王詠寧++馮桂蓮

摘 要：針對微機(jī)原理與接口技術(shù)課程抽象難講、實驗受到硬件環(huán)境制約等問題，在教學(xué)及實驗中引入虛擬儀器平臺，以有效的提高教學(xué)及實驗效果。利用LabVIEW高效直觀的開發(fā)環(huán)境，對各種接口芯片進(jìn)行功能仿真，構(gòu)建出直觀的基本輸入/輸出實驗界面，實驗者通過接連圖分析出端口地址，在前面板上輸入相應(yīng)地址，選擇相應(yīng)指令，可直觀的看到實驗結(jié)果，對深入理解基本輸入/輸出操作、端口地址譯碼，以及無條件輸入輸出方式都有很好的幫助，可作為實驗箱實際實驗的輔助平臺。利用LabVIEW設(shè)計的虛擬平臺可以有效的豐富教學(xué)方法與手段，對提高學(xué)生實際動手能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力有著積極的意義，在實際教學(xué)中也取得了不錯的效果。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；微機(jī)原理與接口技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是計算機(jī)、通信、電子等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程以Intel80×86系列微處理器為平臺，主要講述了微型計算機(jī)的基本組成、工作原理、編程結(jié)構(gòu)、匯編語言、I/O接口技術(shù)等內(nèi)容[1]。由于課程涉及知識面廣、微機(jī)內(nèi)部芯片高度集成化，在實際教學(xué)中基本工作原理抽象難講、傳統(tǒng)教學(xué)中理論與實踐分開教學(xué)、實驗由于受到硬件環(huán)境的制約，也不便于學(xué)習(xí)者隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)、驗證和應(yīng)用，在這種情況下造成了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不高、實踐動手能力較弱的情況[2]。利用虛擬儀器技術(shù)針對教學(xué)和實驗的需求，開發(fā)出虛擬實驗平臺，可以有效的解決以上問題，在自己的電腦上利用虛擬實驗平臺就可以方便地把“實驗室”搬進(jìn)課堂和學(xué)生宿舍，利用虛擬平臺教師可以將一些難于表述的問題更直觀的展現(xiàn)出來、學(xué)生實踐不受時間、場地的限制，在學(xué)習(xí)理論知識的同時，對照演示、觀察現(xiàn)象分析結(jié)果，對提高學(xué)生實際動手能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力有著積極的意義。

2 LabVIEW軟件介紹（LabVIEW software

introduction）

LabVIEW軟件是美國NI公司開發(fā)，應(yīng)用最為廣泛的圖形化編程軟件之一，用它開發(fā)的虛擬儀器具有界面友好美觀、功能強(qiáng)大、開發(fā)效率高、成本低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點，是目前開發(fā)虛擬儀器的主流工具[3]。利用其提供的大量控件、工具和函數(shù)可以仿真出芯片的實際功能，并可將各種信號以波形或數(shù)字量直觀的顯現(xiàn)出來，因此LabVIEW軟件在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)實驗中有重要的現(xiàn)實意義[4]。

3 各模塊仿真設(shè)計（Simulation design of each

module）

輸入/輸出是計算機(jī)與外部世界進(jìn)行信息交換不可缺少的功能，在整個計算機(jī)系統(tǒng)中占有極其重要的地位[5]。實驗要求學(xué)生利用74LS244和74LS273實現(xiàn)外設(shè)數(shù)據(jù)的輸入輸出，通過實驗使學(xué)生熟悉常用接口的應(yīng)用方法、掌握使用74LS138對I/O端口地址的譯碼方法、實現(xiàn)端口數(shù)據(jù)的輸入/輸出程序設(shè)計方法，實驗中使用的接口芯片74LS244、74LS273和74LS138分別建成子VI，方便在使用時直接調(diào)用。

3.1 輸入接口74LS244模塊的仿真設(shè)計

輸入接口要具有對數(shù)據(jù)的控制能力，74LS244內(nèi)部由八個三態(tài)門構(gòu)成，控制端E1和E2同時為低電平時可以使八個三態(tài)門同時導(dǎo)通，實驗中用一片74LS244作為輸入接口連接八個開關(guān)，當(dāng)CPU讀74LS244的端口時，就可以測量出這些開關(guān)當(dāng)前的狀態(tài)是打開還是閉合的[6]。用一個條件語句構(gòu)成三態(tài)門，程序如圖1所示，74LS244程序中當(dāng)E1和E2為低電平時將輸入口I0-I7的8位數(shù)據(jù)通過八個三態(tài)門經(jīng)D0—D7被讀入CPU，程序如圖2所示。

圖1 三態(tài)門程序框圖

Fig.1 Three state gate circuit program chart

圖2 74LS244程序框圖

Fig.2 74LS244 program chart

3.2 輸出接口74LS273模塊的仿真設(shè)計

輸出接口要具有數(shù)據(jù)的鎖存能力，74LS273內(nèi)部包含了八個D觸發(fā)器，在脈沖輸入端的上升沿將輸入端D0—D7的狀態(tài)鎖存在Q0—Q7輸出端，并將此狀態(tài)保持到下一個時鐘脈沖的上升沿[7]。本實驗中使用一片74LS273作為輸出接口，八個Q端與八個發(fā)光二極管相連接，D觸發(fā)器程序如圖3所示，當(dāng)CP有效時將D輸入端數(shù)據(jù)鎖存至Q端，74LS273程序如圖4所示，其內(nèi)部調(diào)用八個D觸發(fā)器，為便于接線，程序中將8位輸入和輸出信號捆挷為簇。

圖3 D觸發(fā)器程序框圖

Fig.3 D trigger program chart

圖4 74LS273程序框圖

Fig.4 74LS273 program chart

3.3 74LS138譯碼器模塊設(shè)計

實驗中I/O端口地址的譯碼使用專用譯碼器74LS138進(jìn)行地址譯碼，程序框圖如圖5所示，G1、G2A、G2B為譯碼器的三個使能輸入端，當(dāng)G1=1、G2A=G2B=0時，譯碼器允許工作（Enable），否則禁止（Disable），A、B、C為譯碼器的三條輸入線，不同的輸入組合決定了輸出端Y0—Y7的狀態(tài)，其中只有一個輸出有效[8]，程序中用復(fù)合或邏輯運算函數(shù)，按74LS138特性方程如圖6所示，編寫出能夠完成3—8譯碼器的邏輯關(guān)系。

圖5 74LS138程序框圖

Fig.5 74LS138 program chart

圖6 74LS138特性方程

Fig.6 74LS138 characteristic equation

4 基本輸入/輸出接口擴(kuò)展實驗（Basic input/output

experiment）

實驗用74LS138作I/O端口地址的譯碼器，要求學(xué)生根據(jù)譯碼電路分析出各接口芯片的端口地址，用八個邏輯電平開關(guān)K1—K8作為74LS244的輸入，用八個發(fā)光二極管L1—L8作為74LS273的輸出，編寫程序，使得邏輯電平開關(guān)的輸入狀態(tài)從發(fā)光二極管上顯示出來。邏輯電平開關(guān)閉合時為‘1，打開時為‘0。發(fā)光二極管輸入“1”為亮，“0”為滅。

4.1 前面板設(shè)計

前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都與傳統(tǒng)儀器面板相似，按功能可分為輸入和顯示兩種控件[9]。如圖7所示，前面板用到的輸入控件有：端口地址輸入框、K1—K8開關(guān)、命令選擇下拉列表框、執(zhí)行指令確定按鈕、結(jié)束按鈕。相應(yīng)的顯示控件包括：實驗說明文本顯示框、L1—L8指示燈、AL數(shù)組元素顯示，為了便于實驗者分析結(jié)果，還在地址線上添加了指示燈及數(shù)值顯示等控件。實驗者根據(jù)連接圖輸入端口地址后在地址總線上就可產(chǎn)生相應(yīng)的地址信息，該地址經(jīng)邏輯電路生成74LS138的輸入信號并決定其輸出，本實驗中譯碼電路采用部分譯碼方式，Y0接74LS244的選片信號，其端口地址為0480H—048FH中所有偶地址；Y1接74LS273的選片信號，其端口地址為0490H—049FH中所有偶地址，選中相應(yīng)端口后在命令列表框中可選擇輸入或輸出指令，按下執(zhí)行指令確定按鈕后即可讀入開關(guān)數(shù)據(jù)或?qū)L中數(shù)據(jù)輸出給發(fā)光二極管。

圖7 前面板

Fig.7 The front panel

4.2 主程序框圖

主程序如圖8所示，外部由一個While循環(huán)控制，在里面嵌套使用了順序結(jié)構(gòu)，第一幀中先將指令中輸入的端口地址轉(zhuǎn)化成16位的二進(jìn)制地址，并捆挷為一個數(shù)組，便于進(jìn)行地址譯碼和顯示，調(diào)用74LS138子VI將輸出的Y0、Y1送入第二幀中，在第二幀中用戶操作執(zhí)行指令確定按鈕后將片選信號送到一個條件框，Y0輸入有效則打開74LS244子VI，若執(zhí)行了IN指令則將開關(guān)數(shù)據(jù)讀入AL中，若Y1輸入有效則打開74LS273子VI，當(dāng)執(zhí)行OUT指令后即可將AL中的數(shù)據(jù)輸出到指示燈，AL中的數(shù)據(jù)在下次輸入操作前通過移位寄存器保存起來，為了便于學(xué)習(xí)者理解I/O端口的地址譯碼，在前面板添加了顯示地址和選擇端口的文本信息，在第二幀中對輸入的端口地址進(jìn)行查對后可將選中的芯片顯示在前面板上，并對相應(yīng)芯片高亮顯示。

圖8 主程序框圖

Fig.8 The main program block diagram

5 結(jié)論（Conclusion）

試驗中學(xué)生通過接連圖分析出端口地址，在前面板上輸入相應(yīng)地址，選擇相應(yīng)指令，通過輸入接口讀取開關(guān)的數(shù)據(jù)，并將讀到的數(shù)據(jù)通過輸出接口送到發(fā)光二極管上，對學(xué)生深入理解基本輸入/輸出操作、端口地址譯碼以及無條件輸入輸出方式都有很好的幫助，可作為實驗箱實際實驗的輔助平臺，在實際教學(xué)中也取得了不錯的效果?；贚abVIEW開發(fā)的虛擬實驗具有界面美觀，操作簡便直觀的優(yōu)點[10]，能將枯燥抽象的理論變得生動可見，教師和學(xué)生可以不受時間地點限制，在課堂或宿舍方便的通過電腦進(jìn)行實驗，對提高學(xué)生的實際動手和創(chuàng)新應(yīng)用能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有著積極的意義。

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作者簡介：

王詠寧（1971-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用.

馮桂蓮（1979-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：信息系統(tǒng)，圖像處理.