微機(jī)原理與接口技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

李杰++楊文耀++任曉霞

摘 要 針對微機(jī)原理與接口技術(shù)課程傳統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出采用EMU8086+Proteus聯(lián)合仿真平臺，通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合的方式對教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，并對該方式的具體實(shí)施過程進(jìn)行闡述。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 微機(jī)原理與接口技術(shù)；EMU8086；Proteus；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）02-0134-04

Investigation of Theoretical and Experimental Teaching Method of Microcomputer Principle and Interface Technology//LI Jie， YANG Wenyao， REN Xiaoxia

Abstract In accordance with the problems existing in the traditional

theoretical and experimental teaching of microcomputer principle and interface technology course， EMU8086+Proteus co-simulation

platform and the organic combination of theoretical and experimental teaching are proposed to improve the teaching method. And the spe-

cific implementation process is described. Through the teaching prac-

tice， has obtained the good teaching effect.

Key words microcomputer principle and interface technology； EMU-

8086； Proteus； teaching reform

1 前言

微機(jī)原理與接口技術(shù)是我國多數(shù)本專科院校電類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生具有微機(jī)軟、硬件設(shè)計和應(yīng)用能力的必修課[1]。通過學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生可以更加深入地掌握計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握匯編語言的編程方法，熟悉微機(jī)接口電路等知識，為后續(xù)學(xué)好單片機(jī)、嵌入式、DSP等課程和技術(shù)打下基礎(chǔ)[2]。因此，微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)工作是大學(xué)培養(yǎng)電類專業(yè)應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)之一。

2 教學(xué)問題和現(xiàn)狀

目前大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的過程中感覺十分困難，主要由于本課程的理論教學(xué)內(nèi)容比較多，硬件方面涉及8086微處理器、存儲器、可編程接口芯片、中斷處理、定時計數(shù)器、串行通信、并行通信、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的原理和結(jié)構(gòu)；軟件方面涉及匯編語言的學(xué)習(xí)和可編程外圍接口的編程。而且課程的軟硬件系統(tǒng)關(guān)系非常緊密[3]，使得大多數(shù)學(xué)生感覺該課程內(nèi)容抽象、枯燥乏味、難學(xué)，從而喪失學(xué)習(xí)興趣和信心。因此，對該課程理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的教學(xué)方法提出更高的要求。

目前多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以實(shí)驗(yàn)箱為主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。由于實(shí)驗(yàn)箱中的硬件電路基本固定，器件的品種和數(shù)量難以擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也主要是由廠家事先規(guī)定，因此，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以突破實(shí)驗(yàn)箱的限制，有些輔助和加深理解理論課內(nèi)容的項(xiàng)目不能實(shí)施[4]。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時，往往是將現(xiàn)成的程序下載進(jìn)入實(shí)驗(yàn)箱，看見相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)效果，便認(rèn)為完成了實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際上沒有真正理解接口電路的連接方法以及指令在8086微處理器中的執(zhí)行原理，然而往往這才是學(xué)生最需要掌握的。而且實(shí)驗(yàn)箱成本高、易損壞，維護(hù)也不方便，造成部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)。因此，如何改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果，是該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的一個重要課題。

多篇文章已提出采用Proteus仿真軟件進(jìn)行微機(jī)原理與接口電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[5-6]，但是也僅僅提出了通過Proteus軟件對8086的最小模式以及相應(yīng)的接口芯片的電路進(jìn)行搭建，這并不能很好地讓學(xué)生理解指令在微處理器中的執(zhí)行原理。本文提出的采用EMU8086+Proteus聯(lián)合仿真平臺，加上理論與實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合的方法，可以使學(xué)生更加深入地理解8086微處理器結(jié)構(gòu)和指令存儲、取指和執(zhí)行過程，并且掌握接口電路的連接和編程方法，為學(xué)生學(xué)好該門課程提供保障。

3 EMU8086軟件在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

EMU8086不僅能夠?qū)R編程序進(jìn)行編輯和編譯，同時能夠生成Proteus仿真所使用的hex或者bin文件。此外，EMU8086還擁有debug的模擬器。使用該模擬器可以一步一步地執(zhí)行程序，并且可以在執(zhí)行程序的過程中查看8086各寄存器的值和存儲器各單元中的值，還可以查看反匯編。相對于傳統(tǒng)的MASM編譯器，EMU8086圖形化的界面使程序調(diào)試更直觀和容易。在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用EMU8086，可以使學(xué)生加快并加深對8086寄存器類型和作用、指令的存儲和執(zhí)行等方面知識的理解。

EMU8086軟件在理論教學(xué)中的使用 現(xiàn)在的理論教學(xué)大多采用多媒體教學(xué)，為EMU8086軟件的演示提供了條件。在微機(jī)原理與接口技術(shù)的理論教學(xué)課堂上，可以在多處知識點(diǎn)上采用EMU8086演示的方式，一方面促進(jìn)學(xué)生對相應(yīng)知識點(diǎn)的理解和掌握，另一方面可以提高學(xué)生的興趣，避免純理論講授的枯燥乏味。

比如在講解尋址方式時，大多數(shù)學(xué)生一開始是比較難理解的，這時就可以采用EMU8086演示的方法。如指令語句“MOV AX，[2010H]”，需要給學(xué)生講授該指令的源操作數(shù)是直接尋址。課本上往往只是給出直接尋址的概念并配上簡單的示意圖，但是學(xué)生學(xué)習(xí)之后并不能有效掌握該指令在內(nèi)存中的存儲形式以及執(zhí)行該指令所涉及的各個存儲單元的關(guān)系。這時教師可以打開EMU8086軟件，在編輯界面定義一個代碼段，代碼段中寫上前面那條指令，如圖1中源程序區(qū)域所示。

程序編寫完后，即進(jìn)行編譯，如果編譯沒錯，便可生成exe文件。這時選擇仿真選項(xiàng)，打開調(diào)試窗口，如圖1所示。圖中四部分窗口是學(xué)生在調(diào)試過程中需要注意的，即寄存器、內(nèi)存單元、反匯編和源程序。寄存器模塊里顯示了8086當(dāng)前各個寄存器的值。內(nèi)存單元中可以顯示8086的內(nèi)存中各個地址的值，可以通過修改地址，查看不同地址單元的值。圖1中同時可以查看代碼段和數(shù)據(jù)段地址單元的值。反匯編窗口中顯示了編寫程序的反匯編代碼。源代碼窗口中即顯示的是自己編寫的匯編程序。圖1的源程序窗口中能看見剛才寫的指令“MOV AX，[2010H]”。這時就需要給學(xué)生講解，指令都是以二進(jìn)制的形式存放在8086的內(nèi)存單元中，而且是存放在內(nèi)存單元的代碼段中的。

通過寄存器窗口可以查看到代碼段的段地址（CS）為0710H，當(dāng)前指令的偏移地址（IP）為0000H，可以看到在內(nèi)存單元07100H地址開始的3個字節(jié)單元中存放的值依次為A1H、10H、20H，這便是指令“MOV AX，[2010H]”的機(jī)器碼。源操作數(shù)是直接尋址，2010H便是源操作數(shù)所在單元的偏移地址，那么段地址是多少呢？通過講解知道，段地址就是DS的值，通過寄存器窗口可以查看到數(shù)據(jù)段的段地址（DS）為0700H，根據(jù)內(nèi)存單元可以看到0700H：2010H地址開始的兩個字節(jié)單元存放的數(shù)據(jù)為12H和34H。在運(yùn)行程序之前，AX寄存器的值為0000H；運(yùn)行程序之后，AX寄存器的值變?yōu)?412H。

通過以上講解和演示，學(xué)生就將指令語句、機(jī)器碼、寄存器、代碼段的內(nèi)存單元和數(shù)據(jù)段的內(nèi)存單元等知識點(diǎn)聯(lián)系起來，并建立起比較直觀的概念。

EMU8086軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用 要想讓學(xué)生對知識點(diǎn)理解透徹，僅通過在理論課上演示是不夠的，必須通過實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生自己動手去調(diào)試程序。將EMU8086引入實(shí)驗(yàn)課堂，可以加強(qiáng)學(xué)生編寫程序和調(diào)試程序的能力，從而加深對8086的寄存器、存儲器、指令等概念的理解。

如在講解8086指令系統(tǒng)這一節(jié)時，就可以開設(shè)一節(jié)實(shí)驗(yàn)課，由教師給出一段已經(jīng)編寫好的程序，讓學(xué)生自己通過EMU8086進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的時候?qū)W(xué)生提出以下問題：

1）代碼段和數(shù)據(jù)段的段地址是多少？

2）某一條指令的機(jī)器碼是多少？

3）某一指令所在地址是多少？占多少字節(jié)數(shù)？

4）某一指令的源操作數(shù)是什么尋址方式？源操作數(shù)所指向的存儲單元的值是多少？

5）執(zhí)行某一條指令后，標(biāo)志寄存器值的是多少？

除了以上問題，還可以提出許多問題。在教師的指引下，學(xué)生帶著疑問去調(diào)試程序，會獲得不少收獲。

此外，在講解匯編語言程序設(shè)計這一章時，也需要開設(shè)多個實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生多上機(jī)編程，才能達(dá)到學(xué)以致用的效果。這些實(shí)驗(yàn)可以是字符及字符串輸入輸出實(shí)驗(yàn)、分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計實(shí)驗(yàn)、循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)都需要采用EMU8086進(jìn)行程序的編輯和調(diào)試。

4 Proteus軟件在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus軟件能支持多種微處理器仿真模型，其簡便的電路設(shè)計ISIS模塊和龐大的器件庫完全可以支持微機(jī)原理課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)要求[6]。

在微機(jī)原理與接口技術(shù)的后面章節(jié)中涉及存儲器、可編程接口芯片、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換等知識，要學(xué)好這些知識，需要掌握硬件電路連接方法和軟件編程方法。硬件電路就用Proteus軟件進(jìn)行繪制，軟件編程采用EMU8086。利用Proteus+EMU8086聯(lián)合仿真的方法，可以實(shí)現(xiàn)課本上所有接口電路的仿真。教師在理論課堂上講解接口芯片和電路理論知識的時候，通過Proteus軟件進(jìn)行演示，可以讓學(xué)生更直觀地掌握8086最小模式的電路、地址譯碼方式、接口芯片的連接方式、輸入輸出電平信號等；然后在實(shí)驗(yàn)課上讓學(xué)生獨(dú)立畫電路圖、編寫程序、仿真調(diào)試以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對硬件電路和軟件編程的掌握。

如在講解簡單I/O接口時，就可以利用鎖存器74LS373和緩沖器74LS244實(shí)現(xiàn)對流水燈的控制，如圖2和圖3所示。圖2為8086的最小模式電路，圖3為接口芯片電路。利用該電路實(shí)現(xiàn)當(dāng)開關(guān)K1閉合時，8個LED燈按照D0～D7的順序循環(huán)點(diǎn)亮；當(dāng)開關(guān)K2閉合時，8個LED燈按照D7～D0的順序循環(huán)點(diǎn)亮；兩個開關(guān)都閉合時，LED燈全亮。

通過教師對以上例子的演示講解以及學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)仿真，可以使學(xué)生掌握8086最小模型電路的連接方法、鎖存器74LS373和緩沖器74LS244的使用方法、地址數(shù)據(jù)總線的分時復(fù)用原理、IN/OUT指令的使用方法等。此外由于LED燈需要循環(huán)點(diǎn)亮，可以使學(xué)生掌握延時程序的編寫方法。

通過多開設(shè)幾個接口電路實(shí)驗(yàn)，可以極大地提高學(xué)生對8086微處理的指令、外圍電路、接口芯片的掌握程度，也能鍛煉學(xué)生的匯編語言編程能力。

5 總結(jié)

由于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程知識點(diǎn)多而雜，傳統(tǒng)的理論教學(xué)往往容易使學(xué)生感覺枯燥乏味、難以理解，從而喪失學(xué)習(xí)的興趣和信心。采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一、成本高、易損壞且維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，極大地限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)。

本文提出采用EMU8086+Proteus聯(lián)合仿真平臺，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合的方式，可以有效解決以上問題。在理論課上，教師通過EMU8086和Proteus軟件進(jìn)行演示，促進(jìn)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解；然后通過實(shí)驗(yàn)課，使學(xué)生獨(dú)立編程調(diào)試和繪制電路仿真，達(dá)到對知識點(diǎn)的消化和吸收。采用該方式，該課程的理論學(xué)時與實(shí)驗(yàn)學(xué)時比例最好為1：1，才能夠充分促進(jìn)學(xué)生對教材上知識點(diǎn)的掌握。

多年的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)成果表明，自從采用了Proteus+EMU8086聯(lián)合仿真平臺后，學(xué)生能更好更深地掌握教材上的知識點(diǎn)，也提高了學(xué)生編寫程序、調(diào)試程序、設(shè)計電路的能力，為后續(xù)學(xué)好單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和DSP等課程打下基礎(chǔ)，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供了保障?！?/p>

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