楊杜　趙文進(jìn)

摘要：針對“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問題，提出了基于Proteus仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教改方法。介紹了一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例——利用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)3-路搶答器。通過該實(shí)例分析獲知基于Proteus仿真在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用方法、仿真過程和優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理與接口技術(shù)；Proteus；8255A；8253

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2012)36-8730-03

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是計(jì)算機(jī)、電子信息、自動(dòng)化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程要求學(xué)員掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及使用，學(xué)會(huì)運(yùn)用指令系統(tǒng)和匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，熟悉各種典型的接口芯片和接口技術(shù)及其具體的應(yīng)用，全面培養(yǎng)學(xué)員的微機(jī)軟、硬件設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力，培養(yǎng)工程意識、工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。該課程概念抽象，知識點(diǎn)多，實(shí)踐性強(qiáng)，并具有理論與實(shí)踐、硬件與軟件相結(jié)合等特點(diǎn)。因此教學(xué)過程中除課堂的理論學(xué)習(xí)外，還需要良好的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)與之配合。優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)課不僅可以提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步加深對微機(jī)結(jié)構(gòu)、匯編語言等知識的理解，還使學(xué)員對計(jì)算機(jī)內(nèi)部原理和一些芯片的工作流程有了更直接的感性認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在對學(xué)員動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)方面起著理論教學(xué)不可替代的作用。該文論述了采用Proteus仿真技術(shù)進(jìn)行微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教改新思路，并結(jié)合實(shí)例介紹了具體實(shí)驗(yàn)方法。

1 微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)主要分單板機(jī)操作、匯編語言程序設(shè)計(jì)練習(xí)和接口電路實(shí)驗(yàn)三大部分。其中接口電路實(shí)驗(yàn)主要有：存儲器讀寫實(shí)驗(yàn)、基本輸入輸出實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、8255A芯片實(shí)驗(yàn)、8253芯片實(shí)驗(yàn)、串行接口實(shí)驗(yàn)、DMA實(shí)驗(yàn)、D/A和A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)等[1]。

目前接口電路實(shí)驗(yàn)主要是通過硬件實(shí)驗(yàn)箱如TPC-H的操作來完成。這種方式存在著如下的限制[2-3]：

1）靈活性限制。實(shí)驗(yàn)箱的線路、芯片多已固定，多開展驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，而學(xué)員只要按照固定的步驟進(jìn)行就可，不能靈活自由的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這就導(dǎo)致學(xué)員缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

2）創(chuàng)新性限制。由于實(shí)驗(yàn)箱硬件的限制，實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容常常很難擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)的個(gè)數(shù)有限，內(nèi)容固定，很難緊跟技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行創(chuàng)新和更新。每個(gè)學(xué)員的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容千篇一律，學(xué)員就得不到拓展應(yīng)用以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，從而缺乏對學(xué)員創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

3）開放性限制。由于實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量少和維護(hù)難等原因，硬件實(shí)驗(yàn)室的開放性受到了限制，因此學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)課前進(jìn)行很好的準(zhǔn)備工作。同樣學(xué)員也很難利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電子設(shè)計(jì)競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)等課外科技活動(dòng)。

4）經(jīng)濟(jì)性限制。實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格非常昂貴，且極易受到損壞，維護(hù)也比較困難，必需專門人員管理。由于價(jià)格因素，實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量少，實(shí)驗(yàn)課常常要分很多批次才能展開，實(shí)驗(yàn)保障困難。經(jīng)費(fèi)問題也制約了實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的更新和該課程的建設(shè)。

建立Proteus仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺是突破“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀中的諸多限制一種可行的教改方法。另外，還可借助網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能使該實(shí)驗(yàn)平臺具有更高的推廣使用價(jià)值，發(fā)揮出最大的教學(xué)效益。

2 Proteus仿真軟件簡介[2-5]

Proteus是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，最新版本為Proteus 8.0。該軟件的原理圖布圖、代碼調(diào)試到CPU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)。Proteus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，其處理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、MSP 430、8086等。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

2009年Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺及Proteus 7.5 SP3軟件，支持8086微處理器與8255A、8253、8259、8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真。基于此軟件建立“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課的仿真實(shí)驗(yàn)平臺如同一個(gè)設(shè)備齊全的的實(shí)驗(yàn)室。教員可借助此平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)員也可以在課程設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面得到此仿真實(shí)驗(yàn)平臺的幫助。

3 基于Proteus的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程要求學(xué)員熟練掌握8255A的功能、結(jié)構(gòu)組成和工作方式；掌握8255A接口電路設(shè)計(jì)，工作方式選用和方式控制字設(shè)置、初始化編程及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。目前使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行的8255A實(shí)驗(yàn)主要有8255A與七段數(shù)碼管、8255A控制繼電器和交通燈控制等幾個(gè)實(shí)驗(yàn)[1]。實(shí)驗(yàn)中教員把程序編寫好，學(xué)員照著教員的步驟連接好各種線路，再把程序錄入、調(diào)試運(yùn)行，觀察結(jié)果寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告就行了。由于操作流程單一，學(xué)員的實(shí)驗(yàn)報(bào)告都是一個(gè)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)效果不佳。這造成學(xué)員對實(shí)驗(yàn)興趣不夠，束縛了學(xué)員的創(chuàng)新思維。

這里給出基于Proteus的8255A的接口擴(kuò)展電路仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)例——設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3-路搶答器。通過該實(shí)例可以簡單了解到基于Proteus仿真在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用方法和仿真過程。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的對比可以深切體會(huì)Proteus仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 實(shí)例的設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

實(shí)驗(yàn)實(shí)例的設(shè)計(jì)任務(wù)是：利用數(shù)碼管等設(shè)計(jì)完成3-路搶答器。要求能顯示哪路搶答成功，并能清除顯示，以備下次使用。

實(shí)驗(yàn)實(shí)例的設(shè)計(jì)要求：1）能控制搶答是否開始；2）鎖定顯示最先搶答的選手號；3）能在一段時(shí)間以后發(fā)出報(bào)警信號；4）報(bào)警結(jié)束后數(shù)碼管清零，等待下次搶答開始。

這個(gè)實(shí)例需要一片8255A和一片8253。

3.3實(shí)例的軟件設(shè)計(jì)

程序主要通過讀取8255A端口A的數(shù)據(jù)，判斷PA0值確定搶答是否開始，再使用查詢方式讀取PA1-PA3數(shù)據(jù)判斷是哪一個(gè)選手成功搶答。向8255A端口B輸出成功搶答選手的編號，通過延時(shí)程序利用數(shù)碼管顯示成功搶答選手的編號。具體算法和程序參考相關(guān)教材和資料。源程序的流程圖如圖2所示。

3.4實(shí)例的調(diào)試與運(yùn)行

Proteus本身未提供8086編譯器，而是通過添加外部代碼編譯器，將編寫好的源程序加入工程，編譯并生成可執(zhí)行程序。本實(shí)例采用EMU8086軟件提供的編譯環(huán)境進(jìn)行程序的編寫和編譯。EMU8086是一款基于Windows的8086匯編語言編譯、調(diào)試軟件，其界面友好、操作簡單，得到了較為廣泛的應(yīng)用[6-7]。程序編譯正確后，將生成.COM格式的可執(zhí)行文件。

Proteus支持多種程序調(diào)試方式，Proteus中的8086模型能直接加載BIN、COM和EXE格式的文件到內(nèi)部RAM中去，而不需要DOS，并且允許對Microsoft（Codeview）和Borland格式中包含了調(diào)試信息的程序可以進(jìn)行源和/或反匯編級別的調(diào)試[2,3]。一種簡單的程序調(diào)試方法是：進(jìn)入Proteus軟件的ISIS環(huán)境，將程序文件加載到8086模型中；點(diǎn)擊運(yùn)行鍵，仿真電路開始運(yùn)行，通過觀察運(yùn)行效果判斷硬、軟件設(shè)計(jì)的正確性。

在該實(shí)例的調(diào)試過程中遇到的主要問題是：搶答問題，即一個(gè)人先按下則其他選手按下無效的問題。這里可以利用數(shù)碼管顯示搶答選手編號，并判定PA0值，若閉合（未開始新的搶答）則循環(huán)一直顯示前次搶答成功的選手編號。

4 結(jié)論

在上面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例的開展過程中，Proteus仿真軟件很好地克服了實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)固定、操作流程單一的缺點(diǎn)，學(xué)員的電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)都有多種方案。還可以從3-路搶答器自由擴(kuò)展為4-路或更多路。這些都給了學(xué)員更多的實(shí)踐和鍛煉的機(jī)會(huì)，讓他們在掌握各種接口芯片使用方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)多種應(yīng)用系統(tǒng)，培養(yǎng)了整機(jī)概念、創(chuàng)新思維以及軟硬件開發(fā)的綜合能力。學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)Proteus仿真軟件具有使用方便，操作簡單，不需要實(shí)際電路板、芯片、線路焊接，并且調(diào)試方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一目了然等特點(diǎn)。

同時(shí)，基于Proteus仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，僅需一臺安裝了Proteus軟件的電腦就可以。這方便了學(xué)員在宿舍、機(jī)房等地不受時(shí)間和空間的限制開展“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)競賽等。而且，網(wǎng)上資料很多，可以開展的實(shí)驗(yàn)很豐富，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由簡到繁，由淺入深，循序漸進(jìn)，既可以進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。目前使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行的8255A實(shí)驗(yàn)都能利用Proteus仿真軟件開展，而反之則不行。

總之，基于Proteus仿真的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為本課程的實(shí)踐教學(xué)提供了教改思路，不僅有助于提高教學(xué)質(zhì)量，改善實(shí)踐教學(xué)效果，而且有助于改善學(xué)員的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和提高學(xué)員對本課程的興趣性。這對學(xué)員的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的提高幫助很大。

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