基于Proteus仿真的《微機(jī)原理及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

肖潔 洪連環(huán) 方平

摘? 要： 從實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織及評(píng)價(jià)三個(gè)方面對(duì)《微機(jī)原理及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。以簡(jiǎn)單IO接口擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)為例，闡述了仿真軟件proteus和Emu8086在微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。在《微機(jī)原理與應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入仿真軟件，有助于加深學(xué)生對(duì)微機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展軟硬件設(shè)計(jì)知識(shí)的理解。實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更為靈活，實(shí)驗(yàn)效果顯著。

關(guān)鍵詞： Proteus;Emu8086;仿真;微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)

【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(jī)原理與應(yīng)用》是很多理工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程以8086/8088為控制核心，主要講述匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和外部接口電路擴(kuò)展兩部分知識(shí)。要求學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的硬件組成及使用，理解接口電路擴(kuò)展的概念，讓學(xué)生理解和掌握外部接口電路擴(kuò)展原理，并且學(xué)會(huì)軟、硬件結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

該課程概念多、專業(yè)知識(shí)抽象，實(shí)踐性強(qiáng)[1]，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候感覺比較吃力。而且目前高校專業(yè)課程普遍壓縮學(xué)時(shí)，更是讓很多學(xué)生雪上加霜。本專業(yè)《微機(jī)原理與應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)設(shè)置了10h實(shí)驗(yàn)，但因?yàn)橛布h(huán)境限制，長(zhǎng)期以來實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成了匯編語(yǔ)言編程訓(xùn)練。側(cè)重幾種基本結(jié)構(gòu)的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，完全忽略了微機(jī)系統(tǒng)硬件擴(kuò)展及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且使用Debug調(diào)試和運(yùn)行程序，操作麻煩，界面不夠友好[2]。學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力沒有得到很好的鍛煉，學(xué)生實(shí)驗(yàn)收獲甚微。因此，課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

目前，高校中微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)主要是通過硬件實(shí)驗(yàn)箱的操作來完成，學(xué)生通過簡(jiǎn)單的接線、編程達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹５沁@種實(shí)驗(yàn)箱的線路、芯片多已固定，且封裝在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，學(xué)生不能看到完整電路連接，只能按照規(guī)定步驟完成指定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以擴(kuò)展，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性和積極性受到制約，教學(xué)效果不明顯。且實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格昂貴，極易受到損壞，維護(hù)困難，實(shí)驗(yàn)成本較高[3]。

1.1? 實(shí)驗(yàn)手段改革：現(xiàn)代仿真技術(shù)引入教學(xué)中，彌補(bǔ)課堂不足，提高教學(xué)質(zhì)量

作者經(jīng)過幾年教學(xué)摸索后，從軟件設(shè)計(jì)+硬件設(shè)計(jì)兩方面入手，拋棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱操作，嘗試?yán)梅抡婕夹g(shù)對(duì)微機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。一方面利用仿真軟件Emu8086輔助教學(xué)取代原先Debug軟件實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在windows環(huán)境下觀察指令各個(gè)步驟的執(zhí)行結(jié)果、CPU內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)器、堆棧區(qū)、變量和標(biāo)志寄存器的當(dāng)前值，軟件界面簡(jiǎn)單直觀，學(xué)生上手容易[4]，可以幫助加深學(xué)生對(duì)于抽象指令的理解，提高學(xué)生匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)能力。另一方面將利用EDA工具軟件Proteus引人實(shí)驗(yàn)教學(xué)。利用該軟件提供的大量模擬與數(shù)字元器件、外部設(shè)備和各種虛擬儀器[5]，設(shè)計(jì)基于8086的外部接口擴(kuò)展電路。結(jié)合Emu8086軟件生成的COM格式或者EXE格式的文件，完成系統(tǒng)功能仿真實(shí)驗(yàn)，到軟硬件結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)的目的。這種教學(xué)方法形象、直觀，學(xué)生能更快地掌握新內(nèi)容，對(duì)課程內(nèi)容理解得更為透徹，教學(xué)效果明顯改善。

1.2? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系改革：實(shí)驗(yàn)體系層次化設(shè)置，內(nèi)容多樣化選擇，自主靈活

本課程采用清華大學(xué)出版社教材《微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)》，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，分層次設(shè)置13個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括5個(gè)匯編程序練習(xí)和7個(gè)單項(xiàng)硬件擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)以及1個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，具體設(shè)置如下圖1所示。第一層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要針對(duì)匯編語(yǔ)言編程，因?yàn)閷W(xué)生都已經(jīng)具有C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)，對(duì)于程序的結(jié)構(gòu)有一定程度的掌握，該階段的實(shí)驗(yàn)一般都要求學(xué)生課后自主練習(xí)，只選取其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)做現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一考核，方便教師掌握學(xué)生程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)以及編程軟件使用熟練程度。第二層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重微機(jī)系統(tǒng)硬件擴(kuò)展，這是本課程的教學(xué)重點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度一般要求完成其中4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核標(biāo)準(zhǔn)。這一層次的實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理掌握和方法運(yùn)用，以及Proteus軟件的使用及其仿真方法。第三層次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是對(duì)整個(gè)課程知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用，屬于對(duì)教學(xué)內(nèi)容掌握拔高層面的設(shè)計(jì)，不作為成績(jī)考核要求，有能力的學(xué)生可以嘗試。實(shí)驗(yàn)設(shè)置覆蓋全課程系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)，難度依次遞進(jìn)，符合教學(xué)計(jì)劃要求。

1.3? 實(shí)驗(yàn)考核體系改革：包容學(xué)生差異性，允許學(xué)生“自助”選擇，主動(dòng)性提高

由于學(xué)生能力有不同，按照以往統(tǒng)一內(nèi)容統(tǒng)一組織實(shí)驗(yàn)的模式，有的學(xué)生在難度較大的實(shí)驗(yàn)上進(jìn)展困難，出現(xiàn)怠懈、甚至抄襲的現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織模式進(jìn)行改革。允許學(xué)生在各層次實(shí)驗(yàn)中自由選擇實(shí)驗(yàn)，完成操作，作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核依據(jù)。只要能夠完成各個(gè)層次實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)要求都可以判定合格，如果在各層次內(nèi)選擇完成的是難度較大，綜合性較強(qiáng)的項(xiàng)目，則可以升級(jí)判定為良好或者優(yōu)秀。學(xué)生自主選擇項(xiàng)目，設(shè)計(jì)開發(fā)軟件程序或硬件系統(tǒng)，完成特定的功能，滿足了學(xué)生的成就感。這種包容學(xué)生差異性的實(shí)驗(yàn)組織和考核模式，更大程度地激發(fā)和保護(hù)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提高學(xué)生參與性，充分發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主體地位和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的學(xué)業(yè)成績(jī)。

1.4? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)樣例：

以簡(jiǎn)單I/O接口擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)為例，要求學(xué)生以8086為控制核心CPU，進(jìn)行輸入輸出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單按鍵對(duì)LED的有效控制。設(shè)計(jì)電路不指定，設(shè)計(jì)程序無(wú)參考。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上進(jìn)行如下表1層次設(shè)計(jì)：

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要是要考核學(xué)生軟件編程與硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合的能力，是微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中從純粹匯編語(yǔ)言編程過渡到硬件系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。因而對(duì)學(xué)生的要求是只要能夠自行設(shè)計(jì)并用Protues軟件繪制出完整的電路圖，并編寫程序，實(shí)現(xiàn)輸入按鍵對(duì)LED燈顯示的有效控制就可以判斷實(shí)驗(yàn)合格。例如，設(shè)計(jì)輸入輸出控制系統(tǒng)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(shí)A2A1A0=000B，得到輸入接口芯片74LS245的地址為0080H;而74ls373有效時(shí)，A2A1A0=110B，則輸出接口芯片74LS233地址為0086H。

采用數(shù)據(jù)無(wú)條件傳送方式，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用8個(gè)LED燈對(duì)應(yīng)顯示按鍵按下的信息。根據(jù)電路連接，按鍵按下后，按鍵信息為低電平，而電路中8個(gè)LED燈共地，要點(diǎn)亮LED燈，系統(tǒng)輸出電平信號(hào)應(yīng)該為高電平。則按照要求，按鍵按下相應(yīng)LED燈點(diǎn)亮，設(shè)計(jì)程序如下：

加載程序得到仿真結(jié)果如下圖2所示，K1、K3、K5、K7按鍵按下后，對(duì)應(yīng)的LED1、LED3、LED5、LED7顯示燈亮。完成實(shí)驗(yàn)要求，可以判定實(shí)驗(yàn)合格。

學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)要求后，可以在同一電路圖下，進(jìn)行匯編語(yǔ)言順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、子程序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，編寫不同的程序，仿真調(diào)試，模擬不同的控制情況。學(xué)有余力的同學(xué)還可以改變硬件電路地址連線，重新編寫程序，訓(xùn)練學(xué)生軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，靈活多變，實(shí)驗(yàn)要求層次分明，實(shí)驗(yàn)成績(jī)判定有依據(jù)。而且實(shí)驗(yàn)過程中采用計(jì)算機(jī)仿真軟件Protues和Emu8086結(jié)合，完全脫離了實(shí)物操作箱限制，電路設(shè)計(jì)更為自由，同時(shí)避免了元器件故障和損耗問題，仿真結(jié)果一目了然，學(xué)生成就感高、參與性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果明顯提高。

2? 結(jié)論

利用Proteus和Emu8086仿真軟件來進(jìn)行8086系統(tǒng)的接口實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真中具有很大的優(yōu)勢(shì)，可使學(xué)生在硬件資源不足的條件下學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言程序編程和硬件電路設(shè)計(jì)，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證程序的正確性，更好的幫助學(xué)生理解微機(jī)系統(tǒng)硬件擴(kuò)展的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)靈活，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，同時(shí)還解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和經(jīng)費(fèi)不足的問題。內(nèi)容層次分明、難度層次推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)以及包容學(xué)生差異性的實(shí)驗(yàn)組織和成績(jī)考核方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯增加，是一個(gè)較好的教學(xué)改革體驗(yàn)。

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