基于Proteus的微機原理與接口技術課程教學改革研究

王君瑞

摘 要 微機原理與接口技術課程是普通高等學校電類相關專業一門理論和實踐并重的課程。在教學過程中不僅要注重學生理論知識的學習，而且要注意加強學生實踐能力的培養和提高。針對該課程傳統課堂教學只注重理論教學、實驗教學偏重驗證性實驗的問題，利用Proteus軟件對課程的各個相關教學環節進行設計。教學實踐情況表明：將Proteus軟件引入微機原理與接口技術課程各教學環節，不僅能夠進一步激發學生的學習興趣，而且有利于培養學生綜合分析和解決問題的能力。

關鍵詞 微機原理與接口技術；Proteus；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0120-03

Based on Proteus Sensor and Detection Technology Course Tea-ching Reform Research//WANG Junrui

Abstract Microcomputer Principle and Interface Technology Course

is a theoretical and practical course for electricity related majors of

general colleges and universities. In the process of teaching， we should not only should pay attention to the study of students theo-

retical knowledge， but also strengthen the cultivation and improve-ment of students practical ability. In the course of traditional class-room teaching only focuses on theoretical teaching， experimental teaching the verification experiment， using Proteus software of

Microcomputer Principle and Interface Technology Course each

relevant teaching design. Teaching practice shows that the applica-tion of Proteus software in teaching， it can not only further stimulate students interest in learning， but also help to develop students com-prehensive analysis and the ability to solve practical problems.

Key words sensor and detection technology； Proteus； experiment teaching； teaching reform

1 引言

隨著時代及科技進步、經濟發展，高等教育所處的內外環境發生巨大變化，社會進步對于人才素質的培養要求日漸多樣化，改革傳統的教育模式成為時代的呼喚。微機原理與接口技術課程是普通高等學校電類相關專業學生一門理論和實踐并重的專業基礎課程，為學生后續學習單片機技術、DSP、ARM等課程奠定了必備基礎，是學習后續課程的重要前提[1-2]。該課程是一門理論和實踐同等重要的專業基礎課程，通過課程教學，一方面主要培養學生對微型計算機系統的認知能力，另一方面在認知基礎上培養學生進行系統軟硬件設計的能力。由于課程涉及微型計算機系統、軟硬件設計，包含的內容多，概念抽象，學生不好理解，因此感到學習起來比較困難。

另外，作為專業基礎課程，微機原理與接口技術課程一般針對大學二年級學生開設。由于大部分學生是初次接觸計算機硬件的知識，從而缺乏感性認識，導致學習過程中更加困難。在傳統理論教學中，通過板書和PPT顯示硬件電路，結合硬件電路進行講述[3]。但這種方式下顯示的電路是靜態的，學生只能通過教師的講述來理解電路，往往導致學習興趣不高，教學效率低。課后作業以書面題目為主，使得大學課程學習變為“后高中時代”。

在實踐教學中，實驗環節通常采用固定實驗箱和匯編集成開發環境模式，學生依據實驗指導書去連接導線、編寫程序，進而觀察結果[3]。但這種模式電路結構固定，程序代碼模式化，缺乏對學生進行自主學習的訓練，難以調動學生的學習積極性。教學實踐表明，在課程學習過程中，學生對微機系統中內存編址與擴展，I/O編址、多種工作方式及I/O接口芯片與CPU的連接等內容感覺學習困難[4-5]。

基于微機原理與接口技術課程課堂教學、實驗教學中的不足，結合實際教學經驗，將仿真軟件Proteus引入該課程教學中，課程中不再僅僅是完全理論知識的學習，而是通過“課前布置相關Proteus項目→課堂對項目重點引導→課下指導項目設計→課終由項目設計和考試綜合考評”的教學過程，提高學生的學習興趣和學習積極性。通過項目實施，進一步培養學生的實踐動手能力及綜合分析解決問題的能力，以彌補傳統微機原理與接口技術教學中的諸多不足。

2 Proteus仿真軟件的特點及應用

Proteus仿真軟件的特點 Proteus是1989年開發的一款工具軟件，該軟件可設計仿真電子電路和單片機系統，并支持在原理圖的虛擬原型上進行編程調試及功能驗證。2009年上半年，Proteus軟件推出支持8086的平臺，該平臺可支持微機原理與接口技術課程中的可編程接口芯片，如可編程并行接口芯片8255A、中斷控制器8259A、數模轉換器DAC0832、可編程計數器/定時器8253、模數轉換器ADC0809

等I/O接口芯片。它不僅支持對8086、單片機等微處理器進行仿真，而且支持對相關外圍電路進行設計與仿真。

將Proteus引入課程的課堂教學、實驗教學 微機原理與接口技術的內容包括微機系統工作原理、匯編語言、微機系統中內存編址與擴展，I/O編址、控制方式及I/O接口芯片與CPU的連接等，其中用到的可編程I/O接口芯片包括8259A、8255A、DAC0832、8253、ADC0809以及可編程串行接口芯片8251A等。這些I/O接口芯片的引腳數目多，存在多種工作方式。學生在學習過程中往往缺乏感性認識，造成理解困難。Proteus軟件支持8086CPU及外部可編程I/O接口芯片，支持利用匯編語言、C語言及混合語言進行編程。把Proteus軟件引入微機原理與接口技術教學中，可使學生對課程內容兼具理性和感性認識，深化理解課程內容。

另外，Proteus軟件可提供虛擬的輸入輸出器件或設備，如開關、按鈕、鍵盤、發光二極管、數碼管及LCD顯示等，直觀實現信息的輸入輸出交互。在課堂教學中，如講述中斷控制器8259A時，要求學生重點掌握如何設置8259A的工作方式，如何進行初始化編程及應用程序的設計。

傳統的教學方式通常采用PPT結合板書，首先講述8259A

的工作狀態和操作方式；然后給出如何進行初始化命令字的順序寫入，如何設置操作控制字；最后舉例，促進學生理解這些設置方法。但通過PPT和板書給出的例子，學生聽起來比較抽象、枯燥。這種情況下，借助Proteus軟件，可以一邊講述，一邊由Proteus軟件演示8259A的工作方式如何進行設置，如何初始化編程以及最終實現效果如何，這樣使得舉例變得生動形象化，從而進一步激發學生學習的興趣，使學生對于課程內容有更直觀、更清晰的認識。

對于實驗教學，大部分普通高等學校都采用微機原理實驗箱來完成，通常實驗教學多數設置驗證性實驗和演示性實驗。學生一般是照著實驗指導書，接接線，敲敲程序代碼。實驗完成后，系統、芯片的工作原理是怎樣的，程序為什么要這樣編寫，學生的認識是很模糊的。將Proteus軟件引入實驗教學中，教師可以借助Proteus所提供的元器件和外設模型，選擇CPU、各種可編程外圍I/O接口芯片及外設，選擇符合教學、符合實驗室條件、符合學生水平的課題，進行原創實驗設計，以提高學生的學習興趣和積極性。

利用Proteus設計改進課程的考核方式 傳統的微機原理與接口技術科目考試通常是通過期末考試來考查，由試卷成績來決定學生是否通過該課程的學習。某些學生為應對考試，不是把精力放在課程內容的理解上，而是僅僅憑借考前突擊記憶背誦就可以取得高分。另外，采用一卷考核，考核內容不可能包括微機原理與接口技術教學中的全部內容，這必然會造成考核結果存在偶然性，不能有效、真實地考核學生平時學習過程中對相關知識和技能的掌握程度。因此，利用Proteus仿真改進微機原理與接口技術課程的考核方式，采用“試卷成績+Proteus仿真設計+實驗成績”累加式考核方式，真正有效地加強學生綜合分析和解決問題能力的培養。

3 Proteus仿真在教學的實踐舉例

下面以基于Proteus軟件的8086CPU和中斷控制器8259A

的接口擴展電路仿真為例，具體闡述在微機原理與接口技術課程教學中應用Proteus軟件的方法。

課題：按鍵觸發中斷，控制基本I/O驅動LED循環點亮 在微機原理與接口技術課程中講述可編程中斷控制器8259A內容時，需要學生重點掌握8259A的工作方式設置、初始化編程及應用程序的設計。8259A編程包含兩個部分：

第一部分為初始化編程，在中斷系統進入正常運行之前，通過設置初始化命令字來預置工作方式；

第二部分為工作方式編程，通過對8259A寫操作命令字來實現8259A運行中的操作控制。

當按照一定的順序對8259A寫入初始化命令字后，為了在系統運行中能夠對8259A管理中斷的方式進行修改和設定，可寫入操作控制字。使用Proteus軟件，演示8259A的工作方式如何進行設置，如何初始化編程，形象演示實際效果。本課題設置中斷控制器8259A的IR0為60H中斷，通過按鍵觸發中斷，利用基本I/O驅動LED燈亮滅。

實驗方法 為了達到上述要求，可設計某PC系列微機系統使用8259A作為接口，在Proteus軟件中繪制該中斷應用的硬件原理圖，需要的元件包括8086CPU、可編程中斷控制器8259A、三態輸出的地址鎖存器74LS373、八D型觸發器74273、按鈕、LED發光管。圖1為該中斷應用的硬件原理圖，其中觸發器74273的輸出完成8259A和基本I/O電路的芯片尋址和端口操作。

程序設計 Proteus軟件本身并沒有提供8086編譯器，其通過添加外部代碼編譯器，本課題利用EMU8086軟件進行程序的編寫和編譯。首先新建工程，加入編寫好的源代碼；其次編譯并生成可執行的COM或EXE格式的程序文件。程序流程如圖2所示。

利用編譯軟件建立工程，編寫源程序，編譯生成COM或

EXE文件后，在Proteus軟件原理圖界面雙擊8086CPU，把生成的COM或EXE文件路徑添加到8086CPU。點擊仿真運行按鈕，可觀察到相應的LED燈的亮滅狀態，確定是否符合設計要求。

4 結語

將Proteus軟件引入微機原理與接口技術課程的教學各環節，可以有效地彌補傳統微機原理與接口技術課堂教學、實驗教學的諸多不足。采用Proteus軟件，在一定程度上擺脫了微機原理實驗中依賴傳統硬件條件的局限性。學生可以利用該軟件練習或設計微機系統的接口實驗，從硬件電路選型設計、程序代碼編寫到仿真結果觀察，既激發了學生的學習興趣，又增強了學生綜合分析解決問題的能力。今后還需繼續探索，不斷優化和更新教學內容，進行教學改革，增強教學效果。

參考文獻

[1]劉民岷.《微機原理及接口技術》課程教學及實驗改革實踐[J].實驗科學與技術，2013，11（1）：64-66.

[2]鐘國輝.以設計性實驗為牽引的微機原理課程教學[J].高等工程教育研究，2013（3）：154-158.

[3]王志軍，楊延軍，王道憲.微機原理實驗課程內容的層次化設計[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：105-107.

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[5]周寧寧，王偉，成衛青.微機原理與接口技術課程教學模式研究[J].實驗科學與技術，2011，9（4）：117-119.