微机原理与接口技术仿真及实操联合实验教学探究

古丽扎提·海拉提, 陈 进, 胡志华

(上海第二工业大学 智能制造与控制工程学院,上海201209)

0 引言

《微机原理与接口技术》课程是本校自动化专业及其相关专业学生必修的一门专业基础课,是学生学习后续课程、毕业设计和今后工作中应用到的重要技术基础。

本课程的主要以16 位CPU8086 为主线,介绍微型计算机的硬件结构、工作原理、汇编语言程序设计方法及微型计算机的接口技术。由于该门课程对实践动手能力要求高,涉及的信息量大、知识点多、教学内容较抽象,其中汇编语言程序设计和接口技术是学生学习的两大难点,学生普遍反映学习该课程困难。本课程目前以课本理论教学为主,但针对上海第二工业大学以应用为主的教学宗旨,实践和应用尤为重要[1-4]。因此,以理论教学为主,以仿真实验实践教学为辅的教学方式有待改进。于我校CDIO 教学班的学生而言,本课程教学以理论引导入门、实践电路设计,再到理论实践相结合的指导方式, 更有助于学生的掌握和应用,这远远优越于理论和仿真教学,同时也能提高学生的学习应用兴趣。

本课程依据工程教育专业认证标准中对毕业生能力的要求[5-6],其对应的指标点和本课程目标的对应关系,提出如下的总体改革思路:以解决复杂工程问题能力培养为核心,对微机原理与接口技术课程的教学目标、教学设计、教学方法和实践教材建设等方面进行改革,明确“以学生为中心”的教学质量要求,有目标推进教学工作。采取的具体实践教学经验可为相关课程的建设及教改提供借鉴与参考。

1 课程目标及实现途径

1.1 课程目标及能力要求

微机原理与接口技术课程在工程认证教学改革中的课程目标以及学生应达到的能力、课程目标对毕业要求的支撑关系如下。

课程目标及能力要求具体如下:

课程目标1了解和掌握微机系统的结构、工作原理和中断技术、存储器直接访问技术(direct memory access,DMA);掌握汇编语言程序设计、能够基于科学原理并采取科学方法对自动化复杂工程问题进行研究,包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

课程目标2掌握汇编语言程序设计和接口技术的综合应用,针对电子信息类工程问题,在科学分析基础上提出有效的技术路线和完整解决方案;设计候选方案,通过仿真和实验,分析对比各种方法的技术性能,并理解其局限性,解决实际问题。

课程目标3掌握存储器扩展和I/O 接口综合设计方法,要求学生遵循职业规范,其次要求学生可以解决电子信息类工程问题,且能够基于科学原理并采用科学方法对自动化复杂工程问题进行研究。

1.2 课程目标实现途径

根据本课程课程目标与毕业要求的能力对应关系(见表1),可知理论知识的掌握是能力的基础,实践技能的操练是能力的运用,在理论知识体系的基础上增加实践运用能力的教学改革中,为保障学生能力的实现,必须研究科学可行的实现途径。主要实现途径为:提高实验实践课程教学效应和质量。

表1 课程目标对毕业要求的对应关系Tab.1 The corresponding relationship between curriculum objectives and graduation requirements

2 实验教学设计及改进措施

2.1 实验教学设计

本课程的教学主要内容:

(1)了解计算机的发展史,微机的基本组成和微机性能指标等。

(2)掌握微机各种信息及运算基础。

(3)掌握8086CPU 的内部结构、各寄存器的功能作用、主要引脚的功能以及8086 系统工作模式。

(4)掌握8086 指令系统中一些基本的和常用的指令以及汇编语言程序设计的基础知识。

(5)掌握存储器的基本概念、分类及性能指标,微机系统中多层存储结构概念、8086CPU 与主存接口设计等。

(6)掌握微机的输入/输出方式以及I/O 接口的设计原理和设计思想。

(7)掌握微机的中断与中断管理。

(8)基本了解几款常用的可编程接口芯片的应用。

2.2 实验教学环节改进措施

按照本课程内容的8 个部分,分别安排理论实验相结合的循环方式。

对上述2.1 节中理论教学主要内容及其对应的实验教学改进内容为:

改进(2):

①增加小案例实验环节,加强知识点的深入理解和应用。

改进(3):

①通过演示和小视频加强8086CPU 各部分的结构和功能,及其数据处理过程。

②通过小案例实验环节增强对物理地址、逻辑地址和堆栈地址信息存取的分析计算,加深对各地址范围的理解和应用。

改进(4):

①设计8086 汇编语言实验,掌握基本指令的使用方法,理解不同的寻址方式及使用方法,汇编语言程序的设计。

②利用Emu8086 汇编仿真软件进行实验,并进行分析和验证。

改进(5):

①设计基于Proteus 仿真的接口实验, 掌握8086 最小系统的组成。

②绘制8086 最小模式电路原理图进行实验,并进行分析和验证。

改进(6):

①设计基于Proteus 仿真的接口实验,掌握存储器与I/O 端口地址译码方法。

②设计I/O 端口地址译码电路,通过编写程序对译出的端口地址进行I/O 操作,验证译码电路的正确性。

③设计基于锁存器的8 位输出口实验,掌握简单并行I/O 芯片与CPU 的接口方法(用74LS373 构成输出口,控制8 只LED,实现依次点亮)。

④设计基于三态门的8 位输入口实验,掌握利用三态门构成输入接口的方法(用74HC245 三态门构成输入口,控制8 个开关,实现控制开关的状态)。

⑤设计7 段数码管静态显示原理,利用三态缓冲器构成输入输出接口、锁存器构成输出接口的方法,控制7 段数码管,显示当前有几个按键是闭合的状态。

改进(7):

①设计非屏蔽中断实验,控制8 位LED 循环移动,掌握非屏蔽中断的原理、中断向量的初始化方法、中断服务程序的设计。

改进(8):

①设计十字路口交通灯控制系统实验,掌握8253 的基本工作原理及CPU 接口方法,8253 初始化编程,掌握8255 的基本工作原理及初始化编程方法,及接口方法。

②设计直流电动机正反转控制实验,掌握并行接口及应用,直流电动机的驱动控制。

③设计步进电动机正反转控制实验,掌握并行接口及应用,步进电动机的驱动控制。

2.3 理论及实验教学环节对应关系

本课程内容按照8 个部分,分别安排理论实验相结合的循环方式,具体设计思路及与课程目标的对应关系如表2 所示。

表2 课程目标与理论、实验教学的对应关系Tab.2 The relationship between curriculum objectives, theory and experiment teaching

3 实例介绍

本文中提到的Emu8086 和Proteus 虚拟仿真软件,在本课程实验实践教学内容中起到了非常重要的作用[7-11]。Emu8086 是一种学习汇编工具,它结合了一个原始编辑器、组译器、反组译器、具有除错功能的软件模拟工具(虚拟PC),且具有一个循序渐进的指导工具。它对刚开始学汇编语言的学生来说是一个很理想的工具。Proteus 软件是英国Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具软件。它不仅具有其他EDA 工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是比较好的仿真单片机及外围器件的工具并以其巨大的教学资源受到电子设计开发应用者的青睐。

将Emu8086 和Proteus 虚拟仿真软件引入到课程实验教学中,为构建以Proteus 虚拟仿真软件为主,以硬件设备在线联调验证和实验板调试为辅的实验教学模式,以下以具体实验案例进行说明。

实验任务:设计一个直流电动机的控制接口,可以实现通过按键选择电机的顺时针、逆时针旋转和停止, 并且用相关指示灯表示电动机的工作状态。本实验可选用芯片L293D 来实现直流电动机的控制。L293D 的使能端EN1 置1 后,电动机的正、反转和停止通过控制引脚IN1 和IN2 实现按键和指示灯通过8255 来控制,分别接PA0～PA3, PC0～PC3。读入PA0～PA3 上按键的状态, 决定电动机的工作方式,并通过8255 的PB0 和PB1 输出至L293D 的IN1 和IN2 引脚。8255 的A 口、B 口均工作于方式0,PA 口输入、PB 口输出、PC 口低4 位输出,工作方式字为10010000B。从PA 口读入开关的状态,根据L293D 真值表设置PB 口的输出,以及PC 口输出的状态。

与该实验相关的理论教学环节结束后, 指导学生应用Proteus 仿真软件搭建实验电路图, 实验原理图如图1 所示, 用到的元件包括MOTOR、L293D、1N4001、RES、BUTTON、LEDYELLOW 和8255 等。仿真调试过程中,学生可以将自己的程序段编辑在Emu8086 软件上进行测试和调试。

通过图1 所示的实验原理图, 学生可以应用8086 最小工作模式下的总线结构和端口地址译码电路设计直流电动机的正反转控制系统,掌握直流电动机的驱动原理,并行接口及应用,直流电动机的驱动控制等实验所涉及到的知识点和技能点。

仿真测试结束后,学生可以进入实操环节,首先印制电路板,然后搭建硬件,最终实现实物模型。

图2 为直流电动机正反转控制实验最小系统设计PCB 图,通过Altium Designer 软件对原有的实验原理图进行改进,设计PCB 板,并将其进行制版,得到图3 所示的实验板。学生理解和学习了理论知识, 完成仿真实验的实践之后,就可以应用所学知识和技能完成实物的测试实验,提高学生学以致用的能力。

图1 直流电动机正反转控制实验仿真原理图Fig.1 Experimental schematic diagram of forward and reverse control of DC motor

图2 直流电动机正反转控制实验最小系统设计PCB 图Fig.2 PCB of the minimum system design for the forward and reverse control experiment of DC motor

4 课程改革成效分析

本课程建设期间正好有两个完整的教学授课环节,通过两届教学过程的相继改进,学生的考核成绩以及对两届班级学生的问卷调查,分析了课程建设对教学质量的实际效果。

(1) 教学环节。学生对知识点的理解和掌握程度得到提高。具体表现在小案例实验内容的操练,Emu8086 仿真软件对汇编语言程序的测试验证。

(2)实验环节。学生对技能点的应用水平得到提高。具体表现在具体实验案例的设计、编程、仿真和验证,以及具体实验板的实验操练。

(3)考核环节。通过课程建设,课程教学和实验环节的改进,在期终考试考核环节中,学生的成绩得到提高,具体比较如下:

2018 年秋季班:共35 人,优秀(4 人)11.4.%,良好(8 人)22.9%,中等(6 人)17.1%,及格(14 人)40%,不及格(3 人)8.6%。平均成绩65 分。

2019 年秋季班:共34 人,优秀(4 人)11.8%,良好(10 人) 29.4%, 中等(12 人) 35.3%, 及格(8 人)23.5%,不及格(0 人)0%。平均成绩77 分。

(4)毕设环节。基于本课程应用性强的特点,开展了两届毕业生的相关毕业课题指导工作,通过毕业设计环节,将毕设设计过程中遇到的实际问题反哺到理论教学环节,尤其是实验环节。毕设题目总结如下:《基于8086 微处理器的履带小车控制》、《基于8086 的智能小区自动门系统设计》、《基于微处理器的摩天轮式立体车库控制系统设计》,获得优秀毕业设计荣誉。

图3 直流电动机正反转控制实验板焊接板(a)及实物图(b)Fig.3 Welding plate and physical experiment drawing of DC motor positive(a)and reverse control experimental plate(b)

5 结 语

通过对《微机原理与接口技术》实验教学的探讨, 可以发现基于Emu8086 和Proteus 仿真软件结合进行实验仿真验证,并在此基础上通过实验板的实际测试验证,不仅能提高学生掌握和应用教材中难以理解的概念和程序的程度,还能锻炼学生的动手能力。学生可以根据教学实验提出的实验设计任务,设计出更多的电路方案和汇编语言程序,并能够自行验证,从而提高学生对《微机原理与接口技术》课程的学习兴趣,深化对课程内容的掌握和理解,甚至可以通过实验板进一步完成相关项目,并开发毕业设计课题。学生的实际动手能力和创新设计能力得到了加强,也达到了在工程教育认证背景下,以能力培养为出发点,以培养目标的达成为目的,对教学内容进行优化的目的。