基于Proteus的微机原理与接口技术教学改革

朱敏玲， 张 伟, 侯凌燕

(北京信息科技大学 a. 计算机学院；b. 网络文化与数字传播北京市重点实验室，北京 100101)



基于Proteus的微机原理与接口技术教学改革

朱敏玲a,b， 张 伟a, 侯凌燕a

(北京信息科技大学 a. 计算机学院；b. 网络文化与数字传播北京市重点实验室，北京 100101)

针对微机原理与接口技术课程的概念抽象及实践性和综合性都很强的特点，分析了传统理论和实践教学中存在的难点和问题，提出应用仿真软件Proteus的解决方法。在分析了Proteus对微机原理与接口技术授课内容的器件、调试手段及环境等的支持程度后，通过实际的教学案例，对理论教学和实践教学两个方面的改革进行阐述和分析。通过这些教学案例的实践证明，基于Proteus的理论和实践教学能够提高学生的学习兴趣、锻炼学生的软硬件综合开发和设计能力、降低实验成本。

微机原理； 接口技术； 教学改革； Proteus

0 引 言

“微机原理与接口技术”是计算机、电子信息、自动化等专业学生必修的一门实践性和综合性很强的技术基础课程[1-2]。课程跨越计算机硬件与软件两个层面的综合知识，涉及的内容多且枯燥，概念抽象不易理解[3]。在理论教学中, 用板书画图费时费力，用PPT 演示时，很难把复杂电路显示清楚，且实例静态枯燥，学生提不起兴趣，教学效率低。在实践教学中，往往因实验仪器设备与元器件、实验场地和实验时间等的限制而放弃一些创新设计，挫伤学生进行实验和探索的积极性，而且学生通过不断拆卸元器件进行系统调试的方法，容易造成资源的浪费，增加设计成本[4-5]。鉴于上述教学难题和困境，本文展开基于Proteus虚拟仿真技术进行微机原理与接口技术的理论和实践教学的研究与探讨。

1 Proteus与微机原理及接口技术的结合

Proteus虚拟仿真技术是通过英国Labcenter 公司开发的Proteus软件平台来实现的[6]。该平台是一款电路分析与实物仿真软件，具有实验资源丰富、实验周期短、硬件投入少、实验过程损耗小和与实际设计接近程度大等优点。其与微机原理与接口技术的完美结合主要体现如下。

首先，对8086CPU 及8251A、8253、8255A、8259A、ADC0809等相关接口芯片的支持比较完善，支持汇编语言、C语言及混合编程。更具有特点的是可以利用系统提供的虚拟的输入输出器件或设备，如开关、按钮、键盘、发光二极管、数码管、LCD显示器及图形仪表等直观实现信息的输入输出交互[7]。并同时能进行编译和仿真，能够不接硬件电路直接实时地进行程序仿真，课堂中可随时打开软件给学生直观、生动且实际的动态演示其工作原理及工作过程[8]。也能够利用硬件仿真器，通过连接微处理器的硬件电路，在仿真器中载入程序后进行在线实时仿真调试。

其次，同时支持模拟电路和数字电路仿真，并提供了示波器、信号发生器及逻辑分析仪等虚拟仪表。利用虚拟仪器可在仿真过程对外围电路特性进行实时测量和显示，有利于培养学生对实际硬件电路的调试能力。另外，具有的RS232动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和LCD 系统仿真的功能有助于综合实验的扩展和设计创新研究。

总之，它能基于微处理器连同所有外围电路一起仿真，能在虚拟系统上进行编程和实时调试；它是一个全开放性的仿真实验平台，相当于一个设备齐全的综合性实验室。

2 理论教学改革与教学案例

传统的教学体系和方法是先原理后实验，其授课顺序多数为8086CPU硬件结构、寻址方式与指令系统、汇编语言、系统构成、外围接口芯片原理与应用、综合系统设计。理论教学学时至少是配备的实践教学的2倍以上[9]，并且实验教学环节多数在汇编语言程序设计之后才开始，软硬件讲解和介绍很难融合。这样将导致的结果：首先，以讲解大量的原理开头和引导学生入门会使得学生理解非常困难从而感到非常枯燥和乏味，很难再提起学生对本门课程的学习兴趣；其次，理论讲解过多会使得课程安排头重脚轻，实践课程比例缩小，应用设计能力很难提升；并且，先理论后实践，容易造成实践和理论相脱节，理论融入实践的程度很难提升[10]。所以，应在理论讲解的过程中，不断融入实践环节。在课堂上,通过多媒体教学设备, 学生在Proteus软件平台的直接演示下,能够直观并清楚地看到从硬件电路设计到编程,再到调试的整个过程，以此来提高学生的学习兴趣，同时使得理论与实践能够紧密结合。

CPU时序与总线操作内容是本门课程学习的关键环节，是学生真正走进这门课的大门，同时也是较为难理解的部分。下面以此环节的理论教学过程为例阐述基于Proteus的理论教学改革方法。

CPU时序所研究的是指令执行过程中各个信号间的相互关系，其涉及很多专业术语和概念，综合性强，对没有工程经验的学生来说很难理解，但其有利于学生深入理解指令的执行过程。特别在实时控制系统中进行CPU系统设计的时候，在CPU与存储器和IO端口的连接时为保证正确并实时进行数据交互需要考虑时序[11]。

首先，从宏观上给学生讲解CPU时序操作能够实现的功能操作：对存储器和IO设备的读写操作；中断响应操作；系统复位操作等。在此过程中切入以前的总线操作、机器周期、总线周期、指令周期的概念和关系。实际上这些知识点都比较抽象、枯燥，学生基本都是以硬性的概念来理解和背记。在学生似懂非懂的时候，再利用Proteus仿真软件进行案例讲解。选用常用并且容易理解的操作案例来讲(学生已经接触到的)。如CPU与存储器和IO设备的读写操作，因为在个人电脑的使用过程中多数时间都是读写操作，比如进行WORD文档的存盘过程就是CPU的写过程。通过键盘向电脑输入信息的时候就是CPU的读过程，这样使得学生从抽象读写概念转换到实际的信息交互过程中，同时它是最基本也是最重要的操作。从而使得本课程由原来的枯燥抽象的名词解释，变成现在生动、浅显与具体的概念，便于学生理解和掌握，激发学生的学习积极性。

图1为8086CPU与IO芯片连接的系统原理图，在课堂上通过Proteus软件，能够随意被放大和缩小，学生可以直观并清楚地看到CPU各管脚信号如何与外部IO芯片的连接方法和连接过程。进一步巩固上节课所学的CPU管脚功能特性，并能初步建立学生的计算机应用的系统概念。而在传统的讲课方法中，通常没有这样的系统原理图，只是教师口授概念，学生很难进入状态，构建系统概念固然很难实现。即使有，也是局部的，因为在一张PPT上很难清楚显示整个系统原理图。

图1 8086CPU与IO芯片连接原理图

图2 信号仿真逻辑图

还没学习指令系统和寻址方式，但是正好引入下一章节的学习内容，激发学生预习下节课内容的兴趣，并且这样能够让学生很好地把握各个章节的关系，便于本门课程的知识体系学习。最终使抽象深奥的原理和概念建立在具体的例子之上，便于学生对这些原理和概念的理解。

图3 源代码执行图

3 实验教学改革与教学案例

传统实验教学方法多数是利用硬件实验箱来完成，这存在着很多的不足。

首先，实验箱上芯片已经固定、线路基本都已经连接好。因而，实验箱上功能电路的限制、实验内容比较固定、实验个数有限及实验内容的更新受限[12]。并且实验指导书中除了给出实验的任务与要求及实验的原理性说明外，也会给出实验线路的连接说明[13]。所以一般实验以验证性为主，通常学生照本宣科地完成教学大纲中所规定的实验。虽然这种方法能从一定程度上帮助学生熟悉微机系统的软硬件开发环境，但学生很难进行创新设计，影响创新能力的培养。

其次，实验箱价格昂贵，容易损坏，因学生们多数都是第一次学习本门课程，对实验箱的操作流程不能清晰的记在脑中，经常会误操作，从而对实验箱造成一定损害[14]，而且学生也因此会畏手畏脚，不敢大胆尝试，进一步挫伤学生的积极性。

同时，实验箱只有固定的专业实验室才有,微机实验箱及配套的仪器设备由于受到场地、时间及资金等的限制，通常不会有充足的资源，即使全方位开放，学生也不能在课余时间随时进行实验或创新设计，很难满足学生。下面以实际的实验教学案例为例阐述基于Proteus的实践教学方法。

3.1 课堂实践教学案例

首先，实验指导书只给出实验的内容、目的、要求及一般原理性说明，不给出具体硬件原理图及连接说明，学生必须根据实验内容、目的及要求在Proteus 中独立设计实验硬件原理图及连线方式。然后学生根据自己的原理图编写程序，再在Proteus 中仿真与反复调试。调试通过之后，根据原理图在硬件实验箱搭建实际的硬件实验电路，对真实的系统进行联机调试、观察实验效果、分析实验结果，最后写出实验报告。以8255A的应用接口实验为例讲解基于Proteus的微机接口实践教学过程。

3.1.1 实验内容与要求设计

(1) 实验目的。理解8255A并行接口芯片的工作原理；掌握其工作方式0下的工作特征及各端口设置方法；进一步加深基于8086CPU的系统构成方法。

(2) 实验内容。8255A的A口接逻辑电平开关K1～K8，B口接LED显示电路D0～D7，电平开关K0～K7分别控制显示电路中LED的D0～D7的亮与灭。

(3) 实验步骤。①根据实验内容与目的设计实验电路系统原理草图；②在Proteus平台中选择器件并绘制详细的原理图；③根据所设计的原理图进行程序设计：④仿真与调试；⑤实际硬件搭建；⑥联机调试与实验效果的观察与分析；⑦整理软硬件实验平台。

3.1.2 硬件电路的设计与实现

3.1.3 软件编程与实验调试

对于此实验，软件编程主要考虑的是8255A的初始化及LED灯的显示效果的控制。在8255A的初始化之前，从原理图中分析：译码电路采用的是部分译码方式，若采用独立编址方式，A口、B口、C口及控制口的地址分别为X8000H、X8002H、X8004H与X8006H；控制字为90H。LED灯的显示效果的控制可以较为随意的设计。

运行Proteus，输入源程序并保存为后缀名为.ASM的文件，然后编译与调试，查看相关寄存器与存储单元的内容变化情况是否准确，最后生成。HEX文件。此时，调用.HEX文件对硬件电路设计进行仿真，相当于虚拟的实验调试结果的查看，如图5所示，DSW1单元中的3、4、5关闭时分别表示K3、K4与K5开关线路接通，运行结果是D3、D4、D5的LED灯由原来黑色点亮为黄色，表示对应LED灯已经点亮了。

为了实验不脱离实际，利用Proteus提供的配套的硬件实验箱进行实物的连接和验证，再次对软硬件进行联机调试并观察实验结果，并与虚拟仿真的结果进行对比和验证。最后分析实验结果并写出实验报告，完成一个实验项目的全部任务和要求。

3.2 课后实践教学

目前的实践教学都是在固定的实验室来进行，时间、场地、实验内容和资源都有所限制。若采用网络版的Proteus,可真正实现实验室的虚拟化、网络化以及实验室的开放。每个学生都可随时通过授权账号进行Proteus的仿真和实验，则学生参与设计和实验的机会大大增多，能够得到充分的训练和学习。并且能够不受限制的施展自己的想法，不断提升学生的实验兴趣和创新思维，也有利于提升‘实验设备’的利用率[15]。

图4 8255A应用实验原理图

4 结 语

理论与实践教学的改革与创新是计算机、电子信息、自动化等专业人才培养的重要内容。基于Proteus仿真软件在微机原理与接口技术理论课程教学的应用，有利于教师在理论课程上深入浅出的讲解各种相关专业概念、有利于学生迅速掌握微机系统的整体特性与其应用方法。对于实践课，利用其虚拟的器件、仪器、总线接口等不但经济适用，而且消除了学生学习硬件电路时的恐惧心理，有利于学生大胆尝试和创新。若条件允许，在虚拟实验之后再进行实际的硬件搭建和实验，则能真正锻炼学生的软硬件的综合开发和应用能力。

图5 仿真执行效果图

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Teaching Reform of Microcomputer Principles and Interface Technology Based on Proteus

ZHUMin-linga,b，ZHANGWeia，HOULing-yana

(a． School of Computer Science; b. Beijing Key Laboratory of Internet Culture and Digital Dissemination Research, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China)

In view of abstract concept and practical and comprehensive features in the course of microcomputer principle and interface technology, this paper analyzes the difficulties and the problems existed in the traditional theory and practice teaching, then it proposes a method based on Proteus simulation software to resolve these difficulties and problems. After it analyzes the relation between the course and the Proteus from components, debugging tool and design environment, and so on, the theory and practice teaching reform is presented and analyzed through some actual teaching cases. And the practice tests prove that these methods based on Proteus in theory and practicing teaching could improve the students' study interest, train the students' comprehensive capability of development and design on hardware and software, and reduce the experiment cost.

microcomputer principle; interface technology; teaching reform; Proteus

2015-02-27

北京市自然科学基金(9144028);教学改革项目(2014KG36)；网络文化与数字传播北京市重点实验室开放课题(ICDD201509)；京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目(IDHT20130519)

朱敏玲(1979-)，女，黑龙江哈尔滨人，博士，讲师，研究方向：嵌入式系统与数据挖掘。

Tel.：15210906179；E-mail:zhuminling@bistu.edu.cn

TP 391.9；G 4642.0

A

1006-7167(2016)01-0155-06