基于EMU8086 的微機原理教學(xué)實踐探索

朱颯爽　王成　陳娟

摘要：從微機原理課程特點及教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，分析傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端。探討了EMU8086在微機原理課程線上線下混合式教學(xué)模式中的應(yīng)用，以8086的數(shù)據(jù)尋址方式的教學(xué)為例，介紹了EMU8086仿真軟件的特點和功能，分析了8086數(shù)據(jù)尋址方式在該課程中的重要性。通過實際案例介紹如何使用 EMU8086 進行8086數(shù)據(jù)尋址方式的教學(xué)。實踐表明，在混合式教學(xué)模式下，通過使用 EMU8086輔助教學(xué)，學(xué)生可以更直觀地理解8086處理器的工作原理和數(shù)據(jù)尋址方式，能夠有效提高學(xué)生對微機原理的理解和實際操作能力。

關(guān)鍵詞：EMU8086；微機原理；教學(xué)應(yīng)用；8086數(shù)據(jù)尋址方式

中圖分類號：TP3 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0174-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

微機原理是工科院校電子及自動化類相關(guān)專業(yè)的核心課程，具有理論性強、概念抽象、知識點多等特點。內(nèi)容一般涉及微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、存儲器和輸入輸出系統(tǒng)等方面，是一門高度綜合性的課程。不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的微機應(yīng)用及軟、硬件設(shè)計應(yīng)用能力，同時也是學(xué)生后續(xù)進行編程設(shè)計與軟硬件開發(fā)的基礎(chǔ)。因此，這門課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)與技能。在實際教學(xué)中，學(xué)生普遍反映課程難度大，概念抽象，難以理解。而傳統(tǒng)教學(xué)方法往往注重理論知識的傳授，以教師為中心的單向傳授，學(xué)生缺乏主動參與和互動的機會，會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，對課程內(nèi)容缺乏興趣。

為提高微機原理課程教學(xué)效果，目前筆者所在學(xué)校微機原理課程在采用線上線下混合式教學(xué)模式的同時，通過改進教學(xué)方法、豐富教學(xué)形式、融入信息化工具等多種方式提升課程教學(xué)效果。針對微機原理課程的特點，在教學(xué)過程中，以混合式教學(xué)模式為載體，針對不同章節(jié)的知識要點，有效借助EMU8086和PROTEUS仿真工具，采用演示法、練習(xí)法、實驗法、任務(wù)驅(qū)動法等教學(xué)方法，合理進行教學(xué)設(shè)計，可以極大提高教學(xué)效果。本文以8086數(shù)據(jù)尋址方式教學(xué)為例，借助EMU8086仿真工具，通過“課前線上預(yù)習(xí)+課中線下講授演示+課后實操”的形式組織教學(xué)，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能讓學(xué)生對寄存器、存儲器、指令系統(tǒng)等產(chǎn)生感性認識，還能提高學(xué)生的動手實踐能力，加深對微機原理知識的理解和掌握[1-2]。

1 EMU8086 仿真軟件簡介

EMU8086是一個8086微處理器的模擬器，它可以在PC上模擬8086微處理器的運行環(huán)境。其提供了直觀的用戶界面，用戶可以通過圖形化的方式查看和編輯8086微處理器的寄存器、內(nèi)存、堆棧等信息。支持8086匯編語言的編譯，用戶可以在軟件中編寫、編譯和運行8086匯編代碼。強大的調(diào)試功能，包括單步執(zhí)行、斷點設(shè)置、寄存器查看、內(nèi)存查看等，方便用戶調(diào)試和排除程序中的錯誤[3-4]。功能強大、易于使用，可以為用戶提供方便快捷的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，適合8086微處理器的學(xué)習(xí)、開發(fā)和測試工作。

2 8086數(shù)據(jù)尋址方式在微機原理課程中的重要性

8086數(shù)據(jù)尋址方式一般是繼微機基礎(chǔ)知識和內(nèi)部結(jié)構(gòu)知識的后續(xù)內(nèi)容，是微機原理課程由淺入深的關(guān)鍵節(jié)點，起著承上啟下的重要作用[5]。8086是X86 架構(gòu)的先驅(qū)，其尋址方式是計算機底層操作的基礎(chǔ)，是8086匯編語言編程的核心概念。通過學(xué)習(xí)8086數(shù)據(jù)尋址方式，學(xué)生可以深入了解計算機如何通過地址訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以及如何進行地址計算和偏移量的處理。對于編寫高效的8086匯編代碼以及理解程序的執(zhí)行過程非常重要[6]，了解不同的尋址方式可以幫助學(xué)生選擇合適的方式來訪問和操作數(shù)據(jù)，提高程序的性能和效率。掌握8086尋址方式能為學(xué)生提供一個堅實的基礎(chǔ)，有助于理解更高級的計算機體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的概念。

3 EMU8086在8086數(shù)據(jù)尋址方式教學(xué)中的應(yīng)用

8086數(shù)據(jù)尋址方式是微機原理中的重要概念，它涉及內(nèi)存訪問和指令執(zhí)行的整個過程。8086 微處理器一般分三大類共7種數(shù)據(jù)尋址方式：立即尋址、寄存器尋址、存儲器尋址，其中存儲器尋址又分為5種，直接尋址、寄存器間接尋址、寄存器相對尋址、基址加變址尋址和相對基址變址尋址[7]。

EMU8086仿真器可以很好地模擬8086微處理器的運行過程，通過它學(xué)生可以更加直觀地了解數(shù)據(jù)尋址的過程和相關(guān)指令的執(zhí)行。在實際教學(xué)中，課前筆者通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，包括學(xué)生課前觀看線上短視頻了解知識點內(nèi)容、發(fā)布討論主題、完成預(yù)習(xí)基礎(chǔ)題目、安裝EMU8086仿真器并初步熟悉該軟件的使用方法。因8086數(shù)據(jù)尋址方式分類較多，易于混淆，在教學(xué)過程中，一定要根據(jù)學(xué)生的接收能力，由淺入深，由易到難，循序漸進引導(dǎo)學(xué)生。筆者在教學(xué)中一般以最簡單最直觀的方式入手，降低學(xué)生對難點的恐懼，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的信心和興趣。課中以立即尋址、寄存器尋址、直接尋址這三種尋址方式為例，介紹EMU8086課中的具體教學(xué)應(yīng)用。

3.1 應(yīng)用于立即尋址方式教學(xué)

立即尋址方式中，操作數(shù)包含在指令中，它作為指令的一部分，跟在操作碼后存放在代碼段。在理論教學(xué)中，一般以MOV指令為例，除立即數(shù)外還會涉及8086的內(nèi)部寄存器，單純的理論介紹，過于抽象，學(xué)生很難理解。這時借助EMU8086 通過運行相應(yīng)的指令，可以直觀看到寄存器的變化。例如，指令“MOVAX， 1234H”這里的源操作數(shù)SRC為立即數(shù)，源操作數(shù)的尋址方式即為立即尋址方式，完成的操作是把立即數(shù)1234H送寄存器AX中[8]。執(zhí)行前，AX寄存器的內(nèi)容是0000H，執(zhí)行后變?yōu)?234H，且可直觀看到高位12H放在AH中，低位34H放在了AL中，這樣學(xué)生不僅了解了立即尋址的方式，還通過觀察了解了16位立即數(shù)在寄存器中的具體存放方式，對了解CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理都有幫助。對比指令運行前后寄存器的變化，如圖1所示。

3.2 應(yīng)用于寄存器尋址方式

在寄存器尋址方式下，指令的操作數(shù)為CPU的內(nèi)部寄存器，可以是數(shù)據(jù)寄存器（8位或16位），也可以是地址指針、變址寄存器或段寄存器。這一尋址方式寄存器的內(nèi)容即是操作數(shù)本身。剛接觸時學(xué)生經(jīng)常會和后續(xù)學(xué)到的寄存器間接尋址混淆，如果只是單純的理論講授，學(xué)生很難分清兩者的區(qū)別，但是借助EMU8086結(jié)合實際的指令，學(xué)生通過觀察指令執(zhí)行前后存儲器或寄存器的變化，能夠很好地理解寄存器尋址。例如，以下幾行指令：

MOV AX，1234H

MOV BX，5678H

MOV BX，AX

這三行指令中，前兩行源操作數(shù)正好用到前面剛學(xué)習(xí)的立即尋址方式，通過EMU8086單步執(zhí)行觀察指令運行情況，進一步鞏固所學(xué)內(nèi)容。第三行指令中源操作數(shù)和目的操作數(shù)均為寄存器尋址方式。執(zhí)行前，AX、BX中內(nèi)容均為0000H；執(zhí)行最后一行指令后，AX的內(nèi)容賦給BX，均為1234H，前一行指令賦給BX 的內(nèi)容被覆蓋，賦值后AX的值不變，如圖2所示。

3.3 應(yīng)用于直接尋址方式教學(xué)

存儲器尋址是指操作數(shù)就在存儲器的數(shù)據(jù)區(qū)中，當(dāng)CPU需要訪問某一存儲單元時，先確定段地址，根據(jù)指令中的偏移量（也成有效地址EA） 形成物理地址，才能進行讀或?qū)懖僮?。存儲器尋址方式比較明顯的特點是指令中一般有“[]”。相對于立即尋址和寄存器尋址方式而言，因其形式多樣，學(xué)生學(xué)起來會更有難度。對于五種存儲器尋址方式，最好從直接尋址方式著手，由易到難，層層遞進，加上EMU8086的生動演示，學(xué)生更容易理解接受，也更能激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。直接尋址是存儲器尋址的一種，“[]”內(nèi)直接用常數(shù)給出偏移地址，數(shù)據(jù)的段地址默認為數(shù)據(jù)段。因本節(jié)學(xué)習(xí)時，還未開始學(xué)習(xí)指令，盡量用最簡單的指令說明教學(xué)意圖。例如，指令：MOV AX，[0016H]，指令完成的操作是把DS：0016H和DS：0017H兩個內(nèi)存單元中的內(nèi)容分別送AL和AH中，執(zhí)行后，AX的內(nèi)容為F490H。執(zhí)行前后寄存器及存儲器內(nèi)容變化如圖3 所示。

課中選擇立即尋址、寄存器尋址及直接尋址方式進行介紹，正好分屬8086數(shù)據(jù)尋址方式的三類。通過課前線上預(yù)習(xí)及EMU8086仿真軟件認識，課中借助EMU8086以通用傳送類指令MOV為載體，由易到難，分別對立即尋址、寄存器尋址和直接尋址方式進行單步運行演示，觀察寄存器、存儲器的變化，通過指令運行前后的對比，可以使學(xué)生對尋址方式有直觀的了解和認識。課中的演示教學(xué)法由淺入深，層層遞進，對比教學(xué)很容易使學(xué)生掌握基本三類尋址方式。但是，存儲器尋址方式相對于其他尋址方式而言更靈活，更復(fù)雜，更易混淆，是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點和難點。因此課上教學(xué)只是“師傅領(lǐng)進門”，而后續(xù)對4種存儲器尋址方式的掌握就是“修行靠個人”了。那么怎么確保學(xué)生可以“修成正果”呢？這個“修”的過程才是真正培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、自主學(xué)習(xí)以及動手能力的關(guān)鍵。對于存儲器尋址方式的寄存器間接尋址、寄存器相對尋址、基址加變址尋址和相對基址變址尋址4種方式的學(xué)習(xí)，可以采用任務(wù)驅(qū)動法，通過發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決實際問題。例如，分別采用直接尋址、寄存器間接尋址、基址加變址及相對基址變址的尋址方式，如何實現(xiàn)將DS：2000H存儲單元的內(nèi)容1234H 發(fā)送到DS：3000H 存儲單元中。以任務(wù)為驅(qū)動，借助學(xué)習(xí)通進行線上討論，線下通過教師引導(dǎo)、學(xué)生實操、課中匯報的形式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效果，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和實踐應(yīng)用能力。

4 結(jié)束語

為提高微機原理的教學(xué)效果，從課程內(nèi)容及特點出發(fā)，在混合式教學(xué)模式下，結(jié)合EMU8086的特點，以尋址方式教學(xué)為例，詳細介紹了EMU8086在8086 數(shù)據(jù)尋址方式教學(xué)中的應(yīng)用。實踐表明，EMU8086在微機原理數(shù)據(jù)尋址方式教學(xué)中效果明顯，能夠幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)的原理和概念。

在微機原理教學(xué)過程中，尋址方式只是入門，后續(xù)匯編相關(guān)指令以及接口應(yīng)用教學(xué)中可以充分利用EMU8086等信息化工具，結(jié)合實際教學(xué)內(nèi)容，不斷學(xué)習(xí)、潛心研究，使感性認識和理性認識相統(tǒng)一，使理論和實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力 [9]。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

基金項目：鄭州西亞斯學(xué)院校級教改項目《微機原理與應(yīng)用》 線上線下混合一流課程建設(shè)研究與實踐（項目編號2023JGYB16） ，2024年度河南省高等學(xué)校重點科研項目（項目編號：24B510016）