基于Proteus仿真的《微機原理及應用》實驗教學改革與實踐

肖潔 洪連環 方平

摘? 要： 從實驗教學手段、教學內容、教學組織及評價三個方面對《微機原理及應用》實驗教學進行改革。以簡單IO接口擴展實驗為例，闡述了仿真軟件proteus和Emu8086在微機原理實驗中的應用。在《微機原理與應用》實驗教學中引入仿真軟件，有助于加深學生對微機系統擴展軟硬件設計知識的理解。實驗成本低，實驗設計更為靈活，實驗效果顯著。

關鍵詞： Proteus;Emu8086;仿真;微機原理實驗

【Abstract】： The teaching reform of the experimental course for Microcomputer Principle and Appliation concentrates on three aspects： experimental method， experimental contents， organization and evaluation system. An example， which is about the input and output interface， is given to discribe the application of Proteus and Emu8086 in the experiment teaching for microcomputer principle and appliation. Introducing the simulation softwares into the experiment teaching of microcomputer principle and appliation can help the students to understand the knowladge of the software and hardware designing for the microcomputer extension system. The cost of the experient is lower and the experiment is more flexible. The effect of the experiment is remarkable.

【Key words】： Proteus; Emu8086; Simulation; Experiment for microcomputer principle

0? 引言

《微機原理與應用》是很多理工科專業的一門專業基礎課。該課程以8086/8088為控制核心，主要講述匯編語言程序設計和外部接口電路擴展兩部分知識。要求學生掌握微型計算機內部的硬件組成及使用，理解接口電路擴展的概念，讓學生理解和掌握外部接口電路擴展原理，并且學會軟、硬件結合系統設計。

該課程概念多、專業知識抽象，實踐性強[1]，大多數學生在學習的時候感覺比較吃力。而且目前高校專業課程普遍壓縮學時，更是讓很多學生雪上加霜。本專業《微機原理與應用》實驗設置了10h實驗，但因為硬件環境限制，長期以來實驗教學變成了匯編語言編程訓練。側重幾種基本結構的匯編語言程序設計，完全忽略了微機系統硬件擴展及其系統設計，且使用Debug調試和運行程序，操作麻煩，界面不夠友好[2]。學生學習興趣不高，學生動手能力、創新能力沒有得到很好的鍛煉，學生實驗收獲甚微。因此，課程實驗教學改革勢在必行。

1? 實驗教學改革

目前，高校中微機原理實驗主要是通過硬件實驗箱的操作來完成，學生通過簡單的接線、編程達到實驗目的。但是這種實驗箱的線路、芯片多已固定，且封裝在實驗箱內，學生不能看到完整電路連接，只能按照規定步驟完成指定實驗，實驗內容難以擴展，學生動手實驗的創造性和積極性受到制約，教學效果不明顯。且實驗箱價格昂貴，極易受到損壞，維護困難，實驗成本較高[3]。

1.1? 實驗手段改革：現代仿真技術引入教學中，彌補課堂不足，提高教學質量

作者經過幾年教學摸索后，從軟件設計+硬件設計兩方面入手，拋棄傳統實驗箱操作，嘗試利用仿真技術對微機原理及應用實驗教學進行改革。一方面利用仿真軟件Emu8086輔助教學取代原先Debug軟件實驗，讓學生在windows環境下觀察指令各個步驟的執行結果、CPU內部寄存器、存儲器、堆棧區、變量和標志寄存器的當前值，軟件界面簡單直觀，學生上手容易[4]，可以幫助加深學生對于抽象指令的理解，提高學生匯編語言程序設計能力。另一方面將利用EDA工具軟件Proteus引人實驗教學。利用該軟件提供的大量模擬與數字元器件、外部設備和各種虛擬儀器[5]，設計基于8086的外部接口擴展電路。結合Emu8086軟件生成的COM格式或者EXE格式的文件，完成系統功能仿真實驗，到軟硬件結合系統設計教學的目的。這種教學方法形象、直觀，學生能更快地掌握新內容，對課程內容理解得更為透徹，教學效果明顯改善。

1.2? 實驗內容體系改革：實驗體系層次化設置，內容多樣化選擇，自主靈活

本課程采用清華大學出版社教材《微型計算機原理及接口技術》，根據教學內容，分層次設置13個實驗，包括5個匯編程序練習和7個單項硬件擴展實驗以及1個綜合實驗，具體設置如下圖1所示。第一層次實驗內容主要針對匯編語言編程，因為學生都已經具有C語言編程基礎，對于程序的結構有一定程度的掌握，該階段的實驗一般都要求學生課后自主練習，只選取其中一個實驗做現場統一考核，方便教師掌握學生程序設計的基礎以及編程軟件使用熟練程度。第二層次實驗內容側重微機系統硬件擴展，這是本課程的教學重點，根據教學進度一般要求完成其中4個實驗內容，作為實驗成績考核標準。這一層次的實驗主要訓練學生微機系統設計原理掌握和方法運用，以及Proteus軟件的使用及其仿真方法。第三層次的實驗設計是對整個課程知識點的綜合運用，屬于對教學內容掌握拔高層面的設計，不作為成績考核要求，有能力的學生可以嘗試。實驗設置覆蓋全課程系統知識點，難度依次遞進，符合教學計劃要求。

1.3? 實驗考核體系改革：包容學生差異性，允許學生“自助”選擇，主動性提高

由于學生能力有不同，按照以往統一內容統一組織實驗的模式，有的學生在難度較大的實驗上進展困難，出現怠懈、甚至抄襲的現象。針對這種現象，對實驗教學組織模式進行改革。允許學生在各層次實驗中自由選擇實驗，完成操作，作為實驗成績考核依據。只要能夠完成各個層次實驗的學時要求都可以判定合格，如果在各層次內選擇完成的是難度較大，綜合性較強的項目，則可以升級判定為良好或者優秀。學生自主選擇項目，設計開發軟件程序或硬件系統，完成特定的功能，滿足了學生的成就感。這種包容學生差異性的實驗組織和考核模式，更大程度地激發和保護了學生的學習興趣，有利于提高學生參與性，充分發揮學生在實驗中的主體地位和創新能力，提高學生的學業成績。

1.4? 實驗教學樣例：

以簡單I/O接口擴展實驗為例，要求學生以8086為控制核心CPU，進行輸入輸出控制系統設計，要求能夠實現簡單按鍵對LED的有效控制。設計電路不指定，設計程序無參考。根據教學內容，在實驗內容上進行如下表1層次設計：

這個實驗的設計主要是要考核學生軟件編程與硬件系統設計結合的能力，是微機原理實驗中從純粹匯編語言編程過渡到硬件系統開發的一個實驗。因而對學生的要求是只要能夠自行設計并用Protues軟件繪制出完整的電路圖，并編寫程序，實現輸入按鍵對LED燈顯示的有效控制就可以判斷實驗合格。例如，設計輸入輸出控制系統如圖2所示。分析輸入輸出接口電路地址：要使74ls245工作，地址總線上A7=1，A4=0，同時A2A1A0=000B，得到輸入接口芯片74LS245的地址為0080H;而74ls373有效時，A2A1A0=110B，則輸出接口芯片74LS233地址為0086H。

采用數據無條件傳送方式，設計實驗用8個LED燈對應顯示按鍵按下的信息。根據電路連接，按鍵按下后，按鍵信息為低電平，而電路中8個LED燈共地，要點亮LED燈，系統輸出電平信號應該為高電平。則按照要求，按鍵按下相應LED燈點亮，設計程序如下：

加載程序得到仿真結果如下圖2所示，K1、K3、K5、K7按鍵按下后，對應的LED1、LED3、LED5、LED7顯示燈亮。完成實驗要求，可以判定實驗合格。

學生在完成實驗要求后，可以在同一電路圖下，進行匯編語言順序結構、分支結構、循環結構、子程序結構程序設計訓練，編寫不同的程序，仿真調試，模擬不同的控制情況。學有余力的同學還可以改變硬件電路地址連線，重新編寫程序，訓練學生軟硬件結合設計能力。實驗內容豐富，靈活多變，實驗要求層次分明，實驗成績判定有依據。而且實驗過程中采用計算機仿真軟件Protues和Emu8086結合，完全脫離了實物操作箱限制，電路設計更為自由，同時避免了元器件故障和損耗問題，仿真結果一目了然，學生成就感高、參與性強，實驗效果明顯提高。

2? 結論

利用Proteus和Emu8086仿真軟件來進行8086系統的接口實驗，在教學實驗仿真中具有很大的優勢，可使學生在硬件資源不足的條件下學習匯編語言程序編程和硬件電路設計，并通過仿真結果驗證程序的正確性，更好的幫助學生理解微機系統硬件擴展的知識，實驗靈活，激發了學生的學習興趣和創新能力，同時還解決了實驗設備和經費不足的問題。內容層次分明、難度層次推進的實驗內容設計以及包容學生差異性的實驗組織和成績考核方式，激發學生學習主動性和積極性，使得實驗教學效果明顯增加，是一個較好的教學改革體驗。

參考文獻

[1] 陳治明. 微機原理與接口技術課程的教學優化[J]. 計算機教育， 2011（11）： 78-81.

[2] 李艷芳， 唐云. Emu8086和Debug在《微機原理》課程教學中的應用[J]. 湖南科技學院學報， 2013， 34（08）： 41-43.

劉恩華. 基于LabVIEW的虛擬電子信息類實驗教學系統的

設計與研究[D]. 南京理工大學， 2008.

[4] 蔡文霞， 史源平， 孫宏強. EMU8086軟件在微機原理及接口技術教學中的應用[J]. 石家莊學院學報， 2015， 17（03）： 9-12.

[5] 董獻芬. 基于Protues仿真的《微機原理與接口技術》實驗教學改革必要性研究[J]. 電腦知識與技術， 2016， 12（07）： 104-106.