基于Proteus的“微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(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）

基于Proteus的“微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(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“微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題，提出將仿真軟件Proteus引入“微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)，可以優(yōu)化實驗環(huán)境，教學(xué)效果好。

微機原理與接口技術(shù)；實驗教學(xué)；Proteus

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

該課程涵蓋的教學(xué)內(nèi)容廣，知識點龐雜，重點難點多，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)中都加大了實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)力度，通過實驗環(huán)節(jié)，加強學(xué)生對重點理論知識的鞏固和難點知識的理解，提高學(xué)生基于微機系統(tǒng)綜合應(yīng)用和設(shè)計的能力，為將微機運用到現(xiàn)代通信、信息處理、自動控制與檢測等領(lǐng)域打下堅實的基礎(chǔ)[1]。

文中指出“微機原理與接口技術(shù)”傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式存在的問題，引入仿真軟件Proteus到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中。增強學(xué)生實驗教學(xué)體驗感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并鼓勵其主動參與到實驗中，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和設(shè)計的能力[2]。

1 “微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

各高校在“微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)中采用實驗箱加模擬集成環(huán)境來完成，在用匯編程序?qū)崿F(xiàn)微機接口控制和設(shè)計類實驗時效果不理想，沒有達到實驗教學(xué)在整個課程教學(xué)中應(yīng)該發(fā)揮的作用，主要存在以下問題。

（1）實驗箱上的微處理器并不是Intel 8086 CPU，而是用單片機替代，用單片機替代構(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，存儲體系結(jié)構(gòu)等也有差異，通過實驗教學(xué)并不能加深學(xué)生對課程理論知識的理解。

（2）實驗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，對學(xué)生開放的資源很少或者沒有，學(xué)生在實驗教學(xué)中只能按照實驗指導(dǎo)書的連線完成硬件電路的搭建。各個接口電路模塊內(nèi)部譯碼電路復(fù)雜且不對外開放，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)實驗指導(dǎo)書上提供的程序進行簡單的修改，以達到軟硬件結(jié)合控制接口電路實現(xiàn)功能的目的。這樣的實驗教學(xué)沒有讓學(xué)生真正參與進來，學(xué)生實驗體驗感差，學(xué)習(xí)興趣不高，主動性不強，難以提高學(xué)生在微機系統(tǒng)中的綜合分析和設(shè)計能力[3]。

（3）實驗箱屬于硬件設(shè)備，長期使用會提高其折損率，要定期進行設(shè)備的補充，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。由于實驗箱是針對“微機原理與接口技術(shù)”課程設(shè)計的，對其他相關(guān)課程應(yīng)用的擴展性低，造成其通用性不強。實驗箱在使用時要通過串行線和計算機上的集成環(huán)境連接，在實驗教學(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時間較多。

2 “微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)改進的方法

針對“微機原理與接口技術(shù)”課程實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合多年實驗教學(xué)的經(jīng)驗，將Proteus仿真軟件引入課程實驗教學(xué)中，發(fā)揮仿真軟件的優(yōu)勢，改善實驗硬件環(huán)境，提高實驗效果[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)計中，即使沒有物理原型，Proteus也能夠進行軟件開發(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。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)動器和多路輸出選擇器電路連接存儲器和各種外圍控制器，并能仿真器件的操作時序。同時內(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Codeview和Borland格式中包含了調(diào)試信息的程序進行源或反匯編級調(diào)試。

2.2 Proteus在“微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)應(yīng)用舉例

文中選用“可編程定時/計數(shù)器芯片Intel 8253A產(chǎn)生方波”實驗為例[5]，講述在Proteus仿真環(huán)境中完成微機接口硬件實驗的過程。

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）即可對其尋址。選取4-16的譯碼器74LS154進行譯碼，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用級聯(lián)的方式連接來實現(xiàn)方波，Intel 8253A的片選端接譯碼器的譯碼器的接74LS373的控制端，用于控制定時計數(shù)器的開始和停止工作，可得出IO2對應(yīng)的地址是0400H，IO3對應(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實現(xiàn)方波的要求，確定工作方式，根據(jù)頻率計算計數(shù)初值，實現(xiàn)方波采用級聯(lián)的方式，定時器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個時鐘周期，所以軟件部分的Wait1的延時約為5s，方波軟件設(shè)計即可完成。

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，啟動仿真，點擊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)計要求，如圖4所示。

3 結(jié)語

將仿真軟件Proteus引入課程“微機原理與接口技術(shù)”的實驗教學(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，這樣重點的理論知識在實驗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，通過實驗對I/O譯碼模塊的難點知識得以深刻理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；根據(jù)實驗要求設(shè)計接口電路，編制軟件實現(xiàn)要求，增強了學(xué)生的自信心，通過實驗熟悉接口電路的功能和設(shè)計思路，提高了學(xué)生軟硬件結(jié)合分析和設(shè)計的能力。整體實驗效果理想，是改革傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一個好方法。

圖4 數(shù)字示波器上的方波

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

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

[3] 李娟，王冬星，孫濤，等.基于Proteus的虛擬實驗改進微機原理與接口技術(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)，單片機應(yīng)用。