基于Proteus的微机原理实验教学研究

顾娅军　贾小林　吴珏

摘要：为了解决微机原理课程教学中存在的老师难教，学生难学的问题，采用CDIO思想构建一个有效的一体化《微机原理及其应用》实验教学体系，在实验内容和形式的组织上，采用阶段式、层次式结构，将实验教学过程分为三个阶段、三个层次。利用Proteus ISIS和Emu8086构成微机原理虚拟实验平台，在此平台上完成微机原理实验教学，进而掌握微机原理知识点。结果表明，利用本方法进行教学，提高了学生的学习积极性，学习效率显著提高，培养了学生实践精神、创造精神。

关键词：CDIO；微机原理实验；Proteus；仿真；汇编语言

中图分类号：TP368.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）19-4488-04

Research of the Microcomputer Principles Experiment Teaching Based on Proteus

GU Ya-jun， JIA Xiao-lin， WU Jue

（Southwest University of Science and Technology， School of Computer Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Abstract： In order to solve the problem of microcomputer principles teaching， CDIO idea was used to construct an effective integration experimental teaching system of the course。The experiment teaching is divided into three phases and three levels. A virtual experimental platform of microcomputer principle is constructed based on Proteus ISIS and Emu8086， students can master the principle knowledge using the platform.It is showed that students learning initiative and efficiency is improved， and students' creative spirit and practical spirit is cultivated by the methods of teaching.

Key words： CDIO； microcomputer principles teaching； Proteus； simulation； Assembly language

《微机原理及应用》课程是计算机专业及控制专业的一门重要专业课。课程的内容较为抽象。在教学过程中，需要将微机的软硬件相结合，相互配合，二者协调一致，课程的理论性、实践性、应用性都要求较高。实验教学的效果直接影响着教学质量，不仅要求学生能掌握基本理论和设计方法，更重要的是培养学生设计开发的能力，尤其是在培养学生具有工程意识与工程能力，适应我国社会经济发展需要。

1 传统教学存在的问题

1） 教学内容的安排不能较好地培养学生的创新能力。基础验证性实验比重大，内容上多偏重于对理论知识的验证，缺少创新性实验，缺乏新颖性和趣味性。

2） 现行的实验教学方式，学生基本上是按照实验指导书或者是教师的指导，按步就班地连线操作，在实验设备上观察应出的特定现象，自己独立思考和设计创新的机会较少。

3） 本学院的实验教学仍以实验箱为主完成实验内容，实验箱也有着不足：

（1） 实验路线固化。实验教学中多采用已有的实验箱，实验箱上线路基本都已经连接好，芯片已经固定，学生不能自由灵活地设计，只能依葫芦画瓢，利用已经设计好的电路来完成一些验证性实验，不利于学生的创新能力的培养，影响了学生的创新设计。

（2） 实验箱个数有限。因实验箱较为昂贵，学校购买的实验箱个数有限，通常几个学生一组共用一台试验箱，不利于学生个人动手能力的培养。

（3） 实验箱使用时间有限。因实验箱容易损坏且维修不方便，学生只能在规定时间在老师带领才能使用，不利于学生在课余时间进行实验，影响了学生的积极性。

4） 由于电子元器件易损耗，若每次实验学生均直接使用电子元器件操作，不符合现在的节能、环保要求。

利用CDIO教学模式构建本课程的教学体系，利用基于Proteus的虚拟实验平台来完成实验教学，能较好地解决上述问题。

2 CDIO教学体系的构建

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate） ，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的方式学习工程。

从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万美元巨额资助，经过四年的探索研究，创立了 CDIO 工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。瑞典国家高教署（Swedish National Agency for Higher Education） 2005年采用这12条标准对本国100个工程学位计划进行评估，结果表明，新标准比原标准适应面更宽，更利于提高质量，尤为重要的是新标准为工程教育的系统化发展提供了基础。endprint

为真正实现“教、学、做一体化”教学，体现学生在教学过程中的主体地位，依据微机原理课程的教学目标，更新传统实验教学观念，利用CDIO教育模式的一体化教学计划（标准3） ，构建一个有效的一体化“微机原理及应用”实验教学体系（如图1所示），让学生在系统地学习

本课程理论知识的同时，有计划、有目的地进行各项实验教学活动，并创新性地完成一些有实际意义的系统设计，使得学生在实践活动中切身获得各方面能力的培养。

利用基于项目的教育和学习（Project based Education and Learning）的学习方式，将微机原理课程需要掌握的知识分解成一个个的知识点，然后将不同的知识点组合，形成基础实验、综合性实验、创新性实验等三个层次的实验。

图1 CDIO构建“微机原理及应用”实验教学体系

本课程知识点以及实验的划分如表1所示。

表1 知识点和任务划分表

[实验层次＼&实验内容＼&知识点＼&基础实验＼&学生成绩管理系统＼&汇编程序＼&LED亮灭实验＼&基本原理＼&存储器扩展设计＼&存储器设计＼&键盘数码管实验＼&8255＼&波形发生器＼&8253＼&中断程序设计＼&8259＼&模拟电压检测实验＼&0808＼&波形输出实验＼&DAC0832＼&基于虚拟串行接口的收发实验＼&8251＼&综合实验＼&抢答器设计＼&8253、8255＼&万年历设计＼&8255＼&交通信号灯设计＼&8255 8253＼&电子琴的设计＼&8253＼&创新实验＼&学生小组一起讨论选题、完成设计＼&接口的实际应用＼&毕业设计＼&]

根据实际需求完成任务的构思，对任务进行分解，然后利用Emu8086、Proteus等软件完成各个具体任务的软件设计、仿真设计，生成PCB图，根据PCB图实现产品电路焊接、调试等工作，最后产品投入实用，对产品的运行进行维护。

3 虚拟实验平台的建立

采用Proteus 7.5提供的VSM（Virtual System Modeling）for8086模块，可以对8086CPU进行仿真。模型库中包含的键盘、按键、开关、8255、8253、6264等芯片可以方便的用来设计仿真系统。8086模型支持将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，用户可以在设计中直接编辑代码，并可以非常容易的修改源程序并查看仿真结果。基于此软件就方便地建立“微机原理及应用”仿真实验平台。

微机接口虚拟实验平台由两部分构成：Proteus 和Emu8086。Proteus主要是完成电路设计和仿真，它本身不提供8086编译器，而是通过添加外部代码编译器，将编写好的源代码加入工程。EMU8086是一款基于Windows的8086汇编语言编译、调试软件，它的主要功能是提供编译环境进行汇编程序的编写和编译，并生成仿真需要COM或EXE文件。

4 应用举例

下面以“存储器扩展”这个任务的设计仿真为例，介绍CDIO在微机原理实验教学上的应用。

1） 构思（Conceive）

在微机原理及应用的课程中，存储器的读写比较抽象，很多学生这部分知识感到困惑，利用Proteus仿真，动态的显示存储器写入的过程。利用2块6264芯片对数据存储器芯片进行扩展16KB。

2） 设计（Design）

在proteus里面，使用8086、74LS138、74LS373、6264完成存储器扩展的设计，通过3-8译码器译码74LS138，使得扩展的地址范围为：8000H～BFFFH。如图2所示。

图2 存储器扩展设计图

硬件设计好后，编写软件，对两片6264进行写操作，使得从8000H单元开始，每个单元依次存入0、1、2、3…，直到100。参考程序如下：

ORG 0100H

MOV CX，0064H ；循环100次

MOV DX，0000H ；置初值

MOV BX，8000H ；

MOV AX，0000H

MOV DS，AX ；DS置零

SIM：

MOV [BX]，DL

INC DL

INC BX

LOOP SIM

INT 3H ；停止在INT 3H

通过Proteus仿真，可以观察到数据被依次写入，如图3所示。

当所有数据被写入完成，观察到的情况如图4所示：

图4 所有数据被写入存储器

3） 实现（Implement）

在proteus中，可以利用ARES直接在仿真原理图的基础上绘制PCB，成PCB文件制版，也可以根据原理图直接手工焊接制版，完成实物制作，并对实物产品进行调试。

4） 运作（Operate）

调试好的实物产品就可以供企业运行使用了。

学生通过解决“存储器扩展”这个任务，可以比较轻松地掌握关于振荡器、复位电路、并口、存储器等知识点的内容，达到本次任务的教学要求。这种在设计中学习的教学方法，比单纯学习书本知识有趣、更利于学生接受，更有利于对知识的掌握。

4 结论

在微机原理与应用课程教学中，使用CDIO思想构建的《微机原理及其应用》实验教学体系，利用Proteus等构建微机原理虚拟实验平台，具有教学过程直观的特点，减少了电子产品的消耗，节约了能源，更有利于学生在课下预习、复习学生内容，极大地提高了学生了学习积极性，为学生掌握本课程知识提供了良好的帮助。

参考文献：

[1] 陈莹.基于Proteus的微机接口虚拟实验平台的构建[J].中国科教创新导刊，2013（1）.

[2] 陈红卫，邓红，袁伟.基于Proteus的微机接口仿真实验及其应用[J].中国教育信息化，2012（4）.

[3] 李珍香，李全福.基于CDIO模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J].实验室科学 2013，16（1）.

[4] Labcenter Electronics [DB/OL].[2010-06-20]. http：//www.labcenter.com/index.cfm.

[5] 杨杜，赵文进. 基于Proteus仿真软件的”微机原理与接口技术”实验教学的研究[J].电脑知识与技术，2012，8（36）.

[6] 黄夙绚. Proteus与Ultra Edit、Keil的联合使用[J].无线电，2005（7）.

[7] 周明德.微型计算机系统原理与应用[M].5版.北京：清华大学出版社，2012.

为真正实现“教、学、做一体化”教学，体现学生在教学过程中的主体地位，依据微机原理课程的教学目标，更新传统实验教学观念，利用CDIO教育模式的一体化教学计划（标准3） ，构建一个有效的一体化“微机原理及应用”实验教学体系（如图1所示），让学生在系统地学习

本课程理论知识的同时，有计划、有目的地进行各项实验教学活动，并创新性地完成一些有实际意义的系统设计，使得学生在实践活动中切身获得各方面能力的培养。

利用基于项目的教育和学习（Project based Education and Learning）的学习方式，将微机原理课程需要掌握的知识分解成一个个的知识点，然后将不同的知识点组合，形成基础实验、综合性实验、创新性实验等三个层次的实验。

图1 CDIO构建“微机原理及应用”实验教学体系

本课程知识点以及实验的划分如表1所示。

表1 知识点和任务划分表

[实验层次＼&实验内容＼&知识点＼&基础实验＼&学生成绩管理系统＼&汇编程序＼&LED亮灭实验＼&基本原理＼&存储器扩展设计＼&存储器设计＼&键盘数码管实验＼&8255＼&波形发生器＼&8253＼&中断程序设计＼&8259＼&模拟电压检测实验＼&0808＼&波形输出实验＼&DAC0832＼&基于虚拟串行接口的收发实验＼&8251＼&综合实验＼&抢答器设计＼&8253、8255＼&万年历设计＼&8255＼&交通信号灯设计＼&8255 8253＼&电子琴的设计＼&8253＼&创新实验＼&学生小组一起讨论选题、完成设计＼&接口的实际应用＼&毕业设计＼&]

根据实际需求完成任务的构思，对任务进行分解，然后利用Emu8086、Proteus等软件完成各个具体任务的软件设计、仿真设计，生成PCB图，根据PCB图实现产品电路焊接、调试等工作，最后产品投入实用，对产品的运行进行维护。

3 虚拟实验平台的建立

采用Proteus 7.5提供的VSM（Virtual System Modeling）for8086模块，可以对8086CPU进行仿真。模型库中包含的键盘、按键、开关、8255、8253、6264等芯片可以方便的用来设计仿真系统。8086模型支持将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，用户可以在设计中直接编辑代码，并可以非常容易的修改源程序并查看仿真结果。基于此软件就方便地建立“微机原理及应用”仿真实验平台。

微机接口虚拟实验平台由两部分构成：Proteus 和Emu8086。Proteus主要是完成电路设计和仿真，它本身不提供8086编译器，而是通过添加外部代码编译器，将编写好的源代码加入工程。EMU8086是一款基于Windows的8086汇编语言编译、调试软件，它的主要功能是提供编译环境进行汇编程序的编写和编译，并生成仿真需要COM或EXE文件。

4 应用举例

下面以“存储器扩展”这个任务的设计仿真为例，介绍CDIO在微机原理实验教学上的应用。

1） 构思（Conceive）

在微机原理及应用的课程中，存储器的读写比较抽象，很多学生这部分知识感到困惑，利用Proteus仿真，动态的显示存储器写入的过程。利用2块6264芯片对数据存储器芯片进行扩展16KB。

2） 设计（Design）

在proteus里面，使用8086、74LS138、74LS373、6264完成存储器扩展的设计，通过3-8译码器译码74LS138，使得扩展的地址范围为：8000H～BFFFH。如图2所示。

图2 存储器扩展设计图

硬件设计好后，编写软件，对两片6264进行写操作，使得从8000H单元开始，每个单元依次存入0、1、2、3…，直到100。参考程序如下：

ORG 0100H

MOV CX，0064H ；循环100次

MOV DX，0000H ；置初值

MOV BX，8000H ；

MOV AX，0000H

MOV DS，AX ；DS置零

SIM：

MOV [BX]，DL

INC DL

INC BX

LOOP SIM

INT 3H ；停止在INT 3H

通过Proteus仿真，可以观察到数据被依次写入，如图3所示。

当所有数据被写入完成，观察到的情况如图4所示：

图4 所有数据被写入存储器

3） 实现（Implement）

在proteus中，可以利用ARES直接在仿真原理图的基础上绘制PCB，成PCB文件制版，也可以根据原理图直接手工焊接制版，完成实物制作，并对实物产品进行调试。

4） 运作（Operate）

调试好的实物产品就可以供企业运行使用了。

学生通过解决“存储器扩展”这个任务，可以比较轻松地掌握关于振荡器、复位电路、并口、存储器等知识点的内容，达到本次任务的教学要求。这种在设计中学习的教学方法，比单纯学习书本知识有趣、更利于学生接受，更有利于对知识的掌握。

4 结论

在微机原理与应用课程教学中，使用CDIO思想构建的《微机原理及其应用》实验教学体系，利用Proteus等构建微机原理虚拟实验平台，具有教学过程直观的特点，减少了电子产品的消耗，节约了能源，更有利于学生在课下预习、复习学生内容，极大地提高了学生了学习积极性，为学生掌握本课程知识提供了良好的帮助。

参考文献：

[1] 陈莹.基于Proteus的微机接口虚拟实验平台的构建[J].中国科教创新导刊，2013（1）.

[2] 陈红卫，邓红，袁伟.基于Proteus的微机接口仿真实验及其应用[J].中国教育信息化，2012（4）.

[3] 李珍香，李全福.基于CDIO模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J].实验室科学 2013，16（1）.

[4] Labcenter Electronics [DB/OL].[2010-06-20]. http：//www.labcenter.com/index.cfm.

[5] 杨杜，赵文进. 基于Proteus仿真软件的”微机原理与接口技术”实验教学的研究[J].电脑知识与技术，2012，8（36）.

[6] 黄夙绚. Proteus与Ultra Edit、Keil的联合使用[J].无线电，2005（7）.

[7] 周明德.微型计算机系统原理与应用[M].5版.北京：清华大学出版社，2012.

为真正实现“教、学、做一体化”教学，体现学生在教学过程中的主体地位，依据微机原理课程的教学目标，更新传统实验教学观念，利用CDIO教育模式的一体化教学计划（标准3） ，构建一个有效的一体化“微机原理及应用”实验教学体系（如图1所示），让学生在系统地学习

本课程理论知识的同时，有计划、有目的地进行各项实验教学活动，并创新性地完成一些有实际意义的系统设计，使得学生在实践活动中切身获得各方面能力的培养。

利用基于项目的教育和学习（Project based Education and Learning）的学习方式，将微机原理课程需要掌握的知识分解成一个个的知识点，然后将不同的知识点组合，形成基础实验、综合性实验、创新性实验等三个层次的实验。

图1 CDIO构建“微机原理及应用”实验教学体系

本课程知识点以及实验的划分如表1所示。

表1 知识点和任务划分表

[实验层次＼&实验内容＼&知识点＼&基础实验＼&学生成绩管理系统＼&汇编程序＼&LED亮灭实验＼&基本原理＼&存储器扩展设计＼&存储器设计＼&键盘数码管实验＼&8255＼&波形发生器＼&8253＼&中断程序设计＼&8259＼&模拟电压检测实验＼&0808＼&波形输出实验＼&DAC0832＼&基于虚拟串行接口的收发实验＼&8251＼&综合实验＼&抢答器设计＼&8253、8255＼&万年历设计＼&8255＼&交通信号灯设计＼&8255 8253＼&电子琴的设计＼&8253＼&创新实验＼&学生小组一起讨论选题、完成设计＼&接口的实际应用＼&毕业设计＼&]

根据实际需求完成任务的构思，对任务进行分解，然后利用Emu8086、Proteus等软件完成各个具体任务的软件设计、仿真设计，生成PCB图，根据PCB图实现产品电路焊接、调试等工作，最后产品投入实用，对产品的运行进行维护。

3 虚拟实验平台的建立

采用Proteus 7.5提供的VSM（Virtual System Modeling）for8086模块，可以对8086CPU进行仿真。模型库中包含的键盘、按键、开关、8255、8253、6264等芯片可以方便的用来设计仿真系统。8086模型支持将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，用户可以在设计中直接编辑代码，并可以非常容易的修改源程序并查看仿真结果。基于此软件就方便地建立“微机原理及应用”仿真实验平台。

微机接口虚拟实验平台由两部分构成：Proteus 和Emu8086。Proteus主要是完成电路设计和仿真，它本身不提供8086编译器，而是通过添加外部代码编译器，将编写好的源代码加入工程。EMU8086是一款基于Windows的8086汇编语言编译、调试软件，它的主要功能是提供编译环境进行汇编程序的编写和编译，并生成仿真需要COM或EXE文件。

4 应用举例

下面以“存储器扩展”这个任务的设计仿真为例，介绍CDIO在微机原理实验教学上的应用。

1） 构思（Conceive）

在微机原理及应用的课程中，存储器的读写比较抽象，很多学生这部分知识感到困惑，利用Proteus仿真，动态的显示存储器写入的过程。利用2块6264芯片对数据存储器芯片进行扩展16KB。

2） 设计（Design）

在proteus里面，使用8086、74LS138、74LS373、6264完成存储器扩展的设计，通过3-8译码器译码74LS138，使得扩展的地址范围为：8000H～BFFFH。如图2所示。

图2 存储器扩展设计图

硬件设计好后，编写软件，对两片6264进行写操作，使得从8000H单元开始，每个单元依次存入0、1、2、3…，直到100。参考程序如下：

ORG 0100H

MOV CX，0064H ；循环100次

MOV DX，0000H ；置初值

MOV BX，8000H ；

MOV AX，0000H

MOV DS，AX ；DS置零

SIM：

MOV [BX]，DL

INC DL

INC BX

LOOP SIM

INT 3H ；停止在INT 3H

通过Proteus仿真，可以观察到数据被依次写入，如图3所示。

当所有数据被写入完成，观察到的情况如图4所示：

图4 所有数据被写入存储器

3） 实现（Implement）

在proteus中，可以利用ARES直接在仿真原理图的基础上绘制PCB，成PCB文件制版，也可以根据原理图直接手工焊接制版，完成实物制作，并对实物产品进行调试。

4） 运作（Operate）

调试好的实物产品就可以供企业运行使用了。

学生通过解决“存储器扩展”这个任务，可以比较轻松地掌握关于振荡器、复位电路、并口、存储器等知识点的内容，达到本次任务的教学要求。这种在设计中学习的教学方法，比单纯学习书本知识有趣、更利于学生接受，更有利于对知识的掌握。

4 结论

在微机原理与应用课程教学中，使用CDIO思想构建的《微机原理及其应用》实验教学体系，利用Proteus等构建微机原理虚拟实验平台，具有教学过程直观的特点，减少了电子产品的消耗，节约了能源，更有利于学生在课下预习、复习学生内容，极大地提高了学生了学习积极性，为学生掌握本课程知识提供了良好的帮助。

参考文献：

[1] 陈莹.基于Proteus的微机接口虚拟实验平台的构建[J].中国科教创新导刊，2013（1）.

[2] 陈红卫，邓红，袁伟.基于Proteus的微机接口仿真实验及其应用[J].中国教育信息化，2012（4）.

[3] 李珍香，李全福.基于CDIO模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J].实验室科学 2013，16（1）.

[4] Labcenter Electronics [DB/OL].[2010-06-20]. http：//www.labcenter.com/index.cfm.

[5] 杨杜，赵文进. 基于Proteus仿真软件的”微机原理与接口技术”实验教学的研究[J].电脑知识与技术，2012，8（36）.

[6] 黄夙绚. Proteus与Ultra Edit、Keil的联合使用[J].无线电，2005（7）.

[7] 周明德.微型计算机系统原理与应用[M].5版.北京：清华大学出版社，2012.