程和生　程和俠　程和斌

摘? 要：微機(jī)原理與接口技術(shù)課程是培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的基礎(chǔ)，是提高學(xué)生動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力的重要支撐課程，可是傳統(tǒng)教學(xué)中在實(shí)踐環(huán)節(jié)存在種種限制。針對微機(jī)原理與接口技術(shù)課程應(yīng)用性強(qiáng)、理論聯(lián)系實(shí)際不夠緊密的問題，通過仿真軟件Proteus和Emu8086打破實(shí)驗(yàn)場地限制，增強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)，形象直觀地展現(xiàn)軟硬件的設(shè)計(jì)及交互過程。以交通信號燈為例，借助Proteus設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，使用Emu8086開發(fā)控制軟件，調(diào)動(dòng)學(xué)生利用課余時(shí)間主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理與接口技術(shù)；Proteus；Emu8086；仿真

中圖分類號：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）20-0185-05

Teaching Research on the Course of Microcomputer Principles and Interface Technology Based on Simulation Software

CHENG Hesheng1， Cheng Hexia2， CHENG Hebin3，4

（1.School of Computer and Artificial Intelligence， Hefei Normal University， Hefei? 230601， China; 2.School of Computer Science and Information， Anqing Normal University， Anqing? 246133， China; 3.Anhui ARN Group Co.， Ltd.， Anqing? 246001， China; 4.School of Physics and Optoelectronic Engineering， Anhui University， Hefei? 230601， China）

Abstract： The course Microcomputer Principles and Interface Technology is the foundation for cultivating students' embedded system design and development， and an important supporting course for improving students' hands-on and design abilities. However， there are various limitations in traditional teaching practical aspect. In response to the issues of strong applicability and insufficient integration of theory with practice in the course of Microcomputer Principles and Interface Technology， simulation software Proteus and Emu8086 are used to break the limitations of experimental venues， enhance teaching interaction， and visually display the design and interaction process of software and hardware. Taking traffic signal lights as an example， using Proteus to design a hardware system and Emu8086 to develop control software， students are encouraged to actively learn in their spare time and improve their ability to design and implement software and hardware systems.

Keywords： Microcomputer Principles and Interface Technology; Proteus; Emu8086; simulation

0? 引? 言

教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中明確給出了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的四個(gè)領(lǐng)域和三個(gè)層次，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與平臺是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基石，是數(shù)據(jù)分析與信息處理的平臺，是應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的硬件基礎(chǔ)[1，2]?！拔C(jī)原理與接口技術(shù)”課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與平臺的核心專業(yè)課，不僅是理論與實(shí)踐的重要橋梁，還是硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。該課程的學(xué)習(xí)能夠促進(jìn)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件的運(yùn)行機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生從計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行方式的角度思考實(shí)際問題，提高學(xué)生的系統(tǒng)優(yōu)化能力，使學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立解決問題的習(xí)慣。因此，高校計(jì)算機(jī)類和電子類專業(yè)都開設(shè)了微機(jī)原理與接口技術(shù)這門課程。根據(jù)各專業(yè)研究方向的不同，開設(shè)該課程的目標(biāo)各有不同，而基本內(nèi)容是一致的。對于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，往屆學(xué)生普遍表示“晦澀難懂”，較多的反饋是“一聽就懂，一做就錯(cuò)”，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)該科目的挫敗感，學(xué)生對學(xué)習(xí)新知識具有巨大的消極情緒。那么問題究竟出在哪里呢？多年的學(xué)生考試結(jié)果表明：選擇題、填空題和判斷題，平均得分率分別為8%～9%、4%～5%和6%～7%，簡答闡述題得分率大概在70%，計(jì)算題有80%左右的得分率。分析其原因，選擇題和判斷題都有解題技巧，這兩種題型的得分比填空題高；編程題學(xué)生套用編程模板，得分情況較好；簡答闡述題涉及微機(jī)工作機(jī)制和硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得分較低，說明學(xué)生對微機(jī)工作原理和微機(jī)工作機(jī)制沒有理解通透。微機(jī)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制教學(xué)是以抽象邏輯思維進(jìn)行講解，學(xué)生們難以理解。首先，傳統(tǒng)教學(xué)的主要手段是采用實(shí)驗(yàn)箱，通過讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手編程和操作來理解和掌握微機(jī)運(yùn)行機(jī)制；其次，主要活動(dòng)是依靠實(shí)驗(yàn)箱“插拔導(dǎo)線”完成實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣；最后，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)受場地和成本的限制，實(shí)驗(yàn)效果不如人意。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借助Proteus仿真軟件可以很好地解決這些問題，其具有軟件模擬芯片8086功能，可以完善硬件設(shè)計(jì)，形象生動(dòng)地展現(xiàn)微機(jī)工作流程，便于學(xué)生掌握微機(jī)工作機(jī)制。學(xué)生還可以將該軟件安裝在自己的個(gè)人電腦上，不受場地限制，提供了極大的便利，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3，4]。

不同專業(yè)對微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的內(nèi)容設(shè)置要求不同，基本都涵蓋CPU8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作流程、8086匯編語言編程、CPU與主存儲器連接、CPU與IO接口等數(shù)據(jù)的控制。馮諾依曼模型是掌握8086CPU的奠基石；三總線技術(shù)是8086CPU與外設(shè)通信的關(guān)鍵。掌握三總線內(nèi)涵的最有效途徑是掌握8086匯編語言，通過具體實(shí)例領(lǐng)悟其精髓。8086CPU對外設(shè)的操作是本課程的重要應(yīng)用途徑，是應(yīng)用設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。但使用匯編語言編譯程序是完成邏輯層面的設(shè)計(jì)，其晦澀難明，難以掌握；外部接口種類繁多，需要學(xué)生掌握接口技術(shù)的通用性，一般都是從實(shí)踐中學(xué)習(xí)，尤其是在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中習(xí)得和領(lǐng)悟。仿真軟件Proteus和Emu8086能夠很好地解決這兩個(gè)問題。

鑒于上述教學(xué)難題和困境，本文基于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? 仿真軟件特點(diǎn)

仿真軟件在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都有明顯的優(yōu)勢，教師在講解中配合仿真演示，使原本抽象枯燥的概念講解變得生動(dòng)有趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如講授CPU8086完成一次算數(shù)運(yùn)算過程，分為取指令，譯指令和執(zhí)行指令三個(gè)步驟，涉及三條總線的時(shí)序，內(nèi)容瑣碎繁雜，學(xué)生們學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容有些力不能及，很容易出現(xiàn)理解偏差；換成匯編語言與Proteus聯(lián)合調(diào)試，逐步細(xì)化每個(gè)步驟，深入CPU的每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，詳細(xì)呈現(xiàn)CPU的工作原理，起到事半功倍的效果。

Proteus是一款功能強(qiáng)大的電子電路設(shè)計(jì)和仿真軟件。它具有出色的硬件仿真能力，可同時(shí)支持多種硬件芯片，如CPU8086、89S51和ARM等，亦可同時(shí)支持主流的編譯工具，如keil、IAR等，是可供廣大用戶學(xué)習(xí)硬件編程和嵌入式系統(tǒng)的有力工具。

采用EMU8086編譯8086匯編語言，其可視化的界面實(shí)時(shí)顯示編譯過程的中間結(jié)果，顯示CPU內(nèi)部寄存器數(shù)值變化，展現(xiàn)晦澀難懂的匯編語言及其控制硬件過程，幫助初學(xué)者掌握8086匯編語言。

軟件Proteus和EMU8086相結(jié)合，滿足微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)所需的全部要求，根據(jù)其課程教學(xué)大綱與Proteus軟件構(gòu)建知識框架，做好課程與實(shí)驗(yàn)之間的銜接，仿真軟件可為軟件和硬件設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的支撐，具體如圖1所示。

2? 仿真軟件與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合的優(yōu)勢

2.1? 實(shí)踐環(huán)節(jié)的結(jié)合

以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完成主要依賴于實(shí)驗(yàn)箱，通過連接固定的芯片來完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中缺少系統(tǒng)概念的闡釋和融于實(shí)踐的深入理解，學(xué)生缺少提升其系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的機(jī)會(huì)。引入仿真軟件之后，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段學(xué)生通過Proteus模擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試。知識的拓展和深化主要依賴學(xué)生在課外時(shí)間主動(dòng)學(xué)習(xí)完成。

由于受實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)條件限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞窃诶碚撜n程結(jié)束之后開展微機(jī)原理和接口的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能及時(shí)通過實(shí)驗(yàn)課程對新知識進(jìn)行梳理和驗(yàn)證，影響學(xué)生對微機(jī)原理內(nèi)涵的掌握。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的步驟如下：

1）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，此過程學(xué)生主要是了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)所涉及的工具及其使用，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果。

2）實(shí)驗(yàn)實(shí)施環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)。

3）實(shí)驗(yàn)小結(jié)。總結(jié)實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)過程圖如圖2所示。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)步驟中，第二步實(shí)驗(yàn)實(shí)施部分是真實(shí)的硬件操作和運(yùn)行，展現(xiàn)真實(shí)的電路設(shè)計(jì)和連接，讓學(xué)生從視覺、聽覺和觸覺上全方位感受電路操作過程中的細(xì)枝末節(jié)，是實(shí)驗(yàn)必不可少的環(huán)節(jié)。但是實(shí)驗(yàn)箱的線路、芯片多已固定，同學(xué)們只需按照固定的步驟操作即可，不能靈活自由地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致學(xué)生缺少相應(yīng)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程能力的練習(xí)和訓(xùn)練，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。第三步是對第二步實(shí)驗(yàn)實(shí)施的總結(jié)和反思，學(xué)生通過歸納總結(jié)吸收新知識。針對實(shí)驗(yàn)箱的缺點(diǎn)，在第一步實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)添加Proteus仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為學(xué)生補(bǔ)充硬件設(shè)計(jì)方面的練習(xí)和訓(xùn)練。

2.2? 理論環(huán)節(jié)的結(jié)合

課堂講解微機(jī)原理的概念，以往的學(xué)生理解起來有一定的困難，引進(jìn)EMU8086和Proteus軟件后可以將抽象的概念具體化、視覺化，有助于學(xué)生對抽象概念的透徹理解和扎實(shí)掌握。

以指令指針（Instruction Pointer， IP）寄存器功能的講解為例，如圖3所示為傳統(tǒng)講解IP寄存器使用方法的演示文稿，教師以圖解的形式講解理論概念及功能應(yīng)用，但總體上還是靜態(tài)呈現(xiàn)，不能加深學(xué)生對抽象知識的理解。EMU8086軟件的動(dòng)態(tài)展示IP工作過程，在圖4中標(biāo)出5個(gè)功能區(qū)域：

1）匯編語言的源代碼區(qū)。

2）機(jī)器碼區(qū)。此區(qū)是源代碼經(jīng)過匯編和編譯之后生成的機(jī)器碼。

3）物理地址顯示區(qū)。標(biāo)識出機(jī)器碼在代碼區(qū)具體的物理地址，IP寄存器存儲當(dāng)前指令的偏移地址。

4）寄存器區(qū)。表示當(dāng)前指令對CPU寄存器的實(shí)時(shí)反應(yīng)。

5）調(diào)試區(qū)。含有單步調(diào)試和全速運(yùn)行，單步調(diào)試可以清晰展示IP的變化，以深藍(lán)背景高亮標(biāo)出。

通過單步調(diào)試選項(xiàng)，源代碼區(qū)和機(jī)器碼區(qū)域聯(lián)動(dòng)并用高亮背景顯示，實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前指令及其物理地址、寄存器的結(jié)果動(dòng)態(tài)變化，形象生動(dòng)地展現(xiàn)IP寄存器在8086CPU上運(yùn)行的工作機(jī)制，學(xué)生可以更好地理解和掌握IP知識點(diǎn)。

3? 教學(xué)案例

對于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程來說，最有效的教學(xué)方法是在理論講解的過程中適時(shí)融入實(shí)踐操作。在課堂上，在多媒體教學(xué)設(shè)備——Proteus軟件平臺的直接演示下，學(xué)生能夠直觀且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，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。CPU時(shí)序與總線操作內(nèi)容是本門課程學(xué)習(xí)的核心部分，是學(xué)生真正走進(jìn)這門課的敲門磚，同時(shí)也是該門課程中較難理解的部分[5]。下面以此部分的理論教學(xué)過程為例闡述基于Proteus的理論教學(xué)改革方法。

將獨(dú)立的知識應(yīng)用到系統(tǒng)中，學(xué)以致用，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。下面以十字路口的紅綠燈系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述，硬件系統(tǒng)的組成包括CPU8086、地址鎖存器74LS373、3-8譯碼器、并口8255A、中斷管理器8259、時(shí)鐘管理器8253、若干紅綠黃三色LED燈及若干電阻等器件。以上器件按照馮諾依曼結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，采用三條總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）將孤立的電子器件聯(lián)通。交通信號燈系統(tǒng)設(shè)A車道與B車道交叉組成十字路口，A是主道，B是支道，直接對車輛進(jìn)行交通管理，基本要求如下：

1）用發(fā)光二極管模擬交通信號燈。

2）正常情況下，A、B兩車道輪流放行，A車道放行綠燈亮，其中3秒用于警告（黃燈亮）；B車道放行綠燈亮，其中3秒用于警告（黃燈亮）；A、B車道放行、禁止通行時(shí)間自己定義。

3）有緊急車輛通過時(shí)，按下某開關(guān)使A、B車道均為紅燈，緊急情況解除后恢復(fù)正?？刂?。

4）可以根據(jù)自己實(shí)際情況擴(kuò)充控制功能，如時(shí)間顯示、左右轉(zhuǎn)向提示、掉頭指示燈復(fù)雜路況的控制。

5）要求使用8255、8253、8259可編程芯片。

綜上，設(shè)計(jì)出一個(gè)微機(jī)原理綜合實(shí)驗(yàn)，將課程所涉及的主要控制芯片融合在一起，考查學(xué)生對課程講授內(nèi)容的掌握程度，如圖1所示。系統(tǒng)主要組成器件：Cpu采用8086芯片譯碼器74LS138、并口8255芯片、時(shí)鐘芯片和中斷管理芯片8259，組成十字路口交通燈系統(tǒng)，如圖5所示。軟件設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為軟件的主程序流程圖，具體流程圖如圖6所示。如圖7所示為微機(jī)外部接口的時(shí)序圖，便于學(xué)生掌握時(shí)鐘時(shí)序。

上述實(shí)驗(yàn)中，未涉及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，補(bǔ)充和完善了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段內(nèi)容，鍛煉和提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，學(xué)生可以直觀明了地學(xué)習(xí)微機(jī)原理與接口的概念和技術(shù)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。整個(gè)系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)到布線，加深了學(xué)生對三總線內(nèi)涵的理解，使學(xué)生厘清了各個(gè)模塊之間的通信過程和先后順序，正確梳理了系統(tǒng)的邏輯流程，深入學(xué)習(xí)了CPU的時(shí)序，從底層研究微機(jī)原理，為其日后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供良好的鍛煉機(jī)會(huì)。

4? 結(jié)? 論

仿真軟件的引入，在理論課程階段憑借其可視化的優(yōu)勢，直觀呈現(xiàn)原本晦澀難懂的理論知識，有助于學(xué)生更好地理解和掌握微機(jī)原理和接口技術(shù)；在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，增添了系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)去練習(xí)與鍛煉，進(jìn)一步提高了學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。由于仿真軟件成本低，便于安裝在個(gè)人電腦上，延長了學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐的時(shí)間，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和創(chuàng)造力。教學(xué)效果有所改善，學(xué)生反映良好，還有很大的完善空間，后期將結(jié)合學(xué)生的反饋，伙同同行集體研究，繼續(xù)在微機(jī)原理課程中推廣軟件仿真的應(yīng)用，形成一個(gè)成熟高效的教學(xué)方法和實(shí)踐體系。

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作者簡介：程和生（1985—），男，漢族，安徽懷寧人，講師，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；程和俠（1982—），男，漢族，安徽懷寧人，副教授，碩士研究生，研究方向：云計(jì)算與數(shù)據(jù)科學(xué)；程和斌（1985—），男，漢族，安徽懷寧人，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械制造。

收稿日期：2023-05-12

基金項(xiàng)目：安徽省級教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2019jxtd090）；合肥師范學(xué)院校級質(zhì)量工程項(xiàng)目（2021szsfkc04）；安慶師范大學(xué)校級教研項(xiàng)目（2020aqnuyljc06）；安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項(xiàng)目-省級教材建設(shè)項(xiàng)目（2022jcjs072）