薛娓娓，李娣娜，王巧霞

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100）

基于Proteus的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

薛娓娓，李娣娜，王巧霞

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100）

文章分析了“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題，提出將仿真軟件Proteus引入“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，教學(xué)效果好。

微機(jī)原理與接口技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Proteus

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是高校電子信息類工科專業(yè)的一門專業(yè)課程，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，使學(xué)生掌握Intel 8086 CPU構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)的三大知識(shí)模塊：深入寄存器層面學(xué)習(xí)微機(jī)的工作原理及存儲(chǔ)體系；基于Intel 8086 CPU指令系統(tǒng)的匯編語言程序設(shè)計(jì)；基于匯編語言的微機(jī)系統(tǒng)接口綜合應(yīng)用和設(shè)計(jì)。

該課程涵蓋的教學(xué)內(nèi)容廣，知識(shí)點(diǎn)龐雜，重點(diǎn)難點(diǎn)多，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大。為獲得好的教學(xué)效果，各高校在教學(xué)中都加大了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)力度，通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)重點(diǎn)理論知識(shí)的鞏固和難點(diǎn)知識(shí)的理解，提高學(xué)生基于微機(jī)系統(tǒng)綜合應(yīng)用和設(shè)計(jì)的能力，為將微機(jī)運(yùn)用到現(xiàn)代通信、信息處理、自動(dòng)控制與檢測(cè)等領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

文中指出“微機(jī)原理與接口技術(shù)”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在的問題，引入仿真軟件Proteus到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并鼓勵(lì)其主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和設(shè)計(jì)的能力[2]。

1 “微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

各高校在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用實(shí)驗(yàn)箱加模擬集成環(huán)境來完成，在用匯編程序?qū)崿F(xiàn)微機(jī)接口控制和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)時(shí)效果不理想，沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)課程教學(xué)中應(yīng)該發(fā)揮的作用，主要存在以下問題。

（1）實(shí)驗(yàn)箱上的微處理器并不是Intel 8086 CPU，而是用單片機(jī)替代，用單片機(jī)替代構(gòu)建的模擬系統(tǒng)和真正的由Intel 8086 CPU構(gòu)建的微機(jī)系統(tǒng)是不一樣的。地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的形成不一樣，內(nèi)部電路的譯碼方式也不同，存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)等也有差異，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不能加深學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解。

（2）實(shí)驗(yàn)箱上將所有的接口電路模塊化，接口電路模塊只能完成其既定的功能，對(duì)學(xué)生開放的資源很少或者沒有，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的連線完成硬件電路的搭建。各個(gè)接口電路模塊內(nèi)部譯碼電路復(fù)雜且不對(duì)外開放，學(xué)生不知道內(nèi)部譯碼電路的組成，程序部分基本上依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上提供的程序進(jìn)行簡單的修改，以達(dá)到軟硬件結(jié)合控制接口電路實(shí)現(xiàn)功能的目的。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有讓學(xué)生真正參與進(jìn)來，學(xué)生實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感差，學(xué)習(xí)興趣不高，主動(dòng)性不強(qiáng)，難以提高學(xué)生在微機(jī)系統(tǒng)中的綜合分析和設(shè)計(jì)能力[3]。

（3）實(shí)驗(yàn)箱屬于硬件設(shè)備，長期使用會(huì)提高其折損率，要定期進(jìn)行設(shè)備的補(bǔ)充，在使用的過程中如果出現(xiàn)損壞，必須由廠家的專業(yè)工程師前來維修，維修及更換配件的成本高。由于實(shí)驗(yàn)箱是針對(duì)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程設(shè)計(jì)的，對(duì)其他相關(guān)課程應(yīng)用的擴(kuò)展性低，造成其通用性不強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)箱在使用時(shí)要通過串行線和計(jì)算機(jī)上的集成環(huán)境連接，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定，連接斷開的問題，教師處理類似這樣的問題花費(fèi)時(shí)間較多。

2 “微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的方法

針對(duì)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，將Proteus仿真軟件引入課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，發(fā)揮仿真軟件的優(yōu)勢(shì)，改善實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)效果[4]。

2.1 Proteus仿真軟件

Proteus是英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，它運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬與集成電路。Proteus提供大量模擬與數(shù)字元器件、外圍設(shè)備和虛擬儀器，特別是它對(duì)常用控制芯片及其外圍電阻組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。在基于微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，即使沒有物理原型，Proteus也能夠進(jìn)行軟件開發(fā)。它能提供的CPU模型有8086，8051/52，PIC，AVR，ARM，MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型，功能不斷增強(qiáng)。在編譯方面，它也支持IAR，Keil和MATLAB等多種編譯器。

Proteus主要由ISIS和ARES兩部分組成，文中介紹的是基于Proteus ISIS輸入電路原理圖，利用外部編譯器編譯匯編程序并進(jìn)行基于8086微處理器的VSM仿真。Proteus VSM 8086是Intel 8086微處理器的指令和總線周期仿真模型，它能通過總線驅(qū)動(dòng)器和多路輸出選擇器電路連接存儲(chǔ)器和各種外圍控制器，并能仿真器件的操作時(shí)序。同時(shí)內(nèi)存被定義，外部總線行為的仿真不需要編程獲取。8086仿真模型支持直接加載BIN，COM和EXE格式的文件到內(nèi)存中，支持對(duì)Codeview和Borland格式中包含了調(diào)試信息的程序進(jìn)行源或反匯編級(jí)調(diào)試。

2.2 Proteus在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用舉例

文中選用“可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片Intel 8253A產(chǎn)生方波”實(shí)驗(yàn)為例[5]，講述在Proteus仿真環(huán)境中完成微機(jī)接口硬件實(shí)驗(yàn)的過程。

2.2.1 硬件電路

（1）8086最小系統(tǒng)及三大總線電路。在Proteus ISIS中選取微處理器8086并對(duì)設(shè)置其參數(shù)，搭建8086的最小系統(tǒng)，選取帶異步清零端的8D觸發(fā)器74LS237形成數(shù)據(jù)和地址總線，由8086讀寫控制等引腳直接形成控制總線，仿真電路如圖1所示。

圖1 8086最小系統(tǒng)及三大總線電路

（2）譯碼電路。Intel 8253A屬于I/O接口芯片，其端口地址的尋址空間是64KB，用低16條地址線（A0-A15）即可對(duì)其尋址。選取4-16的譯碼器74LS154進(jìn)行譯碼，譯碼器的地址輸入端DCBA分別接地址線A12A11A10A9，譯碼器的使能控制端接地址線A15A14A13，則能確定其值都為0，仿真電路如圖2所示。

圖2 譯碼電路

（3）Intel 8253A波形產(chǎn)生電路。選取Intel 8253A用級(jí)聯(lián)的方式連接來實(shí)現(xiàn)方波，Intel 8253A的片選端接譯碼器的譯碼器的接74LS373的控制端，用于控制定時(shí)計(jì)數(shù)器的開始和停止工作，可得出IO2對(duì)應(yīng)的地址是0400H，IO3對(duì)應(yīng)的地址是0600H。Intel 8253A的地址輸入端接地址線A2A1，則Intel 8253A的4個(gè)端口地址分別為IO2+0，IO2+2 IO2+4和IO2+6，仿真電路如圖3所示。

圖3 Intel 8253A波形產(chǎn)生電路

2.2.2 軟件部分

確定硬件連線后，各端口地址就確定了，依據(jù)Intel 8253A實(shí)現(xiàn)方波的要求，確定工作方式，根據(jù)頻率計(jì)算計(jì)數(shù)初值，實(shí)現(xiàn)方波采用級(jí)聯(lián)的方式，定時(shí)器0引入的基準(zhǔn)頻率為1.193 2 MHz，經(jīng)11932初次分頻后二次100分頻，即輸出方波的頻率為1 Hz。由于微處理器8086的工作頻率設(shè)置為1.5 MHz，執(zhí)行一條LOOP指令需要17個(gè)時(shí)鐘周期，所以軟件部分的Wait1的延時(shí)約為5s，方波軟件設(shè)計(jì)即可完成。

2.2.3 電路綜合調(diào)試

再次檢查硬件電路的線路連接，調(diào)試軟件并生成可執(zhí)行文件，將其加載到微處理器8086中，啟動(dòng)仿真，點(diǎn)擊Debug菜單下的Digital Oscilloscppe，可觀察產(chǎn)生的方波頻率為1 Hz，符合設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

3 結(jié)語

將仿真軟件Proteus引入課程“微機(jī)原理與接口技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生從8086最小系統(tǒng)的搭建，到8086最小系統(tǒng)的三大總線形成，這樣重點(diǎn)的理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)電路建立過程中得到加深和鞏固；學(xué)生自己選擇譯碼方案和譯碼器并完成譯碼電路的搭建，分析譯碼后地址的分配情況，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)I/O譯碼模塊的難點(diǎn)知識(shí)得以深刻理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)接口電路，編制軟件實(shí)現(xiàn)要求，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，通過實(shí)驗(yàn)熟悉接口電路的功能和設(shè)計(jì)思路，提高了學(xué)生軟硬件結(jié)合分析和設(shè)計(jì)的能力。整體實(shí)驗(yàn)效果理想，是改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)好方法。

圖4 數(shù)字示波器上的方波

[1] 楊杜，趙文進(jìn).基于Proteus仿真軟件的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（36）：8730-8732.

[2] 朱敏玲，張偉，候凌燕.基于Proteus的微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016（1）：155-160.

[3] 李娟，王冬星，孫濤，等.基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)改進(jìn)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)[J].福建電腦，2015（2）：56-57.

[4] 劉彩虹，唐彩艷，劉子龍.基于Proteus的微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)[J].新校園，2017（4）：97-98.

[5] 顧暉，梁惺，陳越.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

Study on experimental teaching of “Microcomputer Principle and Interface Technology” based on Proteus

Xue Weiwei, Li Dina, Wang Qiaoxia
（Xi’an Innovation College of Yan’an University, Xi’an 710100, China）

This paper points out the present situation and existing problems of the experimental teaching of “Microcomputer Principle and Interface Technology”, and puts forward the simulation software Proteus introduced to the experimental teaching of “Microcomputer Principle and Interface Technology”, can optimize the experimental hard environment and teaching effect is good.

microcomputer principle and interface technology; experimental teaching; Proteus

薛娓娓（1982— ），女，陜西禮泉人，講師，學(xué)士；研究方向：電子技術(shù)，單片機(jī)應(yīng)用。