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基于Proteus仿真軟件的“微機原理與接口技術”實驗教學的問題和策略

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 中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2012)36-8730-03
  “微機原理與接口技術”是計算機、電子信息、自動化等專業的一門專業基礎課,該課程要求學員掌握微型計算機的硬件組成及使用,學會運用指令系統和匯編語言進行程序設計,熟悉各種典型的接口芯片和接口技術及其具體的應用,全面培養學員的微機軟、硬件設計與應用能力,培養工程意識、工程素質、實踐能力和創新能力。該課程概念抽象,知識點多,實踐性強,并具有理論與實踐、硬件與軟件相結合等特點。因此教學過程中除課堂的理論學習外,還需要良好的實踐性教學環節與之配合。優質實驗課不僅可以提高學員的學習興趣,進一步加深對微機結構、匯編語言等知識的理解,還使學員對計算機內部原理和一些芯片的工作流程有了更直接的感性認識。實驗教學在對學員動手能力、創新能力和綜合素質的培養方面起著理論教學不可替代的作用。該文論述了采用Proteus仿真技術進行微機原理實驗教學的教改新思路,并結合實例介紹了具體實驗方法。
  1 微機原理實驗教學現狀分析
  “微機原理與接口技術”實驗主要分單板機操作、匯編語言程序設計練習和接口電路實驗三大部分。其中接口電路實驗主要有:存儲器讀寫實驗、基本輸入輸出實驗、中斷實驗、8255A芯片實驗、8253芯片實驗、串行接口實驗、DMA實驗、D/A和A/D轉換實驗等[1]。
  目前接口電路實驗主要是通過硬件實驗箱如TPC-H的操作來完成。這種方式存在著如下的限制[2-3]:
  1)靈活性限制。實驗箱的線路、芯片多已固定,多開展驗證性的實驗,而學員只要按照固定的步驟進行就可,不能靈活自由的設計實驗,這就導致學員缺乏主動學習的積極性。
  2)創新性限制。由于實驗箱硬件的限制,實驗步驟和內容常常很難擴展。實驗的個數有限,內容固定,很難緊跟技術的發展進行創新和更新。每個學員的實驗內容千篇一律,學員就得不到拓展應用以及創新設計的機會,從而缺乏對學員創新意識的培養。
  3)開放性限制。由于實驗箱數量少和維護難等原因,硬件實驗室的開放性受到了限制,因此學生很難在實驗課前進行很好的準備工作。同樣學員也很難利用實驗室進行電子設計競賽和畢業設計等課外科技活動。
  4)經濟性限制。實驗箱價格非常昂貴,且極易受到損壞,維護也比較困難,必需專門人員管理。由于價格因素,實驗箱數量少,實驗課常常要分很多批次才能展開,實驗保障困難。經費問題也制約了實驗課內容的更新和該課程的建設。
  建立Proteus仿真軟件實驗平臺是突破“微機原理與接口技術”實驗教學現狀中的諸多限制一種可行的教改方法。另外,還可借助網上實驗教學功能使該實驗平臺具有更高的推廣使用價值,發揮出最大的教學效益。
  2 Proteus仿真軟件簡介[2-5]
  Proteus是英國Labcenter electronics公司開發的EDA工具軟件,最新版本為Proteus 8.0。該軟件的原理圖布圖、代碼調試到CPU與外圍電路協同仿真,一鍵切換到PCB 設計,真正實現了從概念到產品的完整設計。Proteus是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺,其處理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、MSP 430、8086等。在編譯方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。
  2009年Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺及Proteus 7.5 SP3軟件,支持8086微處理器與8255A、8253、8259、8251等接口芯片的系統仿真。基于此軟件建立“微機原理與接口技術”課的仿真實驗平臺如同一個設備齊全的的實驗室。教員可借助此平臺進行實驗教學,學員也可以在課程設計、電子設計競賽和畢業設計等方面得到此仿真實驗平臺的幫助。
  3 基于Proteus的實驗教學實例
  “微機原理與接口技術”課程要求學員熟練掌握8255A的功能、結構組成和工作方式;掌握8255A接口電路設計,工作方式選用和方式控制字設置、初始化編程及應用程序的設計。目前使用實驗箱進行的8255A實驗主要有8255A與七段數碼管、8255A控制繼電器和交通燈控制等幾個實驗[1]。實驗中教員把程序編寫好,學員照著教員的步驟連接好各種線路,再把程序錄入、調試運行,觀察結果寫出實驗報告就行了。由于操作流程單一,學員的實驗報告都是一個結論,實驗效果不佳。這造成學員對實驗興趣不夠,束縛了學員的創新思維。
  這里給出基于Proteus的8255A的接口擴展電路仿真實驗的實例——設計實現3-路搶答器。通過該實例可以簡單了解到基于Proteus仿真在“微機原理與接口技術”實驗課程教學中的應用方法和仿真過程。與傳統實驗的對比可以深切體會Proteus仿真實驗教學的優點。
  3.1 實例的設計任務與要求
  實驗實例的設計任務是:利用數碼管等設計完成3-路搶答器。要求能顯示哪路搶答成功,并能清除顯示,以備下次使用。
  實驗實例的設計要求:1)能控制搶答是否開始;2)鎖定顯示最先搶答的選手號;3)能在一段時間以后發出報警信號;4)報警結束后數碼管清零,等待下次搶答開始。
  這個實例需要一片8255A和一片8253。
  3.3實例的軟件設計
 程序主要通過讀取8255A端口A的數據,判斷PA0值確定搶答是否開始,再使用查詢方式讀取PA1-PA3數據判斷是哪一個選手成功搶答。向8255A端口B輸出成功搶答選手的編號,通過延時程序利用數碼管顯示成功搶答選手的編號。具體算法和程序參考相關教材和資料。源程序的流程圖如圖2所示。
  3.4實例的調試與運行
  Proteus本身未提供8086編譯器,而是通過添加外部代碼編譯器,將編寫好的源程序加入工程,編譯并生成可執行程序。本實例采用EMU8086軟件提供的編譯環境進行程序的編寫和編譯。EMU8086是一款基于Windows的8086匯編語言編譯、調試軟件,其界面友好、操作簡單,得到了較為廣泛的應用[6-7]。程序編譯正確后,將生成.COM格式的可執行文件。
  Proteus支持多種程序調試方式,Proteus中的8086模型能直接加載BIN、COM和EXE格式的文件到內部RAM中去,而不需要DOS,并且允許對Microsoft(Codeview)和Borland格式中包含了調試信息的程序可以進行源和/或反匯編級別的調試[2,3]。一種簡單的程序調試方法是:進入Proteus軟件的ISIS環境,將程序

文件加載到8086模型中;點擊運行鍵,仿真電路開始運行,通過觀察運行效果判斷硬、軟件設計的正確性。
  在該實例的調試過程中遇到的主要問題是:搶答問題,即一個人先按下則其他選手按下無效的問題。這里可以利用數碼管顯示搶答選手編號,并判定PA0值,若閉合(未開始新的搶答)則循環一直顯示前次搶答成功的選手編號。
  4 結論
  在上面的實驗教學實例的開展過程中,Proteus仿真軟件很好地克服了實驗箱結構固定、操作流程單一的缺點,學員的電路設計和程序設計都有多種方案。還可以從3-路搶答器自由擴展為4-路或更多路。這些都給了學員更多的實踐和鍛煉的機會,讓他們在掌握各種接口芯片使用方法的基礎上,設計開發多種應用系統,培養了整機概念、創新思維以及軟硬件開發的綜合能力。學員在實驗過程中可以發現Proteus仿真軟件具有使用方便,操作簡單,不需要實際電路板、芯片、線路焊接,并且調試方便,實驗結果一目了然等特點。
  同時,基于Proteus仿真軟件進行實驗,僅需一臺安裝了Proteus軟件的電腦就可以。這方便了學員在宿舍、機房等地不受時間和空間的限制開展“微機原理與接口技術”課程實驗,課程設計,畢業設計和電子設計競賽等。而且,網上資料很多,可以開展的實驗很豐富,實驗內容由簡到繁,由淺入深,循序漸進,既可以進行驗證性實驗,也可以進行設計性實驗和綜合性實驗。目前使用實驗箱進行的8255A實驗都能利用Proteus仿真軟件開展,而反之則不行。
  總之,基于Proteus仿真的“微機原理與接口技術”實驗教學為本課程的實踐教學提供了教改思路,不僅有助于提高教學質量,改善實踐教學效果,而且有助于改善學員的學習主動性和提高學員對本課程的興趣性。這對學員的綜合設計能力和創新能力的提高幫助很大。
  參考文獻:
  [1] 周明德.微型計算機系統原理及應用(第4版)習題集、習題解答與實驗指導(修訂版)[M].北京:清華大學出版社,2005:159,172-176.
  [2] 李現國,張艷.Proteus仿真在微機原理及接口技術教學中的應用[J].實驗技術與管理,2010(12).
  [3] 張潔,梁惺彥,陳越.Proteus仿真軟件在微機原理教學中的應用[J].福建電腦,2010(10).
  [4] 陳越,顧暉,梁惺彥.虛擬仿真在微機原理教學中的應用[J].電子技術應用,2012(1).
  [5] 田社平,俞水鋒,方向忠,等.Proteus在微機原理課程教學中的應用[J].電氣電子教學學報,2011(5).
  [6] 胡建波.微機原理與接口技術實驗:基于Proteus仿真[M].北京:機械工業出版社,2011:103-108.
  [7] 顧暉,陳越,梁惺彥,等.微機原理與接口技術-基于8086+Proteus仿真[M].北京:電子工業出版社,2011:127-129.

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