基于Proteus仿真的《微机原理及应用》实验教学改革与实践

肖洁 洪连环 方平

摘  要： 从实验教学手段、教学内容、教学组织及评价三个方面对《微机原理及应用》实验教学进行改革。以简单IO接口扩展实验为例，阐述了仿真软件proteus和Emu8086在微机原理实验中的应用。在《微机原理与应用》实验教学中引入仿真软件，有助于加深学生对微机系统扩展软硬件设计知识的理解。实验成本低，实验设计更为灵活，实验效果显著。

关键词： Proteus;Emu8086;仿真;微机原理实验

【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

《微機原理与应用》是很多理工科专业的一门专业基础课。该课程以8086/8088为控制核心，主要讲述汇编语言程序设计和外部接口电路扩展两部分知识。要求学生掌握微型计算机内部的硬件组成及使用，理解接口电路扩展的概念，让学生理解和掌握外部接口电路扩展原理，并且学会软、硬件结合系统设计。

该课程概念多、专业知识抽象，实践性强[1]，大多数学生在学习的时候感觉比较吃力。而且目前高校专业课程普遍压缩学时，更是让很多学生雪上加霜。本专业《微机原理与应用》实验设置了10h实验，但因为硬件环境限制，长期以来实验教学变成了汇编语言编程训练。侧重几种基本结构的汇编语言程序设计，完全忽略了微机系统硬件扩展及其系统设计，且使用Debug调试和运行程序，操作麻烦，界面不够友好[2]。学生学习兴趣不高，学生动手能力、创新能力没有得到很好的锻炼，学生实验收获甚微。因此，课程实验教学改革势在必行。

1  实验教学改革

目前，高校中微机原理实验主要是通过硬件实验箱的操作来完成，学生通过简单的接线、编程达到实验目的。但是这种实验箱的线路、芯片多已固定，且封装在实验箱内，学生不能看到完整电路连接，只能按照规定步骤完成指定实验，实验内容难以扩展，学生动手实验的创造性和积极性受到制约，教学效果不明显。且实验箱价格昂贵，极易受到损坏，维护困难，实验成本较高[3]。

1.1  实验手段改革：现代仿真技术引入教学中，弥补课堂不足，提高教学质量

作者经过几年教学摸索后，从软件设计+硬件设计两方面入手，抛弃传统实验箱操作，尝试利用仿真技术对微机原理及应用实验教学进行改革。一方面利用仿真软件Emu8086辅助教学取代原先Debug软件实验，让学生在windows环境下观察指令各个步骤的执行结果、CPU内部寄存器、存储器、堆栈区、变量和标志寄存器的当前值，软件界面简单直观，学生上手容易[4]，可以帮助加深学生对于抽象指令的理解，提高学生汇编语言程序设计能力。另一方面将利用EDA工具软件Proteus引人实验教学。利用该软件提供的大量模拟与数字元器件、外部设备和各种虚拟仪器[5]，设计基于8086的外部接口扩展电路。结合Emu8086软件生成的COM格式或者EXE格式的文件，完成系统功能仿真实验，到软硬件结合系统设计教学的目的。这种教学方法形象、直观，学生能更快地掌握新内容，对课程内容理解得更为透彻，教学效果明显改善。

1.2  实验内容体系改革：实验体系层次化设置，内容多样化选择，自主灵活

本课程采用清华大学出版社教材《微型计算机原理及接口技术》，根据教学内容，分层次设置13个实验，包括5个汇编程序练习和7个单项硬件扩展实验以及1个综合实验，具体设置如下图1所示。第一层次实验内容主要针对汇编语言编程，因为学生都已经具有C语言编程基础，对于程序的结构有一定程度的掌握，该阶段的实验一般都要求学生课后自主练习，只选取其中一个实验做现场统一考核，方便教师掌握学生程序设计的基础以及编程软件使用熟练程度。第二层次实验内容侧重微机系统硬件扩展，这是本课程的教学重点，根据教学进度一般要求完成其中4个实验内容，作为实验成绩考核标准。这一层次的实验主要训练学生微机系统设计原理掌握和方法运用，以及Proteus软件的使用及其仿真方法。第三层次的实验设计是对整个课程知识点的综合运用，属于对教学内容掌握拔高层面的设计，不作为成绩考核要求，有能力的学生可以尝试。实验设置覆盖全课程系统知识点，难度依次递进，符合教学计划要求。

1.3  实验考核体系改革：包容学生差异性，允许学生“自助”选择，主动性提高

由于学生能力有不同，按照以往統一内容统一组织实验的模式，有的学生在难度较大的实验上进展困难，出现怠懈、甚至抄袭的现象。针对这种现象，对实验教学组织模式进行改革。允许学生在各层次实验中自由选择实验，完成操作，作为实验成绩考核依据。只要能够完成各个层次实验的学时要求都可以判定合格，如果在各层次内选择完成的是难度较大，综合性较强的项目，则可以升级判定为良好或者优秀。学生自主选择项目，设计开发软件程序或硬件系统，完成特定的功能，满足了学生的成就感。这种包容学生差异性的实验组织和考核模式，更大程度地激发和保护了学生的学习兴趣，有利于提高学生参与性，充分发挥学生在实验中的主体地位和创新能力，提高学生的学业成绩。

1.4  实验教学样例：

以简单I/O接口扩展实验为例，要求学生以8086为控制核心CPU，进行输入输出控制系统设计，要求能够实现简单按键对LED的有效控制。设计电路不指定，设计程序无参考。根据教学内容，在实验内容上进行如下表1层次设计：

这个实验的设计主要是要考核学生软件编程与硬件系统设计结合的能力，是微机原理实验中从纯粹汇编语言编程过渡到硬件系统开发的一个实验。因而对学生的要求是只要能够自行设计并用Protues软件绘制出完整的电路图，并编写程序，实现输入按键对LED灯显示的有效控制就可以判断实验合格。例如，设计输入输出控制系统如图2所示。分析输入输出接口电路地址：要使74ls245工作，地址总线上A7=1，A4=0，同时A2A1A0=000B，得到输入接口芯片74LS245的地址为0080H;而74ls373有效时，A2A1A0=110B，则输出接口芯片74LS233地址为0086H。

采用数据无条件传送方式，设计实验用8个LED灯对应显示按键按下的信息。根据电路连接，按键按下后，按键信息为低电平，而电路中8个LED灯共地，要点亮LED灯，系统输出电平信号应该为高电平。则按照要求，按键按下相应LED灯点亮，设计程序如下：

加载程序得到仿真结果如下图2所示，K1、K3、K5、K7按键按下后，对应的LED1、LED3、LED5、LED7显示灯亮。完成实验要求，可以判定实验合格。

学生在完成实验要求后，可以在同一电路图下，进行汇编语言顺序结构、分支结构、循环结构、子程序结构程序设计训练，编写不同的程序，仿真调试，模拟不同的控制情况。学有余力的同学还可以改变硬件电路地址连线，重新编写程序，训练学生软硬件结合设计能力。实验内容丰富，灵活多变，实验要求层次分明，实验成绩判定有依据。而且实验过程中采用计算机仿真软件Protues和Emu8086结合，完全脱离了实物操作箱限制，电路设计更为自由，同时避免了元器件故障和损耗问题，仿真结果一目了然，学生成就感高、参与性强，实验效果明显提高。

2  结论

利用Proteus和Emu8086仿真软件来进行8086系统的接口实验，在教学实验仿真中具有很大的优势，可使学生在硬件资源不足的条件下学习汇编语言程序编程和硬件电路设计，并通过仿真结果验证程序的正确性，更好的帮助学生理解微机系统硬件扩展的知识，实验灵活，激发了学生的学习兴趣和创新能力，同时还解决了实验设备和经费不足的问题。内容层次分明、难度层次推进的实验内容设计以及包容学生差异性的实验组织和成绩考核方式，激发学生学习主动性和积极性，使得实验教学效果明显增加，是一个较好的教学改革体验。

参考文献

[1] 陈治明. 微机原理与接口技术课程的教学优化[J]. 计算机教育， 2011（11）： 78-81.

[2] 李艳芳， 唐云. Emu8086和Debug在《微机原理》课程教学中的应用[J]. 湖南科技学院学报， 2013， 34（08）： 41-43.

刘恩华. 基于LabVIEW的虚拟电子信息类实验教学系统的

设计与研究[D]. 南京理工大学， 2008.

[4] 蔡文霞， 史源平， 孙宏强. EMU8086软件在微机原理及接口技术教学中的应用[J]. 石家庄学院学报， 2015， 17（03）： 9-12.

[5] 董献芬. 基于Protues仿真的《微机原理与接口技术》实验教学改革必要性研究[J]. 电脑知识与技术， 2016， 12（07）： 104-106.