朱敏玲， 張 偉, 侯凌燕

(北京信息科技大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)學(xué)院；b. 網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

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基于Proteus的微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)改革

朱敏玲a,b， 張 偉a, 侯凌燕a

(北京信息科技大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)學(xué)院；b. 網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

針對(duì)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的概念抽象及實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，分析了傳統(tǒng)理論和實(shí)踐教學(xué)中存在的難點(diǎn)和問題，提出應(yīng)用仿真軟件Proteus的解決方法。在分析了Proteus對(duì)微機(jī)原理與接口技術(shù)授課內(nèi)容的器件、調(diào)試手段及環(huán)境等的支持程度后，通過實(shí)際的教學(xué)案例，對(duì)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面的改革進(jìn)行闡述和分析。通過這些教學(xué)案例的實(shí)踐證明，基于Proteus的理論和實(shí)踐教學(xué)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生的軟硬件綜合開發(fā)和設(shè)計(jì)能力、降低實(shí)驗(yàn)成本。

微機(jī)原理； 接口技術(shù)； 教學(xué)改革； Proteus

0 引 言

“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)學(xué)生必修的一門實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程[1-2]。課程跨越計(jì)算機(jī)硬件與軟件兩個(gè)層面的綜合知識(shí)，涉及的內(nèi)容多且枯燥，概念抽象不易理解[3]。在理論教學(xué)中, 用板書畫圖費(fèi)時(shí)費(fèi)力，用PPT 演示時(shí)，很難把復(fù)雜電路顯示清楚，且實(shí)例靜態(tài)枯燥，學(xué)生提不起興趣，教學(xué)效率低。在實(shí)踐教學(xué)中，往往因?qū)嶒?yàn)儀器設(shè)備與元器件、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)時(shí)間等的限制而放棄一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，挫傷學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和探索的積極性，而且學(xué)生通過不斷拆卸元器件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的方法，容易造成資源的浪費(fèi)，增加設(shè)計(jì)成本[4-5]。鑒于上述教學(xué)難題和困境，本文展開基于Proteus虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行微機(jī)原理與接口技術(shù)的理論和實(shí)踐教學(xué)的研究與探討。

1 Proteus與微機(jī)原理及接口技術(shù)的結(jié)合

Proteus虛擬仿真技術(shù)是通過英國(guó)Labcenter 公司開發(fā)的Proteus軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的[6]。該平臺(tái)是一款電路分析與實(shí)物仿真軟件，具有實(shí)驗(yàn)資源豐富、實(shí)驗(yàn)周期短、硬件投入少、實(shí)驗(yàn)過程損耗小和與實(shí)際設(shè)計(jì)接近程度大等優(yōu)點(diǎn)。其與微機(jī)原理與接口技術(shù)的完美結(jié)合主要體現(xiàn)如下。

首先，對(duì)8086CPU 及8251A、8253、8255A、8259A、ADC0809等相關(guān)接口芯片的支持比較完善，支持匯編語言、C語言及混合編程。更具有特點(diǎn)的是可以利用系統(tǒng)提供的虛擬的輸入輸出器件或設(shè)備，如開關(guān)、按鈕、鍵盤、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、LCD顯示器及圖形儀表等直觀實(shí)現(xiàn)信息的輸入輸出交互[7]。并同時(shí)能進(jìn)行編譯和仿真，能夠不接硬件電路直接實(shí)時(shí)地進(jìn)行程序仿真，課堂中可隨時(shí)打開軟件給學(xué)生直觀、生動(dòng)且實(shí)際的動(dòng)態(tài)演示其工作原理及工作過程[8]。也能夠利用硬件仿真器，通過連接微處理器的硬件電路，在仿真器中載入程序后進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真調(diào)試。

其次，同時(shí)支持模擬電路和數(shù)字電路仿真，并提供了示波器、信號(hào)發(fā)生器及邏輯分析儀等虛擬儀表。利用虛擬儀器可在仿真過程對(duì)外圍電路特性進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際硬件電路的調(diào)試能力。另外，具有的RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和LCD 系統(tǒng)仿真的功能有助于綜合實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究。

總之，它能基于微處理器連同所有外圍電路一起仿真，能在虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行編程和實(shí)時(shí)調(diào)試；它是一個(gè)全開放性的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備齊全的綜合性實(shí)驗(yàn)室。

2 理論教學(xué)改革與教學(xué)案例

傳統(tǒng)的教學(xué)體系和方法是先原理后實(shí)驗(yàn)，其授課順序多數(shù)為8086CPU硬件結(jié)構(gòu)、尋址方式與指令系統(tǒng)、匯編語言、系統(tǒng)構(gòu)成、外圍接口芯片原理與應(yīng)用、綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。理論教學(xué)學(xué)時(shí)至少是配備的實(shí)踐教學(xué)的2倍以上[9]，并且實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)多數(shù)在匯編語言程序設(shè)計(jì)之后才開始，軟硬件講解和介紹很難融合。這樣將導(dǎo)致的結(jié)果：首先，以講解大量的原理開頭和引導(dǎo)學(xué)生入門會(huì)使得學(xué)生理解非常困難從而感到非?？菰锖头ξ叮茈y再提起學(xué)生對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)興趣；其次，理論講解過多會(huì)使得課程安排頭重腳輕，實(shí)踐課程比例縮小，應(yīng)用設(shè)計(jì)能力很難提升；并且，先理論后實(shí)踐，容易造成實(shí)踐和理論相脫節(jié)，理論融入實(shí)踐的程度很難提升[10]。所以，應(yīng)在理論講解的過程中，不斷融入實(shí)踐環(huán)節(jié)。在課堂上,通過多媒體教學(xué)設(shè)備, 學(xué)生在Proteus軟件平臺(tái)的直接演示下,能夠直觀并清楚地看到從硬件電路設(shè)計(jì)到編程,再到調(diào)試的整個(gè)過程，以此來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)使得理論與實(shí)踐能夠緊密結(jié)合。

CPU時(shí)序與總線操作內(nèi)容是本門課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是學(xué)生真正走進(jìn)這門課的大門，同時(shí)也是較為難理解的部分。下面以此環(huán)節(jié)的理論教學(xué)過程為例闡述基于Proteus的理論教學(xué)改革方法。

CPU時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行過程中各個(gè)信號(hào)間的相互關(guān)系，其涉及很多專業(yè)術(shù)語和概念，綜合性強(qiáng)，對(duì)沒有工程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說很難理解，但其有利于學(xué)生深入理解指令的執(zhí)行過程。特別在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中進(jìn)行CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，在CPU與存儲(chǔ)器和IO端口的連接時(shí)為保證正確并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互需要考慮時(shí)序[11]。

首先，從宏觀上給學(xué)生講解CPU時(shí)序操作能夠?qū)崿F(xiàn)的功能操作：對(duì)存儲(chǔ)器和IO設(shè)備的讀寫操作；中斷響應(yīng)操作；系統(tǒng)復(fù)位操作等。在此過程中切入以前的總線操作、機(jī)器周期、總線周期、指令周期的概念和關(guān)系。實(shí)際上這些知識(shí)點(diǎn)都比較抽象、枯燥，學(xué)生基本都是以硬性的概念來理解和背記。在學(xué)生似懂非懂的時(shí)候，再利用Proteus仿真軟件進(jìn)行案例講解。選用常用并且容易理解的操作案例來講(學(xué)生已經(jīng)接觸到的)。如CPU與存儲(chǔ)器和IO設(shè)備的讀寫操作，因?yàn)樵趥€(gè)人電腦的使用過程中多數(shù)時(shí)間都是讀寫操作，比如進(jìn)行WORD文檔的存盤過程就是CPU的寫過程。通過鍵盤向電腦輸入信息的時(shí)候就是CPU的讀過程，這樣使得學(xué)生從抽象讀寫概念轉(zhuǎn)換到實(shí)際的信息交互過程中，同時(shí)它是最基本也是最重要的操作。從而使得本課程由原來的枯燥抽象的名詞解釋，變成現(xiàn)在生動(dòng)、淺顯與具體的概念，便于學(xué)生理解和掌握，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

圖1為8086CPU與IO芯片連接的系統(tǒng)原理圖，在課堂上通過Proteus軟件，能夠隨意被放大和縮小，學(xué)生可以直觀并清楚地看到CPU各管腳信號(hào)如何與外部IO芯片的連接方法和連接過程。進(jìn)一步鞏固上節(jié)課所學(xué)的CPU管腳功能特性，并能初步建立學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)概念。而在傳統(tǒng)的講課方法中，通常沒有這樣的系統(tǒng)原理圖，只是教師口授概念，學(xué)生很難進(jìn)入狀態(tài)，構(gòu)建系統(tǒng)概念固然很難實(shí)現(xiàn)。即使有，也是局部的，因?yàn)樵谝粡圥PT上很難清楚顯示整個(gè)系統(tǒng)原理圖。

圖1 8086CPU與IO芯片連接原理圖

圖2 信號(hào)仿真邏輯圖

還沒學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和尋址方式，但是正好引入下一章節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生預(yù)習(xí)下節(jié)課內(nèi)容的興趣，并且這樣能夠讓學(xué)生很好地把握各個(gè)章節(jié)的關(guān)系，便于本門課程的知識(shí)體系學(xué)習(xí)。最終使抽象深?yuàn)W的原理和概念建立在具體的例子之上，便于學(xué)生對(duì)這些原理和概念的理解。

圖3 源代碼執(zhí)行圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與教學(xué)案例

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法多數(shù)是利用硬件實(shí)驗(yàn)箱來完成，這存在著很多的不足。

首先，實(shí)驗(yàn)箱上芯片已經(jīng)固定、線路基本都已經(jīng)連接好。因而，實(shí)驗(yàn)箱上功能電路的限制、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較固定、實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)有限及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新受限[12]。并且實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中除了給出實(shí)驗(yàn)的任務(wù)與要求及實(shí)驗(yàn)的原理性說明外，也會(huì)給出實(shí)驗(yàn)線路的連接說明[13]。所以一般實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，通常學(xué)生照本宣科地完成教學(xué)大綱中所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。雖然這種方法能從一定程度上幫助學(xué)生熟悉微機(jī)系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)環(huán)境，但學(xué)生很難進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，影響創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

其次，實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格昂貴，容易損壞，因?qū)W生們多數(shù)都是第一次學(xué)習(xí)本門課程，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱的操作流程不能清晰的記在腦中，經(jīng)常會(huì)誤操作，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)箱造成一定損害[14]，而且學(xué)生也因此會(huì)畏手畏腳，不敢大膽嘗試，進(jìn)一步挫傷學(xué)生的積極性。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)箱只有固定的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室才有,微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱及配套的儀器設(shè)備由于受到場(chǎng)地、時(shí)間及資金等的限制，通常不會(huì)有充足的資源，即使全方位開放，學(xué)生也不能在課余時(shí)間隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)，很難滿足學(xué)生。下面以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例為例闡述基于Proteus的實(shí)踐教學(xué)方法。

3.1 課堂實(shí)踐教學(xué)案例

首先，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書只給出實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、目的、要求及一般原理性說明，不給出具體硬件原理圖及連接說明，學(xué)生必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的及要求在Proteus 中獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)硬件原理圖及連線方式。然后學(xué)生根據(jù)自己的原理圖編寫程序，再在Proteus 中仿真與反復(fù)調(diào)試。調(diào)試通過之后，根據(jù)原理圖在硬件實(shí)驗(yàn)箱搭建實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試、觀察實(shí)驗(yàn)效果、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以8255A的應(yīng)用接口實(shí)驗(yàn)為例講解基于Proteus的微機(jī)接口實(shí)踐教學(xué)過程。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求設(shè)計(jì)

(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹＠斫?255A并行接口芯片的工作原理；掌握其工作方式0下的工作特征及各端口設(shè)置方法；進(jìn)一步加深基于8086CPU的系統(tǒng)構(gòu)成方法。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。8255A的A口接邏輯電平開關(guān)K1～K8，B口接LED顯示電路D0～D7，電平開關(guān)K0～K7分別控制顯示電路中LED的D0～D7的亮與滅。

(3) 實(shí)驗(yàn)步驟。①根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)原理草圖；②在Proteus平臺(tái)中選擇器件并繪制詳細(xì)的原理圖；③根據(jù)所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)：④仿真與調(diào)試；⑤實(shí)際硬件搭建；⑥聯(lián)機(jī)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)效果的觀察與分析；⑦整理軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.1.2 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.3 軟件編程與實(shí)驗(yàn)調(diào)試

對(duì)于此實(shí)驗(yàn)，軟件編程主要考慮的是8255A的初始化及LED燈的顯示效果的控制。在8255A的初始化之前，從原理圖中分析：譯碼電路采用的是部分譯碼方式，若采用獨(dú)立編址方式，A口、B口、C口及控制口的地址分別為X8000H、X8002H、X8004H與X8006H；控制字為90H。LED燈的顯示效果的控制可以較為隨意的設(shè)計(jì)。

運(yùn)行Proteus，輸入源程序并保存為后綴名為.ASM的文件，然后編譯與調(diào)試，查看相關(guān)寄存器與存儲(chǔ)單元的內(nèi)容變化情況是否準(zhǔn)確，最后生成。HEX文件。此時(shí)，調(diào)用.HEX文件對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，相當(dāng)于虛擬的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果的查看，如圖5所示，DSW1單元中的3、4、5關(guān)閉時(shí)分別表示K3、K4與K5開關(guān)線路接通，運(yùn)行結(jié)果是D3、D4、D5的LED燈由原來黑色點(diǎn)亮為黃色，表示對(duì)應(yīng)LED燈已經(jīng)點(diǎn)亮了。

為了實(shí)驗(yàn)不脫離實(shí)際，利用Proteus提供的配套的硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)物的連接和驗(yàn)證，再次對(duì)軟硬件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與虛擬仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全部任務(wù)和要求。

3.2 課后實(shí)踐教學(xué)

目前的實(shí)踐教學(xué)都是在固定的實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行，時(shí)間、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和資源都有所限制。若采用網(wǎng)絡(luò)版的Proteus,可真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化以及實(shí)驗(yàn)室的開放。每個(gè)學(xué)生都可隨時(shí)通過授權(quán)賬號(hào)進(jìn)行Proteus的仿真和實(shí)驗(yàn)，則學(xué)生參與設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)大大增多，能夠得到充分的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。并且能夠不受限制的施展自己的想法，不斷提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新思維，也有利于提升‘實(shí)驗(yàn)設(shè)備’的利用率[15]。

圖4 8255A應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理圖

4 結(jié) 語

理論與實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新是計(jì)算機(jī)、電子信息、自動(dòng)化等專業(yè)人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。基于Proteus仿真軟件在微機(jī)原理與接口技術(shù)理論課程教學(xué)的應(yīng)用，有利于教師在理論課程上深入淺出的講解各種相關(guān)專業(yè)概念、有利于學(xué)生迅速掌握微機(jī)系統(tǒng)的整體特性與其應(yīng)用方法。對(duì)于實(shí)踐課，利用其虛擬的器件、儀器、總線接口等不但經(jīng)濟(jì)適用，而且消除了學(xué)生學(xué)習(xí)硬件電路時(shí)的恐懼心理，有利于學(xué)生大膽嘗試和創(chuàng)新。若條件允許，在虛擬實(shí)驗(yàn)之后再進(jìn)行實(shí)際的硬件搭建和實(shí)驗(yàn)，則能真正鍛煉學(xué)生的軟硬件的綜合開發(fā)和應(yīng)用能力。

圖5 仿真執(zhí)行效果圖

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Teaching Reform of Microcomputer Principles and Interface Technology Based on Proteus

ZHUMin-linga,b，ZHANGWeia，HOULing-yana

(a． School of Computer Science; b. Beijing Key Laboratory of Internet Culture and Digital Dissemination Research, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China)

In view of abstract concept and practical and comprehensive features in the course of microcomputer principle and interface technology, this paper analyzes the difficulties and the problems existed in the traditional theory and practice teaching, then it proposes a method based on Proteus simulation software to resolve these difficulties and problems. After it analyzes the relation between the course and the Proteus from components, debugging tool and design environment, and so on, the theory and practice teaching reform is presented and analyzed through some actual teaching cases. And the practice tests prove that these methods based on Proteus in theory and practicing teaching could improve the students' study interest, train the students' comprehensive capability of development and design on hardware and software, and reduce the experiment cost.

microcomputer principle; interface technology; teaching reform; Proteus

2015-02-27

北京市自然科學(xué)基金(9144028);教學(xué)改革項(xiàng)目(2014KG36)；網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(ICDD201509)；京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IDHT20130519)

朱敏玲(1979-)，女，黑龍江哈爾濱人，博士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與數(shù)據(jù)挖掘。

Tel.：15210906179；E-mail:zhuminling@bistu.edu.cn

TP 391.9；G 4642.0

A

1006-7167(2016)01-0155-06