Proteus在微機接口技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用研究

彭芳+朱春媚

[摘 要]Proteus仿真軟件在微機接口技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用得到了越來越多人的認(rèn)可。為進一步提高學(xué)生較大規(guī)模電路的開發(fā)能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，可將8086 Demo Board為導(dǎo)向，采用任務(wù)驅(qū)動法對微機接口技術(shù)教學(xué)進行改革，引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)多接口芯片聯(lián)合的微處理器系統(tǒng)。實踐證明，該方法能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生解決實際問題的能力和軟硬件設(shè)計開發(fā)的綜合能力。

[關(guān)鍵詞]Proteus;微機接口;教學(xué);應(yīng)用研究

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）11-0147-03

一、引言

微機原理與接口技術(shù)是自動化、電子、電信、計算機等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。大部分的本科教材皆以80x86CPU為核心，介紹微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)、存儲器組織、常用接口芯片等，培養(yǎng)學(xué)生計算機硬件和軟件應(yīng)用的能力，因此，軟硬件結(jié)合是本課程的一個重要特點，學(xué)生必須通過實踐環(huán)節(jié)加深和提高對課程內(nèi)容的理解，最終達到能夠利用外圍芯片設(shè)計開發(fā)小規(guī)模計算機應(yīng)用系統(tǒng)的目的。

從教學(xué)的情況看，這門課程既難教又難學(xué)，教學(xué)效果普遍不太理想，在以往講授匯編語言程序設(shè)計時，教師可以用匯編軟件進行程序的調(diào)試和演示，讓學(xué)生理解匯編程序的執(zhí)行過程和運行原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;但對于接口技術(shù)方面的內(nèi)容，則只有在實驗課實驗箱上來操作驗證，導(dǎo)致課堂講授枯燥難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高。直到Proteus仿真軟件的出現(xiàn)，為微機原理及單片機這類軟硬件結(jié)合課程的學(xué)習(xí)，打開了另一扇窗口，使學(xué)生能夠在離開實驗室以后，也能隨時隨地進行接口電路程序設(shè)計仿真。Proteus很好地克服了硬件實驗箱結(jié)構(gòu)固定、資源有限的缺點，給學(xué)生更多實踐和鍛煉的機會，讓他們能夠在掌握各接口芯片使用方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，培養(yǎng)了整機概念、創(chuàng)新思維以及軟硬件開發(fā)的綜合能力。[1]借助于Proteus仿真軟件，教師可以在授課中隨時講解知識點，隨時連接硬件，并進行調(diào)試講演，學(xué)生形象地觀察并深刻地理解每一步軟件和硬件之間的內(nèi)在關(guān)系。[2]

文獻[3][4][5]介紹了Proteus仿真技術(shù)對微機原理理論與實驗教學(xué)的改進，在Proteus上開發(fā)了相應(yīng)的實驗仿真平臺，學(xué)生可以使用仿真平臺實現(xiàn)對8255、8253、8251等接口芯片的編程和調(diào)試，仿真平臺雖然功能完善但比較復(fù)雜，學(xué)生一方面需要花較多的時間去熟悉仿真平臺的使用，另一方面又難以根據(jù)自己的需求進行創(chuàng)新。學(xué)生依然停留在單個芯片的學(xué)習(xí)上，在微處理器系統(tǒng)整機開發(fā)能力的培養(yǎng)上還存在欠缺，本文提出以Proteus自帶的8086 Demo Board為導(dǎo)向，采用任務(wù)驅(qū)動方法，拓展微機接口技術(shù)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和學(xué)科素養(yǎng)，提高微機系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)綜合能力。

二、以8086 Demo Board為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計

（一）8086 Demo Board介紹

2009年，Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺，支持8086微處理器與8255A、8253、8259、8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真。用戶安裝了Proteus后，在其安裝目錄SAMPLES＼VSM for 8086＼8086 Demo Board下面有如圖1所示的模板文件，該模板文件已設(shè)計有相對完整的微處理器系統(tǒng)，將微機原理課程的核心芯片、地址鎖存與譯碼等微機系統(tǒng)知識囊括在了一起，包括8086CPU、地址鎖存模塊、地址譯碼模塊、8255A應(yīng)用電路、8253應(yīng)用電路、8251應(yīng)用電路。

8086 Demo Board以8086為核心，外接3片74LS273鎖存器，用于鎖存AD0～AD15地址 / 數(shù)據(jù)復(fù)用總線于總線周期T1時刻輸出的低8位地址信息。8086的ALE經(jīng)過反相器后與鎖存器的74LS273的CLK端相連，作為鎖存器的鎖存觸發(fā)信號。地址譯碼電路為74154（4-16譯碼器），片選控制采用全譯碼法，為接口芯片提供唯一地址。8255A已接有四位數(shù)碼管和矩陣按鍵;8253的三個計數(shù)器脈沖輸入端已接有脈沖輸入信號，計數(shù)器2的輸出端接有蜂鳴器;8251接有虛擬終端，可進行串行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，用于對串行接口的工作情況進行觀察和調(diào)試。這一模板完全可作為學(xué)生學(xué)習(xí)時的實驗電路使用，在EMU8086等編輯器下編寫源程序，將編譯成功的EXE文件裝載入8086仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以自由修改各芯片的應(yīng)用電路，學(xué)習(xí)各接口芯片的使用;同時，還可以仿照該模型設(shè)計出自己的微處理器系統(tǒng)。

（二）8086 Demo Board的案例教學(xué)設(shè)計

傳統(tǒng)的微機接口技術(shù)教材，一般會按照接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳特性、控制字設(shè)置、初始化編程、應(yīng)用實例這一循序漸進的教學(xué)思路進行介紹，但是在大多數(shù)的教材里，各接口芯片的應(yīng)用是相互獨立的，彼此之前毫無關(guān)系，同學(xué)們學(xué)完后，只能大致明白這些接口芯片的使用方法，但是建立不起整機的概念，印象也不深刻。8086 Demo Board為學(xué)生提供了一個很好的學(xué)習(xí)模板，由這個電路出發(fā)，可引導(dǎo)學(xué)生做如下思考：“這些芯片與CPU之間是怎么通信的？”、“我能用這些芯片來做什么？”、“多芯片構(gòu)成的微處理器系統(tǒng)是怎么設(shè)計的？”、“如何訪問每個芯片？”、“如何設(shè)計自己的微處理器系統(tǒng)？”……諸如此類，進行從點到面，由淺入深的學(xué)習(xí)，從單個芯片的學(xué)習(xí)上升到系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，目的是讓學(xué)生進一步加深對所學(xué)知識的理解與應(yīng)用，將已學(xué)過的知識串在一起形成體系。在此案例的教學(xué)過程中，要讓學(xué)生認(rèn)知以下三方面的內(nèi)容：

1.接口芯片與CPU的連接。分析地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線的連接方法，理解8086地址 / 數(shù)據(jù)復(fù)用總線的使用方法和總線時序，從而真正明白地址鎖存器的作用。

2.接口芯片片選電路的設(shè)計。在芯片較多的微處理器系統(tǒng)中，必須為每個芯片分配地址，需要設(shè)計相應(yīng)的地址譯碼電路對各芯片片選端進行有效控制，分析圖1所示各芯片的地址范圍，再引導(dǎo)學(xué)生思考“如果用我們所熟悉的74138（3-8譯碼器）能否實現(xiàn)同樣功能的電路”。

3.接口芯片的應(yīng)用和編程。需要學(xué)生掌握常用I / O外設(shè)的基本使用方法和電路設(shè)計，例如獨立按鍵、矩陣按鍵、二極管、數(shù)碼管等，能夠根據(jù)系統(tǒng)要求進行編程和控制。

三、任務(wù)驅(qū)動法進行微機接口技術(shù)拓展教學(xué)

（一）任務(wù)驅(qū)動法簡介

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種通過建立特定任務(wù)來驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。它轉(zhuǎn)變以往只重視知識的傳授，以完成一個任務(wù)來驅(qū)動學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生帶著特定的目的去解決問題，進而調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新精神和合作意識。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的本質(zhì)就是要充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主觀能動性，以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、任務(wù)為主線，讓學(xué)生就一個明確的任務(wù)為中心，在特定的一系列問題的驅(qū)動下，通過對學(xué)習(xí)過的知識進行總結(jié)及應(yīng)用，在完成已有任務(wù)的同時使學(xué)生逐步養(yǎng)成一種主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣。[6]

（二）任務(wù)驅(qū)動法的實施

當(dāng)學(xué)生已完全理解圖1所示電路的設(shè)計后，可采用任務(wù)驅(qū)動法，進一步培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。

任務(wù)驅(qū)動法的具體實施過程可參照圖2所示。

1.教師的工作

教師的主要工作是引導(dǎo)。首先要根據(jù)所教學(xué)生的特點和能力提出合理可行的任務(wù)，筆者所在班級的大三學(xué)生專業(yè)課較多，學(xué)習(xí)時間很緊，8086 Demo Board的使用有效解決了學(xué)生能力不足或者學(xué)時緊張的問題，筆者布置的任務(wù)就是在8086 Demo Board上直接進行創(chuàng)新，要求給芯片重新設(shè)計片選譯碼電路，同時所設(shè)計的微處理器系統(tǒng)能最大限度地使用多個芯片實現(xiàn)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求提出方案，教師接著對學(xué)生所提方案進行評估和審核，對學(xué)生電路設(shè)計和程序設(shè)計過程中遇到的問題進行指導(dǎo)。最后安排答辯對所有作品采取民主評價的方法，讓所有學(xué)生參與到學(xué)習(xí)過程。

2.學(xué)生的工作

本著互助互學(xué)的原則自由組建3～5人的團隊，查資料進行方案設(shè)計，根據(jù)教師的意見不斷完善方案，確定使用的接口芯片及其地址，所用外設(shè)及外設(shè)驅(qū)動電路;在8086 Demo Board基礎(chǔ)上進行總體電路設(shè)計，編寫程序調(diào)試電路，最后在全班同學(xué)面前展示團隊的作品并接受其他學(xué)生的質(zhì)詢和教師的點評。這樣將學(xué)生置身于一項真實的“任務(wù)”之中，變“學(xué)”為“做”，在“做中學(xué)”，通過學(xué)生“做”的主動探究，鍛煉他們的學(xué)思結(jié)合、獨立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的精神，培養(yǎng)他們的團隊意識、動手能力和解決問題的能力。

3.實施效果

任務(wù)布置下去以后，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性得到極大提高，利用各接口芯片設(shè)計出了花樣流水、步進電機控制、交通燈控制、簡易計算器、點陣花樣控制等作品，其中也不乏讓人眼前一亮的創(chuàng)新作品，雖然電路規(guī)劃編程技巧上還有待提高，但是對于只是兩周時間的團隊作業(yè)而言已經(jīng)不易。圖3為其中一個團隊的設(shè)計作品，利用8255和8253芯片實現(xiàn)的電子琴，電路設(shè)計有兩個功能：功能一是用8個按鍵當(dāng)作電子琴的8個音階輸入——1、2、3、4、5、6、7、1，通過8253輸出一定頻率的脈沖信號驅(qū)動喇叭發(fā)出對應(yīng)音階的聲音;功能二是音樂播放器功能。電路是在8086 Demo Board上改進后得到的，利用74LS138譯碼器重新設(shè)計了片選譯碼控制電路，設(shè)定8255A端口地址為：800H～806H;8253的端口地址為：400H～406H。在答辯過程中，該團隊的同學(xué)對電子琴的發(fā)音原理、電路的設(shè)計方法、控制程序的設(shè)計思路給同學(xué)們做了詳細介紹和交流。

任務(wù)驅(qū)動法使課堂教學(xué)由傳統(tǒng)的教師為主的講授變成了學(xué)生為主的自主學(xué)習(xí)模式，學(xué)生通過主動參與、自主合作、探索創(chuàng)新完成了既定的教學(xué)目標(biāo)。

四、教學(xué)設(shè)計中需要注意的幾個問題

（一）任務(wù)的大小

任務(wù)的大小取決于教學(xué)的目標(biāo)和學(xué)生的實際能力。一味追求大而全，教師的出發(fā)點是好，但是大部分學(xué)生并不一定能做到，鼓勵少部分動手能力強學(xué)習(xí)能力強的同學(xué)進行更好的創(chuàng)新完成更復(fù)雜的任務(wù)，但也要從絕大多數(shù)同學(xué)的實際情況出發(fā)，在沒有額外加重其學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)的情況下能保證他們順利完成任務(wù)，這樣才不會適得其反的打擊他們的積極性和自信心。例如本次的教學(xué)改革，如果不是以8086 Demo Board為平臺去定義任務(wù)，筆者所在班級的學(xué)生很多可能會直接從網(wǎng)上下載電路，而不是自己去改進電路，這樣反而失去了初衷。

（二）作品的復(fù)雜度

作品不是越復(fù)雜就越好，有些同學(xué)在一開始做方案設(shè)計時，為了拿到更好的分?jǐn)?shù)，規(guī)劃的系統(tǒng)功能非常多，教師在此時應(yīng)該要謹(jǐn)慎提醒其后續(xù)電路的復(fù)雜程度和程序的可行性，能否在規(guī)定時間內(nèi)完成正常運行的作品，有些團隊就是因為一開始設(shè)計的過于復(fù)雜，在程序設(shè)計過程中遇到了巨大阻礙，最終只能提交一個半成品。匯編編程不同于C程序編程，要考慮的問題太多，完成同樣任務(wù)的匯編比C語言要復(fù)雜很多。任務(wù)驅(qū)動下的作品設(shè)計應(yīng)該強調(diào)功能剛好夠用，作品能夠清晰表達設(shè)計意圖，程序能夠自行設(shè)計。目前互聯(lián)網(wǎng)上可參考借鑒的電路和程序非常多，如何成為自己的東西需要進行適當(dāng)挑選和整合，最終消化成功的東西才是真正屬于自己的，否則都是別人的。

（三）作品的展示與點評

作品的課堂展示與點評環(huán)節(jié)非常重要，要善加應(yīng)用。學(xué)生花了心血和努力完成的作品教師應(yīng)該給予足夠尊重，教師的評價可能是主觀和片面的，學(xué)生互評能夠讓學(xué)生真正從頭到尾作為主體參與到學(xué)習(xí)中。作品展示環(huán)節(jié)要求全體隊員走上講臺，既鍛煉了學(xué)生的語言表達能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的自信力，臺下學(xué)生以團隊為單位給其他團隊實名打分，并可以點名要求其中某個隊員回答質(zhì)詢，從而避免某些團隊成員“打醬油，不干活”的情形。從實施效果看，作品展示點評是整個微機原理教學(xué)過程中學(xué)生反應(yīng)最熱烈，思維最敏捷，學(xué)生參與度最高的課堂教學(xué)。教師只需要在最后進行總結(jié)與點評，提出作品的亮點，指出不足與改進建議，為學(xué)生們的下一步學(xué)習(xí)指引方向。

五、總結(jié)

經(jīng)實踐證明，以Proteus 8086 Demo Board為導(dǎo)向的案例教學(xué)，以及在其上進行的任務(wù)驅(qū)動法的創(chuàng)新實踐，能讓學(xué)生在較短時間內(nèi)設(shè)計出較大規(guī)模的微處理器系統(tǒng)，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強了學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了整機概念，提高了學(xué)生的自主能力和解決問題的能力，促進理論和應(yīng)用的結(jié)合，取得了較好的教學(xué)效果。該教學(xué)方法具有一定的參考價值和借鑒意義，可同樣用于基于Proteus的單片機教學(xué)設(shè)計中。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陳越，顧暉，梁惺彥.PROTEUS虛擬仿真在微機原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（1）：106-108.

[2] 陳軍.Proteus仿真技術(shù)與微機原理及接口技術(shù)教學(xué)整合的實踐研究[J].自動化與儀器儀表，2013（4）：216-217.

[3] 高林.PROTEUS軟件對“微機原理”課程教學(xué)的改進[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013（6）：113-115.

[4] 卿騰.基于PROTEUS的微機原理教學(xué)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2015（11）：218-220.

[5] 田社平，俞水鋒，方向忠，等.Proteus在微機原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011（5）：70-72.

[6] 郭博，牛磊，王峰.任務(wù)驅(qū)動在微機原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報，2015（2）：84-86.

[責(zé)任編輯：張 雷]