微機原理與接口技術課程建設與Proteus軟件應用分析

摘要：結合微機原理與接口技術教學設計與重點，采用啟發式、互動式和對比式等方法實現微機原理與接口技術的教學，對課程建設的方法進行了探討。利用網絡教學與傳統教學相結合的方法，闡述了定時器與并行接口芯片的Proteus軟件應用以及實踐環節綜合訓練的項目。應用Proteus軟件，不僅利用8253定時實現了波形顯示，還利用8255A實現了按鍵值送數碼管顯示的功能。

關鍵詞：教學設計；Proteus；定時器；課程建設

作者簡介：艾紅（1962-），女，重慶人，北京信息科技大學自動化學院，副教授。（北京 100192）

基金項目：本文系北京信息科技大學微機原理與接口技術課程建設的研究成果。

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0101-02

微機原理與接口技術課程是伴隨著微處理器的誕生而出現的，同時又伴隨著微處理器的發展而發展，課程內容從早期的以Z80微處理器為主進展到以X86微處理器為主。由于X86微處理器在應用市場中的絕對主導地位，雖然X86微處理器不斷更新，但由于新的處理器始終保持了對以前處理器的兼容，所以在處理器的結構原理上，特別是構成微機系統的原理上維持了許多共性的特征，使微機原理與接口技術這門課程在內容上相對穩定。學生對這門課程學習感到有一定難度，因為計算機是個復雜系統，無論先講哪一部分，都要聯系到其它部分，又不可能把所有相聯系的部分同時講清楚。學生每次課學到一些新知識，理解了一些原來有疑問的問題，又有一些理解不透徹的新問題產生。因此微機原理與接口技術的課程建設力爭形成結構緊湊、知識連貫、內容先進實用和信息量大的課程。[1，2]

一、教學設計與重點

采取學生易于接受的表述方法深入淺出地講透，對于具有共性的疑難問題，給予重點講授。隨著課程的進行會多次反復涉及到重點內容，使學生加深理解并能熟練應用。微處理器、存儲器和I/O接口電路等各部件是由超大規模集成電路制成，應注意其內部結構、外部連接和外部應用特性。微型機的運行是軟硬件相互結合，在講解接口電路工作的同時，與程序的運行聯系起來。講述I/O接口電路的編程和應用時，必須跟實際應用例子相結合。微型機在總線上的操作有著嚴格的時序特性，講授存儲器、I/O接口電路連接和讀/寫操作時，必須密切結合CPU和外部設備的操作時序配合問題。由于時序配合對于學生來說較難理解，所以采用動畫講解的方式效果會更好。在存儲器章節中介紹Cache含義：Cache用在CPU與內存之間，在交換信息時起緩沖作用；講解存儲器與8086 CPU的硬件連接電路和存儲器實際可訪問的地址空間范圍；可以根據已知的存儲體芯片容量計算需要的芯片和每塊芯片需要的尋址線；存儲器芯片片選端的譯碼采用全譯碼、部分譯碼和線選法；說明芯片的地址分配，畫出端口譯碼電路說明每塊芯片的端口地址范圍。

重點突出三個專用接口芯片8253、8259A、8255A的不同功能、工作過程及芯片的外部應用特性。編程及應用實例應偏重在8253、8259A與8255A的基本應用，課程實驗的綜合應用環節是8253、8259A與8255A這三個芯片的綜合應用。難點是中斷接口芯片使用與中斷服務程序設計，例如接口芯片8259A的自動中斷結束方式與非自動中斷結束方式。優先級設置方式有全嵌套方式、特殊全嵌套方式、優先級自動循環方式和優先級特殊循環方式。為了使學生容易理解并使用8259A芯片，講解時按照常用工作方式設計編程，如采用全嵌套方式，非自動中斷結束方式，按照順序設置初始化命令字，按照工作需要設置操作命令字。

二、課程建設方法探討

1.多種方式采用提高學生學習興趣

采用啟發式、互動式和對比式等方法實現微機原理與接口技術的教學。微機原理中許多概念和數字電路課程、系統設計密切相關。比如講授總線分時復用時，啟發學生既讓地址信息、數據信息及時而準確傳送，又能減少芯片管腳數，使得芯片更小，引導學生從分時過渡到復用，讓學生體會系統設計的精心構思和設計巧妙所帶來的樂趣。在課堂教學中，除了板書和講述外，靈活運用配套的電子課件，在課堂上通過點擊鼠標，顯示文字和簡明的圖表，既可對教材的重點和難點深刻理解，又能夠看到動態的信息流動過程，使學生能生動形象地了解各種接口電路的工作原理，增強學生對課程的學習興趣。多媒體用精彩的畫面、生動形象的動畫、優美的音樂等提高了學生的學習興趣。對于一些抽象的不可見概念和知識，應用計算機變抽象為形象，變不可見為可見，有利于學生對問題的理解。采用多媒體教學顯示抽象的內部結構和數據流向，也可以節約了許多畫圖的時間。講解程序設計等重要內容時，配合板書編寫程序，將一條條語句帶著學生在黑板上寫下來，使得程序編寫有一個思考過程。將程序的執行過程進行演示，一方面檢驗程序設計的正確性，另一方面演示程序執行過程中數據是如何在寄存器或存儲器中傳遞的。應用程序的研究與開發涉及硬件結構、各種外設及其接口內容復雜且較多，對部分章節采用討論式教學，從簡單的應用程序開始，首先導出問題，然后進行討論，共同設計、編寫軟件，一起完成應用程序設計。教師對設計過程、設計原理、設計方法和注意事項進行總結，在此基礎上再進行較復雜的設計。通過不斷討論問題、解決問題的過程，有利于培養學生的獨立思考能力，提高基礎知識的靈活運用和綜合運用能力。采用對比的方式，可以找出它們的共性，突出個性。

2.網絡教學與傳統教學相結合

課堂教學是一門藝術，有時需要給學生留下思考的余地。對教學重點應詳細講解，多課程交叉重復的內容，可以留給學生自學，培養學生的自學能力和聯想能力。啟發學生的創造性思維，這也是加強基礎，上下銜接課程建設的需要。課堂教學是教學的主題，網絡教學不能只是對課堂教學的復制。應該充分發揮網絡資源的優勢，在增加知識面、提高效率、因材施教等方面對課堂教學起到很好的補充作用，有利于充分發揮學生的主觀能動性。教師指導學生參與實際科研課題和指導學生進行微機系統的研究與開發設計，通過網絡查找資料，掌握課題研究方法，培養學生的科研能力，使學生由被動型學習轉向主動型學習。

三、定時器與并行接口芯片Proteus軟件應用

1.計數器/定時器接口芯片8253

Protues仿真軟件可以實現從原理圖布圖、代碼調試到微處理器與外圍電路協同仿真的功能。課堂上可以應用仿真軟件Proteus演示可編程計數器/定時器芯片8253工作原理。例如8253有3個獨立通道計數器，有6種工作方式，可以產生不同的波形，實現定時計數功能。主要工作區別是輸出波形不同，啟動計數器的觸發方式不同即硬件啟動是GATE從0到1，還是軟件計數值裝入后就啟動，計數過程中門控信號GATE對計數操作的影響不同。例如8253控制寄存器端口號為206H，采用計數器2工作于方式1，計數初值為1250，計數器0工作于方式3，輸出一個1KHz的方波，8253的輸入時鐘為1MHz，計數形式是BCD碼計數。采用Proteus仿真軟件設計的8086硬件原理圖如圖1所示，采用Proteus仿真軟件應用示波器演示程序執行結果的波形顯示如圖2所示。

2.并行接口芯片8255A

8255A傳統的教學方法是在講述完工作方式選擇控制字和置位/復位控制字以及3種工作方式后舉例練習工作方式和置位/復位控制字的設置方法。學生聽起來覺得很抽象、枯燥。可以應用仿真軟件Proteus演示可編程外圍接口芯片8255A的工作原理及其應用。8255A有3種工作方式，主要用于輸入與輸出功能的實現。有基本輸入輸出方式、選通輸入/輸出方式和雙向總線方式。除了基本輸入輸出方式之外，需要使用C口幾根線作為聯絡信號。用多媒體動畫演示聯絡信號的工作過程，控制信號時序配合、數碼管的數字顯示。使用Proteus 軟件可以把舉例形象化演示實際效果，例如采用8255A實現與按鍵的綜合應用。有8個按鍵的鍵盤，當一個按鍵被按下時，數碼管顯示該鍵的編號。8255A的端口A接8個小鍵盤，8255A的端口B連接BCD碼數碼管。基于8255A的Proteus仿真結果顯示如圖3所示，表示當按鍵5按下時，數碼管上顯示5。

四、實踐環節綜合訓練

實驗設備可以保證學生每人一套，自行完成實驗指導書中的編程和調試。精選實驗內容是優化實驗項目的重要環節。實驗內容包括數碼轉換程序設計，統計數據區內負數的個數，利用子程序的方法編程求出序列中的最大值和最小值。軟件中斷實驗是在顯示器上顯示26個英文字母A～Z。采用8259A單片可以實現當每次響應外部中斷IRQ7時，屏幕上顯示字符“7”，中斷10次后程序退出。也可以實現兩片8259A的級連功能。如系統中的一片8259A作為主片，外接另一片8259A作為從片，構成8259A級連方式的中斷線路。其中規定主片的引腳IRQ7上連接一片從片，從片上的引腳IR7連接外中斷申請電路。當從片的IR7上有中斷申請時屏幕上顯示字符“7”。利用8253的0# 通道實現循環定時，每次定時時間到產生中斷IRQ0，在中斷程序中顯示一個數字。在屏幕上循環顯示“0”～“9”十個數。8253計數實驗是設定8253的2#通道工作方式為方式0，用于事件計數。當計數值為5時，發出中斷請求信號，屏幕上顯示字符“M”。可編程接口芯片綜合應用包括彩燈控制實驗和信號燈控制實驗。彩燈控制實驗實現8個彩燈循環流水顯示。每隔1秒點亮一個燈，當按下開關KK1時，8個彩燈一起閃爍4次，然后恢復流水燈點亮。8255A輸出彩燈的狀態，1秒定時時間由8253配合軟件完成，彩燈閃爍由開關KK1連接8259A中斷實現。利用8255A和8253實現信號燈控制實驗。采用6個彩燈模擬十字路口的交通燈，平時主街綠燈通行，副街紅燈亮。當傳感器檢測到副街有車要通過時，主街黃燈亮2秒后紅燈亮，副街綠燈亮，副街通行30秒后恢復成平時主街通行的狀態。8255A輸出交通燈的狀態，用開關模擬傳感器檢測副街是否有車，用8253實現定時。由于課堂實驗時間有限，加之實驗設備價格較昂貴，因此可以通過Proteus軟件對8086及其外圍設備進行仿真。學生可以利用自己的計算機隨時隨地進行學習，鞏固和加深課堂學習內容并進行實踐。

五、結束語

教師采用多媒體、開放性、互動式和研究式等豐富多采的教學方式，提供典型的案例，配備自主學習型網絡課件，在教學內容、教學方法、考核方式、教學改革、因材施教、素質培養和教書育人等方面有措施、有行動，把握好講課、討論、作業、輔導、實踐和教材等要素，精心設計教學方法，合理運用現代教育新技術與新手段，在教學內容安排和教學過程中注重對學生自學能力與思維方法的培養；學校建立符合現代教育思想的教學基本制度，完善輔導答疑、批改作業、教學檢查、成績評定和教學研究等工作，進一步深化微機原理與接口技術的課程建設。教師和學校二者共同努力，協調配合，為學生今后專業知識和計算機應用相結合提供了知識儲備，并奠定了扎實的計算機硬件與軟件的綜合應用能力。[3]

參考文獻：

[1]湯曉安，王文惠，郝建新，等.精講多練打造微機原理與接口技術精品課程[J].高等教育研究學報，2007，30（2）：58-59.

[2]張雪征.微機原理與接口技術課程教學方法探討[J].高等教育研究，2011，28（3）：36-37.

[3]楊奎武，郭淵博，李長勝.微機原理與應用項目驅動式教學方法[J].中國教育技術裝備，2013，（18）：77-78.

（責任編輯：王意琴）