I/O接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

陳 真， 王 釗

（中國石油大學(xué)（華東）a.海洋與空間信息學(xué)院；b.控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引 言

“I/O接口綜合設(shè)計(jì)”是微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課程接口設(shè)計(jì)部分中考查學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的綜合設(shè)計(jì)型虛擬仿真項(xiàng)目，是在原實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上融合先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)［1-4］。其中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是以CPU總線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，貫穿典型接口芯片的功能應(yīng)用，以學(xué)生自主設(shè)計(jì)為基本要求，注重引導(dǎo)學(xué)生以學(xué)科或行業(yè)發(fā)展前沿課題為選題，營造探索性實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新興趣，提高學(xué)生靈活應(yīng)用接口芯片設(shè)計(jì)I/O接口電路的綜合設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

“I/O接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真項(xiàng)目可以完全仿真原有基于硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接口實(shí)驗(yàn)功能，同時通過充分發(fā)揮虛擬仿真的技術(shù)優(yōu)勢可以提高接口設(shè)計(jì)效率，有效降低設(shè)計(jì)成本，設(shè)計(jì)過程不受時空影響，擴(kuò)展了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接口和外設(shè)的功能和靈活度，便于學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可根據(jù)設(shè)計(jì)需求自由擴(kuò)展相應(yīng)的功能模塊，進(jìn)行自主探索式創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

“I/O接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真項(xiàng)目的實(shí)施，有利于合理增加實(shí)驗(yàn)難度、拓展深度、擴(kuò)大可選擇性；提高學(xué)生實(shí)踐主動性的同時，提升了實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)度，激發(fā)其學(xué)習(xí)動力和專業(yè)興趣。學(xué)生得以靈活、全面地掌握接口芯片功能與使用方法，將理論知識與實(shí)踐結(jié)合的更加緊密，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、探索學(xué)習(xí)以及研究性學(xué)習(xí)的自主學(xué)習(xí)實(shí)踐能力。

本文結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)詳細(xì)介紹了虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)原理輔助理解、功能仿真和接口設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用情況以及在線互動教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)施案例。

1 I/O接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過“I/O接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目訓(xùn)練后，能夠理解并掌握微處理器系統(tǒng)及其接口的基本原理，具有應(yīng)用相關(guān)原理針對復(fù)雜工程問題進(jìn)行軟硬件分析與設(shè)計(jì)的表達(dá)能力；能夠理解并掌握微處理器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語言及其編譯技術(shù)，初步具備利用先進(jìn)的虛擬仿真工具進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與軟硬件聯(lián)合調(diào)試的能力，并理解其局限性；具備自主學(xué)習(xí)、探索學(xué)習(xí)以及研究性學(xué)習(xí)的能力，能夠靈活應(yīng)用接口芯片進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

（1）總線結(jié)構(gòu)與I/O接口信號。CPU與I/O設(shè)備之間要傳送信息，通常包括數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息，CPU與I/O設(shè)備之間的接口信號必須有數(shù)據(jù)信息和端口地址，總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）簡單的I/O設(shè)備。①輸出設(shè)備：發(fā)光二極管（LED）；②輸入設(shè)備：開關(guān)；③顯示設(shè)備：七段數(shù)碼管。

（3）典型接口芯片。①D鎖存器和D觸發(fā)器。在進(jìn)行簡單I/O接口電路設(shè)計(jì)時，一般應(yīng)遵循“輸入三態(tài)，輸出鎖存”與總線相連的設(shè)計(jì)原則。CPU數(shù)據(jù)的輸出一般用鎖存器鎖存。常用的鎖存器有四D鎖存器74LS75和八D觸發(fā)器74LS273。四D鎖存器符號如圖2所示，功能見表1。八D觸發(fā)器74LS273符號如圖3所示，功能見表2。②三態(tài)門緩沖器。輸入接口一般用三態(tài)緩沖器實(shí)現(xiàn)，外部設(shè)備輸入數(shù)據(jù)通過三態(tài)緩沖器，數(shù)據(jù)總線傳送給微機(jī)系統(tǒng)。常用的緩沖器有單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器74LS244或雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器74LS245。74LS244符號如圖4所示，功能見表3。

表3 74LS244功能表

表1 74LS75功能表

表2 74LS273功能表

③可編程并行接口芯片。可編程并行接口芯片的工作方式是通過軟件編程來設(shè)定其作為輸入接口或輸出接口，擴(kuò)展了芯片的功能和靈活性。8255A為常用可編程并行接口。

（4）I/O接口電路設(shè)計(jì)。在進(jìn)行簡單I/O接口電路設(shè)計(jì)時，應(yīng)遵循“輸入緩沖，輸出鎖存”與總線相連的設(shè)計(jì)原則。其中，輸出和輸入接口設(shè)計(jì)分別依據(jù)寫總線和讀總線周期時序圖，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)需求，選用常用元器件和典型接口芯片進(jìn)行I/O接口電路的設(shè)計(jì)。這里以輸出接口電路設(shè)計(jì)為例，依據(jù)寫總線周期時序圖如圖5（a）所示，選用常用元器件和接口芯片設(shè)計(jì)的參考電路如圖5（b）所示。

（5）擴(kuò)展功能模塊。可編程計(jì)數(shù)器/定時器、可編程中斷控制器等擴(kuò)展芯片和D/A與A/D轉(zhuǎn)換模塊以及鍵盤和液晶顯示模塊等擴(kuò)展應(yīng)用。

1.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)中注重融合知識點(diǎn)，蘊(yùn)含思想政治教育元素［5-11］。主要體現(xiàn)在：總線結(jié)構(gòu)及接口的定義、功能和作用以及接口與端口的關(guān)系，闡明制定和遵守規(guī)則以及合作共贏的重要性；典型I/O接口芯片的工作原理和使用方法，強(qiáng)化對于工作一絲不茍更深層次的理解；I/O接口電路的設(shè)計(jì)原則、流程和方法，理解到處理問題要運(yùn)用科學(xué)方法；I/O接口電路軟硬件聯(lián)合調(diào)試方法，強(qiáng)調(diào)注重設(shè)計(jì)過程，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；靜態(tài)和動態(tài)顯示原理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，具有節(jié)約資源意識并積極實(shí)施；可編程接口芯片和功能模塊的擴(kuò)展及應(yīng)用，要具有勇于嘗試的創(chuàng)新意識。

“I/O接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的仿真在力求還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)原理、操作環(huán)境及互動感受基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮虛擬仿真的優(yōu)勢，進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)的深度、廣度和可選擇性，滿足學(xué)生結(jié)合自身專業(yè)特色和興趣專長自主選題、自主設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生融會貫通專業(yè)課程、應(yīng)用相關(guān)知識通過自主設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的能力。現(xiàn)以8086CPU接口設(shè)計(jì)內(nèi)容為例，仿真的核心要素描述如下：

（1）元器件仿真模型結(jié)構(gòu)及功能仿真。結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)需求對常用元器件進(jìn)行功能仿真及測試。以常用元器件發(fā)光二級管（LED）及非門（Inverters）、或門（OR）為例，其仿真功能測試如圖6（a）、（b）所示。

（2）常用典型接口芯片仿真模型結(jié)構(gòu)與功能仿真。結(jié)合接口設(shè)計(jì)原理，以用于輸出接口的74LS75鎖存器為例，其結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示，仿真功能測試原理如圖7（b）所示。

（3）接口設(shè)計(jì)仿真原理圖。結(jié)合接口設(shè)計(jì)原理及依據(jù)任務(wù)需求制定接口設(shè)計(jì)方案，采用常用元器件和接口芯片搭建接口設(shè)計(jì)的參考電路如圖8（a）所示，仿真原理如圖8（b）所示。

（4）軟硬件聯(lián)合調(diào)試仿真。采用單步調(diào)試子程序調(diào)試、設(shè)置斷點(diǎn)仿真調(diào)試功能，結(jié)合I/O接口指令和接口電路進(jìn)行仿真環(huán)境下的軟硬件聯(lián)合調(diào)試。這里以單步調(diào)試為例，軟硬件聯(lián)合調(diào)試輸出接口仿真設(shè)計(jì)功能如圖9所示。

（5）在仿真環(huán)境下采用直接運(yùn)行仿真功能。觀察方案設(shè)計(jì)的功能和實(shí)現(xiàn)效果，并利用探針、激勵源、曲線圖表、虛擬儀器等仿真工具，對信號、參數(shù)等進(jìn)行分析和測量，便于后續(xù)器件封裝、PCB制作、功能更新升級等任務(wù)的實(shí)施。常用的仿真工具為：示波器（見圖10（a））和信號發(fā)生器（見圖10（b））。

1.3 設(shè)計(jì)流程

結(jié)合教學(xué)計(jì)劃，虛擬仿真設(shè)計(jì)開展流程的制定采用分層次模塊化設(shè)計(jì)虛擬項(xiàng)目，循序漸進(jìn)、由淺入深的設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將理論與實(shí)踐相結(jié)合的同時充分體現(xiàn)虛擬仿真設(shè)計(jì)自主性和靈活性、創(chuàng)新性的優(yōu)勢。具體開展流程如圖11所示。

2 在線互動教學(xué)設(shè)計(jì)

在線互動教學(xué)設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)計(jì)、更深層次學(xué)設(shè)計(jì)。其中，基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)計(jì)通過圍繞課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)進(jìn)度，分階段呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)微視頻，融入提問、結(jié)合工程實(shí)際幫助學(xué)生理解掌握，整理學(xué)生階段性反饋信息后及時采用在線平臺的翻轉(zhuǎn)課堂、直播課、騰訊課堂直播等形式多樣的授課方式給予匯總解析并分享課程視頻錄像，經(jīng)過進(jìn)一步總結(jié)將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源；更深層次的教學(xué)設(shè)計(jì)是教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的實(shí)施和不斷推進(jìn)，逐漸轉(zhuǎn)向以促進(jìn)學(xué)生深層次思考的教學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)互動問題難度應(yīng)由淺入深，并積極引導(dǎo)學(xué)生反思總結(jié)；教師通過在線平臺布置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù)、自由組隊(duì)的小組學(xué)習(xí)任務(wù)等，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，啟發(fā)學(xué)生展開討論、完成自主性任務(wù)及鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。而且，對于在線互動教學(xué)設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)教師都可以在線跟蹤其進(jìn)展情況，給予個性化和參考方向性指導(dǎo)。教師將在線平臺的互動情況納入到課程成績評定中，考核中不僅更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的知識、技能掌握程度的學(xué)習(xí)效果，而且更加注重強(qiáng)化過程的考核，如通過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)引入小組互評機(jī)制以及對自主學(xué)習(xí)、參與討論、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新意識等在線互動中表現(xiàn)給予評價等，力求考評體系多角度、全方位和多元化在線互動的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施如圖12所示。

3 結(jié) 語

實(shí)踐表明，開展虛擬仿真可以增加廣度、深度和挑戰(zhàn)度。結(jié)合豐富的微視頻、動畫等課程教學(xué)資源，運(yùn)用“翻轉(zhuǎn)課堂”、小組學(xué)習(xí)等形式多樣的互動教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)行線上線下優(yōu)勢互補(bǔ)的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)更高層次的資源共享和交流平臺，有助于現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，有助于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式與個性化學(xué)習(xí)。