基于Proteus的微機原理與接口技術教學改革

朱敏玲， 張 偉, 侯凌燕

(北京信息科技大學 a. 計算機學院；b. 網絡文化與數字傳播北京市重點實驗室，北京 100101)

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基于Proteus的微機原理與接口技術教學改革

朱敏玲a,b， 張 偉a, 侯凌燕a

(北京信息科技大學 a. 計算機學院；b. 網絡文化與數字傳播北京市重點實驗室，北京 100101)

針對微機原理與接口技術課程的概念抽象及實踐性和綜合性都很強的特點，分析了傳統理論和實踐教學中存在的難點和問題，提出應用仿真軟件Proteus的解決方法。在分析了Proteus對微機原理與接口技術授課內容的器件、調試手段及環境等的支持程度后，通過實際的教學案例，對理論教學和實踐教學兩個方面的改革進行闡述和分析。通過這些教學案例的實踐證明，基于Proteus的理論和實踐教學能夠提高學生的學習興趣、鍛煉學生的軟硬件綜合開發和設計能力、降低實驗成本。

微機原理； 接口技術； 教學改革； Proteus

0 引 言

“微機原理與接口技術”是計算機、電子信息、自動化等專業學生必修的一門實踐性和綜合性很強的技術基礎課程[1-2]。課程跨越計算機硬件與軟件兩個層面的綜合知識，涉及的內容多且枯燥，概念抽象不易理解[3]。在理論教學中, 用板書畫圖費時費力，用PPT 演示時，很難把復雜電路顯示清楚，且實例靜態枯燥，學生提不起興趣，教學效率低。在實踐教學中，往往因實驗儀器設備與元器件、實驗場地和實驗時間等的限制而放棄一些創新設計，挫傷學生進行實驗和探索的積極性，而且學生通過不斷拆卸元器件進行系統調試的方法，容易造成資源的浪費，增加設計成本[4-5]。鑒于上述教學難題和困境，本文展開基于Proteus虛擬仿真技術進行微機原理與接口技術的理論和實踐教學的研究與探討。

1 Proteus與微機原理及接口技術的結合

Proteus虛擬仿真技術是通過英國Labcenter 公司開發的Proteus軟件平臺來實現的[6]。該平臺是一款電路分析與實物仿真軟件，具有實驗資源豐富、實驗周期短、硬件投入少、實驗過程損耗小和與實際設計接近程度大等優點。其與微機原理與接口技術的完美結合主要體現如下。

首先，對8086CPU 及8251A、8253、8255A、8259A、ADC0809等相關接口芯片的支持比較完善，支持匯編語言、C語言及混合編程。更具有特點的是可以利用系統提供的虛擬的輸入輸出器件或設備，如開關、按鈕、鍵盤、發光二極管、數碼管、LCD顯示器及圖形儀表等直觀實現信息的輸入輸出交互[7]。并同時能進行編譯和仿真，能夠不接硬件電路直接實時地進行程序仿真，課堂中可隨時打開軟件給學生直觀、生動且實際的動態演示其工作原理及工作過程[8]。也能夠利用硬件仿真器，通過連接微處理器的硬件電路，在仿真器中載入程序后進行在線實時仿真調試。

其次，同時支持模擬電路和數字電路仿真，并提供了示波器、信號發生器及邏輯分析儀等虛擬儀表。利用虛擬儀器可在仿真過程對外圍電路特性進行實時測量和顯示，有利于培養學生對實際硬件電路的調試能力。另外，具有的RS232動態仿真、I2C 調試器、SPI 調試器、鍵盤和LCD 系統仿真的功能有助于綜合實驗的擴展和設計創新研究。

總之，它能基于微處理器連同所有外圍電路一起仿真，能在虛擬系統上進行編程和實時調試；它是一個全開放性的仿真實驗平臺，相當于一個設備齊全的綜合性實驗室。

2 理論教學改革與教學案例

傳統的教學體系和方法是先原理后實驗，其授課順序多數為8086CPU硬件結構、尋址方式與指令系統、匯編語言、系統構成、外圍接口芯片原理與應用、綜合系統設計。理論教學學時至少是配備的實踐教學的2倍以上[9]，并且實驗教學環節多數在匯編語言程序設計之后才開始，軟硬件講解和介紹很難融合。這樣將導致的結果：首先，以講解大量的原理開頭和引導學生入門會使得學生理解非常困難從而感到非常枯燥和乏味，很難再提起學生對本門課程的學習興趣；其次，理論講解過多會使得課程安排頭重腳輕，實踐課程比例縮小，應用設計能力很難提升；并且，先理論后實踐，容易造成實踐和理論相脫節，理論融入實踐的程度很難提升[10]。所以，應在理論講解的過程中，不斷融入實踐環節。在課堂上,通過多媒體教學設備, 學生在Proteus軟件平臺的直接演示下,能夠直觀并清楚地看到從硬件電路設計到編程,再到調試的整個過程，以此來提高學生的學習興趣，同時使得理論與實踐能夠緊密結合。

CPU時序與總線操作內容是本門課程學習的關鍵環節，是學生真正走進這門課的大門，同時也是較為難理解的部分。下面以此環節的理論教學過程為例闡述基于Proteus的理論教學改革方法。

CPU時序所研究的是指令執行過程中各個信號間的相互關系，其涉及很多專業術語和概念，綜合性強，對沒有工程經驗的學生來說很難理解，但其有利于學生深入理解指令的執行過程。特別在實時控制系統中進行CPU系統設計的時候，在CPU與存儲器和IO端口的連接時為保證正確并實時進行數據交互需要考慮時序[11]。

首先，從宏觀上給學生講解CPU時序操作能夠實現的功能操作：對存儲器和IO設備的讀寫操作；中斷響應操作；系統復位操作等。在此過程中切入以前的總線操作、機器周期、總線周期、指令周期的概念和關系。實際上這些知識點都比較抽象、枯燥，學生基本都是以硬性的概念來理解和背記。在學生似懂非懂的時候，再利用Proteus仿真軟件進行案例講解。選用常用并且容易理解的操作案例來講(學生已經接觸到的)。如CPU與存儲器和IO設備的讀寫操作，因為在個人電腦的使用過程中多數時間都是讀寫操作，比如進行WORD文檔的存盤過程就是CPU的寫過程。通過鍵盤向電腦輸入信息的時候就是CPU的讀過程，這樣使得學生從抽象讀寫概念轉換到實際的信息交互過程中，同時它是最基本也是最重要的操作。從而使得本課程由原來的枯燥抽象的名詞解釋，變成現在生動、淺顯與具體的概念，便于學生理解和掌握，激發學生的學習積極性。

圖1為8086CPU與IO芯片連接的系統原理圖，在課堂上通過Proteus軟件，能夠隨意被放大和縮小，學生可以直觀并清楚地看到CPU各管腳信號如何與外部IO芯片的連接方法和連接過程。進一步鞏固上節課所學的CPU管腳功能特性，并能初步建立學生的計算機應用的系統概念。而在傳統的講課方法中，通常沒有這樣的系統原理圖，只是教師口授概念，學生很難進入狀態，構建系統概念固然很難實現。即使有，也是局部的，因為在一張PPT上很難清楚顯示整個系統原理圖。

圖1 8086CPU與IO芯片連接原理圖

圖2 信號仿真邏輯圖

還沒學習指令系統和尋址方式，但是正好引入下一章節的學習內容，激發學生預習下節課內容的興趣，并且這樣能夠讓學生很好地把握各個章節的關系，便于本門課程的知識體系學習。最終使抽象深奧的原理和概念建立在具體的例子之上，便于學生對這些原理和概念的理解。

圖3 源代碼執行圖

3 實驗教學改革與教學案例

傳統實驗教學方法多數是利用硬件實驗箱來完成，這存在著很多的不足。

首先，實驗箱上芯片已經固定、線路基本都已經連接好。因而，實驗箱上功能電路的限制、實驗內容比較固定、實驗個數有限及實驗內容的更新受限[12]。并且實驗指導書中除了給出實驗的任務與要求及實驗的原理性說明外，也會給出實驗線路的連接說明[13]。所以一般實驗以驗證性為主，通常學生照本宣科地完成教學大綱中所規定的實驗。雖然這種方法能從一定程度上幫助學生熟悉微機系統的軟硬件開發環境，但學生很難進行創新設計，影響創新能力的培養。

其次，實驗箱價格昂貴，容易損壞，因學生們多數都是第一次學習本門課程，對實驗箱的操作流程不能清晰的記在腦中，經常會誤操作，從而對實驗箱造成一定損害[14]，而且學生也因此會畏手畏腳，不敢大膽嘗試，進一步挫傷學生的積極性。

同時，實驗箱只有固定的專業實驗室才有,微機實驗箱及配套的儀器設備由于受到場地、時間及資金等的限制，通常不會有充足的資源，即使全方位開放，學生也不能在課余時間隨時進行實驗或創新設計，很難滿足學生。下面以實際的實驗教學案例為例闡述基于Proteus的實踐教學方法。

3.1 課堂實踐教學案例

首先，實驗指導書只給出實驗的內容、目的、要求及一般原理性說明，不給出具體硬件原理圖及連接說明，學生必須根據實驗內容、目的及要求在Proteus 中獨立設計實驗硬件原理圖及連線方式。然后學生根據自己的原理圖編寫程序，再在Proteus 中仿真與反復調試。調試通過之后，根據原理圖在硬件實驗箱搭建實際的硬件實驗電路，對真實的系統進行聯機調試、觀察實驗效果、分析實驗結果，最后寫出實驗報告。以8255A的應用接口實驗為例講解基于Proteus的微機接口實踐教學過程。

3.1.1 實驗內容與要求設計

(1) 實驗目的。理解8255A并行接口芯片的工作原理；掌握其工作方式0下的工作特征及各端口設置方法；進一步加深基于8086CPU的系統構成方法。

(2) 實驗內容。8255A的A口接邏輯電平開關K1～K8，B口接LED顯示電路D0～D7，電平開關K0～K7分別控制顯示電路中LED的D0～D7的亮與滅。

(3) 實驗步驟。①根據實驗內容與目的設計實驗電路系統原理草圖；②在Proteus平臺中選擇器件并繪制詳細的原理圖；③根據所設計的原理圖進行程序設計：④仿真與調試；⑤實際硬件搭建；⑥聯機調試與實驗效果的觀察與分析；⑦整理軟硬件實驗平臺。

3.1.2 硬件電路的設計與實現

3.1.3 軟件編程與實驗調試

對于此實驗，軟件編程主要考慮的是8255A的初始化及LED燈的顯示效果的控制。在8255A的初始化之前，從原理圖中分析：譯碼電路采用的是部分譯碼方式，若采用獨立編址方式，A口、B口、C口及控制口的地址分別為X8000H、X8002H、X8004H與X8006H；控制字為90H。LED燈的顯示效果的控制可以較為隨意的設計。

運行Proteus，輸入源程序并保存為后綴名為.ASM的文件，然后編譯與調試，查看相關寄存器與存儲單元的內容變化情況是否準確，最后生成。HEX文件。此時，調用.HEX文件對硬件電路設計進行仿真，相當于虛擬的實驗調試結果的查看，如圖5所示，DSW1單元中的3、4、5關閉時分別表示K3、K4與K5開關線路接通，運行結果是D3、D4、D5的LED燈由原來黑色點亮為黃色，表示對應LED燈已經點亮了。

為了實驗不脫離實際，利用Proteus提供的配套的硬件實驗箱進行實物的連接和驗證，再次對軟硬件進行聯機調試并觀察實驗結果，并與虛擬仿真的結果進行對比和驗證。最后分析實驗結果并寫出實驗報告，完成一個實驗項目的全部任務和要求。

3.2 課后實踐教學

目前的實踐教學都是在固定的實驗室來進行，時間、場地、實驗內容和資源都有所限制。若采用網絡版的Proteus,可真正實現實驗室的虛擬化、網絡化以及實驗室的開放。每個學生都可隨時通過授權賬號進行Proteus的仿真和實驗，則學生參與設計和實驗的機會大大增多，能夠得到充分的訓練和學習。并且能夠不受限制的施展自己的想法，不斷提升學生的實驗興趣和創新思維，也有利于提升‘實驗設備’的利用率[15]。

圖4 8255A應用實驗原理圖

4 結 語

理論與實踐教學的改革與創新是計算機、電子信息、自動化等專業人才培養的重要內容。基于Proteus仿真軟件在微機原理與接口技術理論課程教學的應用，有利于教師在理論課程上深入淺出的講解各種相關專業概念、有利于學生迅速掌握微機系統的整體特性與其應用方法。對于實踐課，利用其虛擬的器件、儀器、總線接口等不但經濟適用，而且消除了學生學習硬件電路時的恐懼心理，有利于學生大膽嘗試和創新。若條件允許，在虛擬實驗之后再進行實際的硬件搭建和實驗，則能真正鍛煉學生的軟硬件的綜合開發和應用能力。

圖5 仿真執行效果圖

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Teaching Reform of Microcomputer Principles and Interface Technology Based on Proteus

ZHUMin-linga,b，ZHANGWeia，HOULing-yana

(a． School of Computer Science; b. Beijing Key Laboratory of Internet Culture and Digital Dissemination Research, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China)

In view of abstract concept and practical and comprehensive features in the course of microcomputer principle and interface technology, this paper analyzes the difficulties and the problems existed in the traditional theory and practice teaching, then it proposes a method based on Proteus simulation software to resolve these difficulties and problems. After it analyzes the relation between the course and the Proteus from components, debugging tool and design environment, and so on, the theory and practice teaching reform is presented and analyzed through some actual teaching cases. And the practice tests prove that these methods based on Proteus in theory and practicing teaching could improve the students' study interest, train the students' comprehensive capability of development and design on hardware and software, and reduce the experiment cost.

microcomputer principle; interface technology; teaching reform; Proteus

2015-02-27

北京市自然科學基金(9144028);教學改革項目(2014KG36)；網絡文化與數字傳播北京市重點實驗室開放課題(ICDD201509)；京市屬高等學校創新團隊建設與教師職業發展計劃項目(IDHT20130519)

朱敏玲(1979-)，女，黑龍江哈爾濱人，博士，講師，研究方向：嵌入式系統與數據挖掘。

Tel.：15210906179；E-mail:zhuminling@bistu.edu.cn

TP 391.9；G 4642.0

A

1006-7167(2016)01-0155-06