果，更適合聾生的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 Multisim仿真實(shí)驗(yàn)方案

1.1 移位寄存器實(shí)驗(yàn)仿真

移位寄存器實(shí)驗(yàn)是《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中具備基礎(chǔ)效用的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解移位寄存器的硬件電路組成，驗(yàn)證移位控制與寄存的組合功能，實(shí)現(xiàn)寄存器的移位操作。

CH-2000計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱使用一片74LS299作為移位發(fā)生器。74LS299是八位雙向通用移位寄存器，其中八位輸入/輸出端已與總線單元設(shè)定了連接。由299-B信號(hào)控制其使能端，實(shí)驗(yàn)時(shí)按動(dòng)“單步”命令鍵產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，脈沖信號(hào)由T4時(shí)序輸送產(chǎn)生。由S0、S1、M控制信號(hào)設(shè)置其運(yùn)行狀態(tài)，控制特性見表1。

由于Multisim 12.0中的元器件中不包括74LS299，因此研究選擇與其相似的四位雙向通用寄存器74LS194代替。在Multisim 12.0的元件庫中，選擇74LS中的集成塊系列,選項(xiàng)中的74LS194DHE 74LS194N僅僅是IC的封裝分別為SOIC(小外形集成電路封裝)和PDIP(塑料雙列直插式封裝)，對(duì)IC的性能無影響。在繪制仿真圖中運(yùn)用了74LS194N，仿真電路即如圖1所示。

表1 74LS299控制特性Tab. 1 Control features of 74LS299

圖1 Multisim中移位寄存器的仿真電路Fig. 1 Simulation circuit of shift register in Multisim

圖1中,J2、J9和J1均表示撥碼開關(guān)。其中，J2掌控著對(duì)數(shù)據(jù)A、B、C、D賦初值，為了仿真效果明顯，最好不要設(shè)為全0或全1。J9設(shè)計(jì)用于M的置數(shù)，當(dāng)M=1時(shí)，控制帶進(jìn)位的循環(huán)左移和右移。J1則可支持對(duì)S0和S1的置值，靈活選控移位寄存器的功能。SL和SR用于控制將會(huì)發(fā)生循環(huán)左移還是右移。J8=0表示清0，此時(shí)其他輸入為任意值，輸出端的LED5～LED8均為燈滅狀態(tài)。初始狀態(tài)下，令S0=1,S1=1,將A、B、C、D的值裝入寄存器，按一下CLK，加CP脈沖，此時(shí)運(yùn)行仿真，由LED5～LED8燈亮的狀態(tài)情況可以看出結(jié)果為ABCD，數(shù)據(jù)裝載成功。改變J1使S0=1,S1=0，多次按下CLK，加CP脈沖，觀察LED6～LED8燈亮的情況，可以看到左移的仿真結(jié)果。而當(dāng)S0=0,S1=1時(shí)，可以看到右移的結(jié)果。

1.2 進(jìn)位加法器實(shí)驗(yàn)的仿真

在計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)中，使用實(shí)驗(yàn)箱來設(shè)計(jì)驗(yàn)證74LS181運(yùn)算器的算術(shù)邏輯運(yùn)算。為了使學(xué)生深入理解74LS181的工作原理，研發(fā)中增加了進(jìn)位加法器利用Multisim 12.0仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)4位串行加法器和并行加法器的實(shí)驗(yàn)仿真。根據(jù)加法器工作原理，若Ai、Bi為參加運(yùn)算的2個(gè)數(shù)，Si為2個(gè)數(shù)相加的和Ci為低位向高位的進(jìn)位，Ci+1為2個(gè)數(shù)相加后向高位的進(jìn)位，則有：Si=Ai?Bi?Ci；Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi=AiBi+(Ai?Bi)Ci。圖2所示即為4位進(jìn)位加法器的仿真實(shí)驗(yàn)圖的串行加法器部分。圖2中CLA電路中的與門、或門、異或門均利用TTL工具箱中74系列提供的工具來搭建繪制，旨在使學(xué)生簡單明了地觀察2個(gè)數(shù)相加后的結(jié)果。圖2中U58異或門的輸出為S0，U57或門輸出為C0，電路采用單符號(hào)位法的溢出檢測(cè)邏輯。當(dāng)Ci=Ci-1時(shí),運(yùn)算沒有溢出；當(dāng)Ci≠Ci-1時(shí),運(yùn)算有溢出,經(jīng)異或門產(chǎn)生溢出信號(hào)。從圖2中可以看到串行加法器的行波進(jìn)位的實(shí)現(xiàn)過程。仿真中采用自帶譯碼器的7段數(shù)碼管DCD_HEX_DIG_BLUE作為結(jié)果的顯示，撥動(dòng)撥碼開關(guān)J1和J4,輸入A=0100，B=0010的值，圖2中7段數(shù)碼管顯示的仿真結(jié)果是6。從仿真圖中可以推知，串行加法器的進(jìn)位方式是將全加器級(jí)聯(lián)構(gòu)成多位加法器，高位必須等待低位的進(jìn)位才能運(yùn)算，因此會(huì)影響運(yùn)行速度。

圖2 4位串行進(jìn)位加法器仿真電路圖Fig. 2 Simulation circuit diagram of 4-bit serial carry adder

使用并行進(jìn)位加法器可以解決串行進(jìn)位加法器的速度慢的問題，根據(jù)并行加法器進(jìn)位鏈操作，可以得到：

C1=Y0+X0C0

C2=Y1+X1C1=Y1+X1Y0+X1X0C0

C3=Y2X2C2=Y2+X2Y1+X2X1Y0+X2X1X0C0

C4=Y3+X3C3=Y3X3Y2+X3X2X2Y0+

X3X2X1X0C0

令Yi=AiBi,Xi=(Ai?Bi)，其中Yi為4位進(jìn)位加法鏈的進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)，Xi為4位進(jìn)位加法鏈的進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)，如圖3所示則為并行進(jìn)位加法器的仿真實(shí)驗(yàn)圖。并行進(jìn)位加法器設(shè)有并行進(jìn)位產(chǎn)生邏輯，運(yùn)算速度快；可以通過增加示波器看到時(shí)間長短的仿真效果。本次課程的仿真實(shí)驗(yàn)中只是設(shè)計(jì)了4位加法器的仿真，并且隨著位數(shù)的增加，相同位數(shù)的并行加法器比串行加法器的時(shí)間差距效果會(huì)更加明顯，但資源占用方面的差異也會(huì)越來越大。

圖3 并行進(jìn)位加法器仿真電路圖Fig. 3 Parallel carry on simulation circuit diagram

2 Multisim仿真計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用

聾人大學(xué)生學(xué)習(xí)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程之前已經(jīng)具備了前期的門電路知識(shí)，但是沒有接觸過相關(guān)的仿真軟件。在進(jìn)行組成原理實(shí)驗(yàn)的仿真之前，可以指導(dǎo)學(xué)生使用Multisim軟件設(shè)計(jì)基本的仿真電路，如基于譯碼器設(shè)計(jì)的三人表決器、基于優(yōu)先編碼器設(shè)計(jì)的八人搶答器、基于模8計(jì)數(shù)器的紅綠燈控制電路、基于移位寄存器的彩燈控制電路等，而后再陸續(xù)過渡到組成原理中的運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器和總線實(shí)驗(yàn)以及基本模型機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)節(jié)中。通過讓學(xué)生親自設(shè)計(jì)研發(fā)一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件和功能，如此即可使學(xué)生真真切切感受到如何設(shè)計(jì)一個(gè)可獨(dú)立工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，強(qiáng)化和提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，同時(shí)打造學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力[5]。仿真實(shí)驗(yàn)還可以給學(xué)

生提出思考問題，并由學(xué)生自行驗(yàn)證得到的答案想法。如在74LS181運(yùn)算器的通路中，輸入鎖存器有什么作用？可不可以去掉？74LS244緩沖存儲(chǔ)器有什么作用？可不可以去掉？這些問題可以促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中加入創(chuàng)意，也可以讓學(xué)生直接看到仿真的效果，對(duì)學(xué)生理解相關(guān)的理論知識(shí)頗具幫助指導(dǎo)之現(xiàn)實(shí)功效。

3 結(jié)束語

在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用Multisim對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，教師可以結(jié)合理論課程的教學(xué)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的引領(lǐng)深化理論教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以從底層細(xì)節(jié)理解課程中枯燥的理論知識(shí)點(diǎn)。在使用組成原理實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以將零散的知識(shí)匯集成整機(jī)的概念，綜合考慮各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性[6]。開闊學(xué)生的視野、培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，以及延伸、拓展學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣。對(duì)硬件知識(shí)感興趣的學(xué)生還可以通過開展學(xué)生科技活動(dòng)和參加大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)豐富自身的科研能力，為增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力提供有效基礎(chǔ)和良好的參考依據(jù)。

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