Proteus在微机原理课程教学中的应用

田社平，俞水锋，方向忠，茅旭初

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

“微机原理与接口技术”是电类专业的一门必修专业基础课程［1］。其主要任务是通过课堂教学和实验环节，结合Intel 80x86系列CPU，使学生掌握计算机组成、CPU内部结构、存储器、常用的I/O接口、指令系统、汇编语言等基本原理，培养学生应用计算机硬件和软件基础知识的能力，达到能够利用外围芯片设计开发小规模的计算机应用系统的目的，为将计算机运用到现代通讯、信息处理、自动控制与检测等领域打下坚实的基础。

在该课程的教学过程中，学生对8086系统中内存与I/O编址、内存扩展、IO接口芯片与CPU的连接、可编程接口芯片复杂的工作方式等内容普遍感觉比较难以掌握，而在微机原理实验课程中，采用的微机原理试验箱由于其内部线路已经连好，没有给学生实际设计微机系统的机会，实验效果不是很理想。尤其是在教学实践中，往往先进行理论课教学，然后再开展实验教学，使课程的理论部分和实验部分存在脱节的现象。本文基于笔者的教学实践，讨论仿真软件Proteus在微机原理与接口技术课程教学的应用。

Proteus是由英国Labcenter公司开发的一款电路与嵌入式系统设计与仿真平台，它由ISIS和ARES 2个软件包构成，ISIS是原理图编辑与仿真软件包，ARES 是布线编辑软件包［2，3］。ISIS 软件可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，支持许多型号的单片机仿真。特别地，从Proteus 7.5 SP3版本开始，Proteus对8086CPU及相关接口芯片提供了支持。

1 采用Proteus仿真8086微机系统

1.1 Proteus虚拟仿真模块的特性

Proteus虚拟仿真模块(VSM)包含了基于传统8086处理器的开发、测试和虚拟系统建模的几乎全部功能。所支持的可编程接口芯片包括:可编程外围接口芯片8255A、可编程计数器/定时器8253、可编程串行接口芯片8250A和8251A等。该软件支持全部8086CPU指令集和寄存器，支持8086CPU所有总线、内存和其它I/O引脚操作，还支持8086系统的所有中断模式。目前Proteus的最新版本仅支持8086最小系统模式，不支持8086最大系统模式。

1.2 仿真方法

Proteus能够完全模拟实际微机系统的设计和调试过程，利用该软件进行8086微机系统仿真采用如下步骤。

(1)硬件系统的设计与输入—根据设计要求，设计的8086微机硬件系统利用Proteus的ISIS模块进行原理图输入和编辑。图1所示为可编程芯片8251A、8253A 与8086接口的仿真电路图［4］。

图1 8086微机系统仿真电路

(2)程序的编写和编译—选择任一支持8086汇编语言的编译器，编写汇编源程序，然后进行编译、链接生成可执行的COM或EXE格式的程序文件。

(3)系统调试—Proteus支持多种程序调试方式，Proteus中的8086模型能直接加载BIN、COM和EXE格式的文件到内部RAM中去，而不需要DOS，并且允许对Microsoft(Codeview)和Borland格式中包含了调试信息的程序可以进行源和/或反汇编级别的调试。一种简单的程序调试方法为:进入Proteus软件的ISIS环境，将程序文件加载到8086模型中;点击运行键，仿真电路开始运行，通过观察运行效果判断硬、软件设计的正确性。

2 仿真实例

Proteus几乎支持“微机原理与接口技术”课程的全部教学内容(8086最大系统模式目前不支持)。下面以8086串行通信电路(图1)为例介绍Proteus的应用方法。

2.1 串行通信电路设计

采用可编程串行通信接口芯片8251A和8086CPU进行电路设计给出了如下说明。

(1)8086CPU的时钟频率取8MHz，8251A的发送时钟信号和接收时钟信号由可编程计数器/定时器芯片8253A提供。8253A的输入时钟由系统时钟(8MHz)经过4分频后提供，即8253A的输入时钟频率为2MHz，该频率为8253A所能接受的最高频率。

(2)I/O端口地址采用3－8译码器74LS138实现。为简化设计，只有低8位地址参与译码，由图1可知，I/O芯片的地址分配可取为:8253A计数器0的地址为80H，控制口地址为86H;8251A的数据口地址为88H，控制口地址为8AH。

(3)串行通信格式为:9600kps波特率，8位数据，偶校验，1个停止位。取波特率因子为16，则8253A计数器0的初始值为2M/(9600×16)=13。

(4)采用Proteus提供的虚拟终端VT与8251A的串行接收数据端RxD和串行发送数据端TxD互联，便于程序运行结果的观察。

2.2 程序编写和编译

采用EMU8086软件提供的编译环境进行程序的编写和编译。EMU8086是一款基于Windows的8086汇编语言编译、调试和仿真软件，其界面友好、操作简单，得到了较为广泛的应用。程序编译正确后，将生成COM格式的可执行文件。

2.3 仿真效果

启动Proteus软件的ISIS环境，调入图1电路，双击8086模型(U1)，在弹出的“Edit Component”对话框中，输入COM格式的可执行文件名及其文件路径，同时输入时钟频率为8MHz。双击虚拟终端VT，在弹出的“Edit Component”对话框中，设置串行通讯格式:9600kps波特率，8位数据，偶校验，1个停止位。

点击运行键或按F12键，打开虚拟终端的输出窗口，显示结果如图2所示，串行运行结果和设计要求一致。

2.4 进一步的讨论

Proteus除了可以进行虚拟电路仿真外，还提供了物理接口模型(Physical Interface Model)，利用物理接口模型可建立虚拟电路与外部通信的桥梁，其中与实际外部串行接口通信的模型为COMPIM，如图3所示。借助于COMPIM，仿真电路可通过本机的RS232接口与外部通信。

2 程序运行结果

图3 串口物理接口模型

由于电路是以仿真模型的方式运行，其运行的实时性受到运行Proteus软件的计算机性能的限制。如果在仿真过程中，电路运行的实时性得不到保证，Proteus会给出“Simulation is not running in real timedue to excessive CPU load.”的提示信息。对串行通信而言，如果通过COMPIM和外部的实际串行接口电路进行通信，则必须保证时序的实时性要求，否则将得不到预期的结果。一种解决办法是尽量降低仿真电路中8086CPU的工作频率，同时选用较低的波特率。

3 结语

在“微机原理与接口技术”课程教学中，我们利用Proteus软件，完全可以仿真8086系统中内存与I/O编址、内存扩展、IO接口芯片与CPU的连接、可编程接口芯片编程等内容，但Proteus不包括8237A的仿真模型，因此无法仿真8237A DMA控制器的接口与编程。

我们可以在课堂教学中直接引入Proteus软件，通过边讲授微机原理与接口技术的理论知识，边借助Proteus软件验证、演示微机系统的运行结果，有利于发挥教师的教学想象力。也可以在学生课外学习中使用Proteus软件，由于软件操作的简单性和低成本性，在学生的课前预习和课后复习中可非常方便地运用Proteus来加深对微机原理与接口技术知识点的理解。

［1］ 吉向东，李新鄂.基于Proteus的微机原理实验仿真［J］.信息技术.2010，No2:36－39

［2］ www.labcenter.com/

［3］ 周润景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真［M］.北京:北京航空航天大学出版社.2006

［4］ 周荷琴，吴秀清.微型计算机原理与接口技术［M］.合肥:中国科学技术大学出版社.2008