Proteus在《微機原理與接口技術》實驗教學中的應用

黃　忠，劉　娟，張　杰

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

?

Proteus在《微機原理與接口技術》實驗教學中的應用

黃忠，劉娟，張杰

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

摘要：針對《微機原理與接口技術》實驗教學的諸多問題，闡述了通過Proteus仿真軟件進行實驗教學的新思路。以并行接口芯片8255A的仿真實例，說明了Proteus實驗仿真的基本過程。實踐表明，基于Proteus實驗仿真方法不僅能夠克服硬件實驗箱結構固定、資源有限等缺點，還能加深學生對課程知識點的理解和調動學習積極性，從而進一步提高實驗教學效果。

關鍵詞：Proteus仿真; 8255A; 8086; 實驗教學

《微機原理與接口技術》是計算機、電子信息及電氣類專業的一門專業基礎課程。其教學目的是使學生從理論上樹立微機系統的整體概念，并掌握微機的基本組成、工作原理、匯編語言程序設計、接口電路及硬件連接等基本知識點；同時使學生從實踐上具有微機系統的軟硬件開發能力。通過課后與學生們交流發現，學生對8086系統中內存擴展、I/O接口芯片與CPU的連接、某些I/O接口芯片工作方式等內容普遍難以掌握。而《微機原理與接口技術》實驗教學則是將課程理論教學中難學、抽象的知識形象化、具體化，一方面進一步加深學生對微機結構、匯編語言及各種指令系統等知識的理解，提高學生學習興趣；另一方面讓學生對計算機內部原理和一些芯片的工作流程有更直接的感性認識，幫助學生克服畏難情緒[1]。本文探討了Proteus在《微機原理與接口技術》實驗中的應用方法，并以并行接口芯片8255A的仿真實例說明了其仿真過程。

1微機原理實驗教學現狀分析

《微機原理與接口技術》實驗主要分為匯編語言程序設計和接口電路實驗兩部分。由于匯編語言等知識在相關前導課程中已經學習，這門課在匯編語言程序設計的基礎上更偏重于接口電路的設計和應用。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。然而，這種方式存在著如下限制。

(1)創新限制。由于實驗箱的芯片、線路多已固定，實驗開設項目有限，一般只能開展驗證性實驗，學生很難參與實驗中的細節設計和擴展設計，限制了學生的想象力，導致學生學習的積極性不高。

(2)時空限制。傳統的實驗需要在專業實驗室中進行，但由于實驗箱數量少和維護難等原因，實驗室開放資源受到限制，學生難以在實驗課前進行準備工作。

(3)經費限制。實驗箱價格貴、易損壞，一方面需要花費經費以維護舊設備，另一方面需要增置新設備以滿足日益變化的實驗內容。

難以擴展的實驗箱、有限的實驗經費和陳舊的實驗項目等諸多因素制約了硬件實驗的開展和限制了學生學習的創新性思維。隨著計算機技術在硬件和軟件方面的飛速發展，研究者開始探索計算機仿真技術在諸如電子電路等實際工程中的應用。Proteus軟件于2009年上半年推出了Proteus VSM for 8086平臺，提供了8086與8255，8253，8251和8259等芯片的仿真支持。因此，可以將此軟件引入到8086接口技術的實驗教學中，以加深學生對理論知識的理解和掌握[2]。

2基于Proteus的微機原理實驗教學設計

Proteus軟件是由英國Labcenter公司開發的一款嵌入式系統設計與仿真平臺。Proteus軟件由ISIS和ARES 2個軟件包構成，ISIS是原理圖編輯與仿真軟件包，ARES是布線編輯軟件包[3]。Proteus強大的設計與仿真功能被廣泛應用在數字電路、模擬電路、單片機和嵌入式系統等多門課程的教學和實驗中。

微機原理實驗由軟件和硬件兩大部分構成。軟件就是匯編語言程序設計，以往的實驗通常采用Emu8086軟件[4]在PC上進行程序編寫和調試，滿足了實驗教學的需求。硬件部分以接口技術硬件系統設計和應用為中心，是整門課程的重點，它包括存儲器系統設計、I/O編址、I/O接口芯片的控制方式及其與CPU的連接等，涉及中斷控制器8259A、可編程定時器/計數器芯片8253、可編程并行接口芯片8255A、可編程的串行接口芯片8251A、以及A/D和D/A轉換器ADC0809，DAC0832等。

圖1基于Proteus仿真的實驗項目

傳統的接口電路實驗是在實驗箱上完成的，拓展性不強，效果不好。為了提高實驗課的教學效果，讓學生自己參與整個電路的設計，加深理解芯片的工作原理和結構，在實驗室基于Proteus軟件仿真設計出多種實驗項目或課程設計，如圖1所示。通過Proteus軟件仿真方式，一方面在實驗課上教師可以有針對性地對各芯片的硬件連線和軟件控制方法進行展示，給學生直觀認知，激發學生學習熱情；另一方面，通過實驗教學，提高學生對知識點拆分和綜合分析能力，培養學生創新能力。

3仿真實例

Proteus ISIS 8086的仿真包括三個步驟：(1)Protues仿真電路的設計，(2)匯編語言程序的編寫和編譯，(3)仿真調試。下面以基于8086和8255A的“按鍵與數碼管顯示”實驗為例進行說明[5]。

設計要求：8255A的A口接4個開關K3～K0，B口的7位接一個七段LED顯示器。當開關都合上，K3K2K1K0=0000時顯示0，到開關都斷開，K3K2K1K0=1111時，顯示F，共有16種狀態，顯示16進制數0,1,…,F。

3.1Protues仿真電路的設計

原理圖設計如圖2所示，使用8255A的基本輸入輸出功能，A口接4個開關，B口7位接一個七段LED顯示器。通過A口讀開關狀態并用七段LED顯示器顯示。通過該圖可以清晰地向學生解釋8086工作在最小模式時的引腳和功能。使用74LS373芯片作為地址鎖存器，地址信號的A1，A2接8255A的A0，A1位，其它地址信號經過74LS138后作為8255A片選信號。通過分析可知，4個端口的地址分別為F0H，F2H，F4H和F6H[6]。

圖2仿真電路圖

3.2匯編語言程序的編寫和編譯

打開Emu8086軟件，新建com文件，輸入以下代碼：

; A口地址

PROTA EQU 0F0H

; B口地址

PROTB EQU 0F2H

; C口地址

PROTC EQU 0F4H

; 控制口地址

CONTROL EQU 0F6H

DATA SEGMENT

; 0～F的七段代碼編碼

TABLE DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H

DB 00H,18H,08H,03H,43H,21H,06H,0EH

DATA ENDS

CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE,DS:DATA

START: MOV AX,DATA

MOV DS,AX

MOV DX,CONTROL

;A口工作方式0，輸入，B口方式0，輸出

MOV AL,90H

OUT DX,AL

IN_PORTA: MOV DX,PROTA

;讀A口(讀按鍵信息)

IN AL,DX

;取低4位

AND AL,0FH

LEA BX,TABLE

;查表

XLAT

MOV DX,PROTB

OUT DX,AL

;延時

MOV CX,10000

L1:NOP

LOOP L1

;繼續讀開關，顯示

JMP IN_PORTA

;返回DOS

MOV AX,4C00H

INT 21H

CODE ENDS

END START

3.3仿真調試

上述代碼編譯生成com文件后，導入到8086芯片中。導入方法：在Proteus軟件界面中雙擊8086器件，在彈出的對話框中把生成的該com文件添加給8086。運行后，會出現圖3所示的結果。改變開關狀態，LED顯示器上顯示不同的數字，實現了例子的設計要求。

圖3仿真結果圖

4結束語

本文以8086和8255A的并行接口擴展電路仿真為例，說明了Proteus軟件在《微機原理與接口技術》實驗教學中的應用。用Proteus進行8086接口電路仿真，一方面學生需要清晰地理解接口芯片的工作原理和端口尋址，才能完成實驗所需的仿真電路設計，從而可以直接地表現大量的教學信息，讓學生參與到實驗設計的細節，激發學生學習的興趣；另一方面仿真實驗節約了大量昂貴的實驗儀器費用，打破了實驗開設的時間和空間限制，給學生更多實踐和鍛煉的機會，為實踐性教學帶來了很大的靈活性。還值得一提的是，除了教師可借助Proteus軟件進行實驗教學外，學生也可以在課程設計、電子設計競賽和畢業設計等方面應用此仿真平臺。

參考文獻:

[1] 張小紅.微機原理與接口技術實驗教學改革探討[J].中國教育技術裝備,2012(21):113-115.

[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,2012,27(12):125-127.

[3] 吉向東,李新鄂.基于Proteus的微機原理實驗仿真[J].信息技術,2010(2):36-39,44.

[4] 谷兆麟.基于EMU8086的微機系統的輔助學習方法[J].天津工程師范學院學報,2006,16(4):26-27,30.

[5] 顧暉,梁惺彥.微機原理與接口技術——基于8086和Proteus仿真[M].北京:電子工業出版社,2012:131-137.

[6] 周荷琴,馮煥清.微型計算機原理與接口技術[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2013:221-223.

Application of Proteus in Experiment Teaching of Microcomputer Principle and Interface Technique

HUANG Zhong, LIU Juan, ZHANG Jie

(Institute of Physics and Electrical Engineering, Anqing Teachers College, Anqing 246133,China)

Abstract:Aiming at many problems in process of experiment teaching of microcomputer principles and interface technique, this paper discusses the idea of experiment teaching based on Proteus simulation. Taking the simulating of peripheral interface 8255A as an example, we illustrate the basic process of Proteus simulation. The practice proves that the method can not only overcome the disadvantages of the fixed hardware experiment instruments and limited resources, but also deepen the students' comprehension of curriculum knowledge and mobilize the students' enthusiasm to study, and enhance the effect of experiment teaching further.

Key words:Proteus simulation, 8255A, 8086, experiment teaching

文章編號：1007-4260(2015)02-0130-04

中圖分類號：TP368.1

文獻標識碼：A

作者簡介：黃忠，男，安徽岳西人，博士生，安慶師范學院物理與電氣工程學院講師，研究方向為情感計算與機器視覺。

收稿日期：2014-10-23