Proteus在《微机原理与接口技术》实验教学中的应用

黄　忠，刘　娟，张　杰

(安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)



Proteus在《微机原理与接口技术》实验教学中的应用

黄忠，刘娟，张杰

(安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)

摘要：针对《微机原理与接口技术》实验教学的诸多问题，阐述了通过Proteus仿真软件进行实验教学的新思路。以并行接口芯片8255A的仿真实例，说明了Proteus实验仿真的基本过程。实践表明，基于Proteus实验仿真方法不仅能够克服硬件实验箱结构固定、资源有限等缺点，还能加深学生对课程知识点的理解和调动学习积极性，从而进一步提高实验教学效果。

关键词：Proteus仿真; 8255A; 8086; 实验教学

《微机原理与接口技术》是计算机、电子信息及电气类专业的一门专业基础课程。其教学目的是使学生从理论上树立微机系统的整体概念，并掌握微机的基本组成、工作原理、汇编语言程序设计、接口电路及硬件连接等基本知识点；同时使学生从实践上具有微机系统的软硬件开发能力。通过课后与学生们交流发现，学生对8086系统中内存扩展、I/O接口芯片与CPU的连接、某些I/O接口芯片工作方式等内容普遍难以掌握。而《微机原理与接口技术》实验教学则是将课程理论教学中难学、抽象的知识形象化、具体化，一方面进一步加深学生对微机结构、汇编语言及各种指令系统等知识的理解，提高学生学习兴趣；另一方面让学生对计算机内部原理和一些芯片的工作流程有更直接的感性认识，帮助学生克服畏难情绪[1]。本文探讨了Proteus在《微机原理与接口技术》实验中的应用方法，并以并行接口芯片8255A的仿真实例说明了其仿真过程。

1微机原理实验教学现状分析

《微机原理与接口技术》实验主要分为汇编语言程序设计和接口电路实验两部分。由于汇编语言等知识在相关前导课程中已经学习，这门课在汇编语言程序设计的基础上更偏重于接口电路的设计和应用。目前接口电路实验主要是通过硬件实验箱如TPC-H的操作来完成。然而，这种方式存在着如下限制。

(1)创新限制。由于实验箱的芯片、线路多已固定，实验开设项目有限，一般只能开展验证性实验，学生很难参与实验中的细节设计和扩展设计，限制了学生的想象力，导致学生学习的积极性不高。

(2)时空限制。传统的实验需要在专业实验室中进行，但由于实验箱数量少和维护难等原因，实验室开放资源受到限制，学生难以在实验课前进行准备工作。

(3)经费限制。实验箱价格贵、易损坏，一方面需要花费经费以维护旧设备，另一方面需要增置新设备以满足日益变化的实验内容。

难以扩展的实验箱、有限的实验经费和陈旧的实验项目等诸多因素制约了硬件实验的开展和限制了学生学习的创新性思维。随着计算机技术在硬件和软件方面的飞速发展，研究者开始探索计算机仿真技术在诸如电子电路等实际工程中的应用。Proteus软件于2009年上半年推出了Proteus VSM for 8086平台，提供了8086与8255，8253，8251和8259等芯片的仿真支持。因此，可以将此软件引入到8086接口技术的实验教学中，以加深学生对理论知识的理解和掌握[2]。

2基于Proteus的微机原理实验教学设计

Proteus软件是由英国Labcenter公司开发的一款嵌入式系统设计与仿真平台。Proteus软件由ISIS和ARES 2个软件包构成，ISIS是原理图编辑与仿真软件包，ARES是布线编辑软件包[3]。Proteus强大的设计与仿真功能被广泛应用在数字电路、模拟电路、单片机和嵌入式系统等多门课程的教学和实验中。

微机原理实验由软件和硬件两大部分构成。软件就是汇编语言程序设计，以往的实验通常采用Emu8086软件[4]在PC上进行程序编写和调试，满足了实验教学的需求。硬件部分以接口技术硬件系统设计和应用为中心，是整门课程的重点，它包括存储器系统设计、I/O编址、I/O接口芯片的控制方式及其与CPU的连接等，涉及中断控制器8259A、可编程定时器/计数器芯片8253、可编程并行接口芯片8255A、可编程的串行接口芯片8251A、以及A/D和D/A转换器ADC0809，DAC0832等。

图1基于Proteus仿真的实验项目

传统的接口电路实验是在实验箱上完成的，拓展性不强，效果不好。为了提高实验课的教学效果，让学生自己参与整个电路的设计，加深理解芯片的工作原理和结构，在实验室基于Proteus软件仿真设计出多种实验项目或课程设计，如图1所示。通过Proteus软件仿真方式，一方面在实验课上教师可以有针对性地对各芯片的硬件连线和软件控制方法进行展示，给学生直观认知，激发学生学习热情；另一方面，通过实验教学，提高学生对知识点拆分和综合分析能力，培养学生创新能力。

3仿真实例

Proteus ISIS 8086的仿真包括三个步骤：(1)Protues仿真电路的设计，(2)汇编语言程序的编写和编译，(3)仿真调试。下面以基于8086和8255A的“按键与数码管显示”实验为例进行说明[5]。

设计要求：8255A的A口接4个开关K3～K0，B口的7位接一个七段LED显示器。当开关都合上，K3K2K1K0=0000时显示0，到开关都断开，K3K2K1K0=1111时，显示F，共有16种状态，显示16进制数0,1,…,F。

3.1Protues仿真电路的设计

原理图设计如图2所示，使用8255A的基本输入输出功能，A口接4个开关，B口7位接一个七段LED显示器。通过A口读开关状态并用七段LED显示器显示。通过该图可以清晰地向学生解释8086工作在最小模式时的引脚和功能。使用74LS373芯片作为地址锁存器，地址信号的A1，A2接8255A的A0，A1位，其它地址信号经过74LS138后作为8255A片选信号。通过分析可知，4个端口的地址分别为F0H，F2H，F4H和F6H[6]。

图2仿真电路图

3.2汇编语言程序的编写和编译

打开Emu8086软件，新建com文件，输入以下代码：

; 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的七段代码编码

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，输入，B口方式0，输出

MOV AL,90H

OUT DX,AL

IN_PORTA: MOV DX,PROTA

;读A口(读按键信息)

IN AL,DX

;取低4位

AND AL,0FH

LEA BX,TABLE

;查表

XLAT

MOV DX,PROTB

OUT DX,AL

;延时

MOV CX,10000

L1:NOP

LOOP L1

;继续读开关，显示

JMP IN_PORTA

;返回DOS

MOV AX,4C00H

INT 21H

CODE ENDS

END START

3.3仿真调试

上述代码编译生成com文件后，导入到8086芯片中。导入方法：在Proteus软件界面中双击8086器件，在弹出的对话框中把生成的该com文件添加给8086。运行后，会出现图3所示的结果。改变开关状态，LED显示器上显示不同的数字，实现了例子的设计要求。

图3仿真结果图

4结束语

本文以8086和8255A的并行接口扩展电路仿真为例，说明了Proteus软件在《微机原理与接口技术》实验教学中的应用。用Proteus进行8086接口电路仿真，一方面学生需要清晰地理解接口芯片的工作原理和端口寻址，才能完成实验所需的仿真电路设计，从而可以直接地表现大量的教学信息，让学生参与到实验设计的细节，激发学生学习的兴趣；另一方面仿真实验节约了大量昂贵的实验仪器费用，打破了实验开设的时间和空间限制，给学生更多实践和锻炼的机会，为实践性教学带来了很大的灵活性。还值得一提的是，除了教师可借助Proteus软件进行实验教学外，学生也可以在课程设计、电子设计竞赛和毕业设计等方面应用此仿真平台。

参考文献:

[1] 张小红.微机原理与接口技术实验教学改革探讨[J].中国教育技术装备,2012(21):113-115.

[2] 李现国,张艳.Proteus仿真在微机原理及接口技术教学中的应用[J].实验技术与管理,2012,27(12):125-127.

[3] 吉向东,李新鄂.基于Proteus的微机原理实验仿真[J].信息技术,2010(2):36-39,44.

[4] 谷兆麟.基于EMU8086的微机系统的辅助学习方法[J].天津工程师范学院学报,2006,16(4):26-27,30.

[5] 顾晖,梁惺彦.微机原理与接口技术——基于8086和Proteus仿真[M].北京:电子工业出版社,2012:131-137.

[6] 周荷琴,冯焕清.微型计算机原理与接口技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,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

文章编号：1007-4260(2015)02-0130-04

中图分类号：TP368.1

文献标识码：A

作者简介：黄忠，男，安徽岳西人，博士生，安庆师范学院物理与电气工程学院讲师，研究方向为情感计算与机器视觉。

收稿日期：2014-10-23