Proteus在微機原理課程教學中的應用

田社平，俞水鋒，方向忠，茅旭初

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

“微機原理與接口技術”是電類專業的一門必修專業基礎課程［1］。其主要任務是通過課堂教學和實驗環節，結合Intel 80x86系列CPU，使學生掌握計算機組成、CPU內部結構、存儲器、常用的I/O接口、指令系統、匯編語言等基本原理，培養學生應用計算機硬件和軟件基礎知識的能力，達到能夠利用外圍芯片設計開發小規模的計算機應用系統的目的，為將計算機運用到現代通訊、信息處理、自動控制與檢測等領域打下堅實的基礎。

在該課程的教學過程中，學生對8086系統中內存與I/O編址、內存擴展、IO接口芯片與CPU的連接、可編程接口芯片復雜的工作方式等內容普遍感覺比較難以掌握，而在微機原理實驗課程中，采用的微機原理試驗箱由于其內部線路已經連好，沒有給學生實際設計微機系統的機會，實驗效果不是很理想。尤其是在教學實踐中，往往先進行理論課教學，然后再開展實驗教學，使課程的理論部分和實驗部分存在脫節的現象。本文基于筆者的教學實踐，討論仿真軟件Proteus在微機原理與接口技術課程教學的應用。

Proteus是由英國Labcenter公司開發的一款電路與嵌入式系統設計與仿真平臺，它由ISIS和ARES 2個軟件包構成，ISIS是原理圖編輯與仿真軟件包，ARES 是布線編輯軟件包［2，3］。ISIS 軟件可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，支持許多型號的單片機仿真。特別地，從Proteus 7.5 SP3版本開始，Proteus對8086CPU及相關接口芯片提供了支持。

1 采用Proteus仿真8086微機系統

1.1 Proteus虛擬仿真模塊的特性

Proteus虛擬仿真模塊(VSM)包含了基于傳統8086處理器的開發、測試和虛擬系統建模的幾乎全部功能。所支持的可編程接口芯片包括:可編程外圍接口芯片8255A、可編程計數器/定時器8253、可編程串行接口芯片8250A和8251A等。該軟件支持全部8086CPU指令集和寄存器，支持8086CPU所有總線、內存和其它I/O引腳操作，還支持8086系統的所有中斷模式。目前Proteus的最新版本僅支持8086最小系統模式，不支持8086最大系統模式。

1.2 仿真方法

Proteus能夠完全模擬實際微機系統的設計和調試過程，利用該軟件進行8086微機系統仿真采用如下步驟。

(1)硬件系統的設計與輸入—根據設計要求，設計的8086微機硬件系統利用Proteus的ISIS模塊進行原理圖輸入和編輯。圖1所示為可編程芯片8251A、8253A 與8086接口的仿真電路圖［4］。

圖1 8086微機系統仿真電路

(2)程序的編寫和編譯—選擇任一支持8086匯編語言的編譯器，編寫匯編源程序，然后進行編譯、鏈接生成可執行的COM或EXE格式的程序文件。

(3)系統調試—Proteus支持多種程序調試方式，Proteus中的8086模型能直接加載BIN、COM和EXE格式的文件到內部RAM中去，而不需要DOS，并且允許對Microsoft(Codeview)和Borland格式中包含了調試信息的程序可以進行源和/或反匯編級別的調試。一種簡單的程序調試方法為:進入Proteus軟件的ISIS環境，將程序文件加載到8086模型中;點擊運行鍵，仿真電路開始運行，通過觀察運行效果判斷硬、軟件設計的正確性。

2 仿真實例

Proteus幾乎支持“微機原理與接口技術”課程的全部教學內容(8086最大系統模式目前不支持)。下面以8086串行通信電路(圖1)為例介紹Proteus的應用方法。

2.1 串行通信電路設計

采用可編程串行通信接口芯片8251A和8086CPU進行電路設計給出了如下說明。

(1)8086CPU的時鐘頻率取8MHz，8251A的發送時鐘信號和接收時鐘信號由可編程計數器/定時器芯片8253A提供。8253A的輸入時鐘由系統時鐘(8MHz)經過4分頻后提供，即8253A的輸入時鐘頻率為2MHz，該頻率為8253A所能接受的最高頻率。

(2)I/O端口地址采用3－8譯碼器74LS138實現。為簡化設計，只有低8位地址參與譯碼，由圖1可知，I/O芯片的地址分配可取為:8253A計數器0的地址為80H，控制口地址為86H;8251A的數據口地址為88H，控制口地址為8AH。

(3)串行通信格式為:9600kps波特率，8位數據，偶校驗，1個停止位。取波特率因子為16，則8253A計數器0的初始值為2M/(9600×16)=13。

(4)采用Proteus提供的虛擬終端VT與8251A的串行接收數據端RxD和串行發送數據端TxD互聯，便于程序運行結果的觀察。

2.2 程序編寫和編譯

采用EMU8086軟件提供的編譯環境進行程序的編寫和編譯。EMU8086是一款基于Windows的8086匯編語言編譯、調試和仿真軟件，其界面友好、操作簡單，得到了較為廣泛的應用。程序編譯正確后，將生成COM格式的可執行文件。

2.3 仿真效果

啟動Proteus軟件的ISIS環境，調入圖1電路，雙擊8086模型(U1)，在彈出的“Edit Component”對話框中，輸入COM格式的可執行文件名及其文件路徑，同時輸入時鐘頻率為8MHz。雙擊虛擬終端VT，在彈出的“Edit Component”對話框中，設置串行通訊格式:9600kps波特率，8位數據，偶校驗，1個停止位。

點擊運行鍵或按F12鍵，打開虛擬終端的輸出窗口，顯示結果如圖2所示，串行運行結果和設計要求一致。

2.4 進一步的討論

Proteus除了可以進行虛擬電路仿真外，還提供了物理接口模型(Physical Interface Model)，利用物理接口模型可建立虛擬電路與外部通信的橋梁，其中與實際外部串行接口通信的模型為COMPIM，如圖3所示。借助于COMPIM，仿真電路可通過本機的RS232接口與外部通信。

2 程序運行結果

圖3 串口物理接口模型

由于電路是以仿真模型的方式運行，其運行的實時性受到運行Proteus軟件的計算機性能的限制。如果在仿真過程中，電路運行的實時性得不到保證，Proteus會給出“Simulation is not running in real timedue to excessive CPU load.”的提示信息。對串行通信而言，如果通過COMPIM和外部的實際串行接口電路進行通信，則必須保證時序的實時性要求，否則將得不到預期的結果。一種解決辦法是盡量降低仿真電路中8086CPU的工作頻率，同時選用較低的波特率。

3 結語

在“微機原理與接口技術”課程教學中，我們利用Proteus軟件，完全可以仿真8086系統中內存與I/O編址、內存擴展、IO接口芯片與CPU的連接、可編程接口芯片編程等內容，但Proteus不包括8237A的仿真模型，因此無法仿真8237A DMA控制器的接口與編程。

我們可以在課堂教學中直接引入Proteus軟件，通過邊講授微機原理與接口技術的理論知識，邊借助Proteus軟件驗證、演示微機系統的運行結果，有利于發揮教師的教學想象力。也可以在學生課外學習中使用Proteus軟件，由于軟件操作的簡單性和低成本性，在學生的課前預習和課后復習中可非常方便地運用Proteus來加深對微機原理與接口技術知識點的理解。

［1］ 吉向東，李新鄂.基于Proteus的微機原理實驗仿真［J］.信息技術.2010，No2:36－39

［2］ www.labcenter.com/

［3］ 周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真［M］.北京:北京航空航天大學出版社.2006

［4］ 周荷琴，吳秀清.微型計算機原理與接口技術［M］.合肥:中國科學技術大學出版社.2008