基于Proteus的“微机原理与接口技术”实验教学研究

薛娓娓，李娣娜，王巧霞

（延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100）

基于Proteus的“微机原理与接口技术”实验教学研究

薛娓娓，李娣娜，王巧霞

（延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100）

文章分析了“微机原理与接口技术”实验教学的现状及存在的问题，提出将仿真软件Proteus引入“微机原理与接口技术”实验教学，可以优化实验环境，教学效果好。

微机原理与接口技术；实验教学；Proteus

“微机原理与接口技术”是高校电子信息类工科专业的一门专业课程，通过理论和实验相结合的教学方式，使学生掌握Intel 8086 CPU构成的微机系统的三大知识模块：深入寄存器层面学习微机的工作原理及存储体系；基于Intel 8086 CPU指令系统的汇编语言程序设计；基于汇编语言的微机系统接口综合应用和设计。

该课程涵盖的教学内容广，知识点庞杂，重点难点多，学生普遍反映学习难度大。为获得好的教学效果，各高校在教学中都加大了实验环节的教学力度，通过实验环节，加强学生对重点理论知识的巩固和难点知识的理解，提高学生基于微机系统综合应用和设计的能力，为将微机运用到现代通信、信息处理、自动控制与检测等领域打下坚实的基础[1]。

文中指出“微机原理与接口技术”传统实验教学方式存在的问题，引入仿真软件Proteus到实验教学环节中。增强学生实验教学体验感，激发学生学习兴趣并鼓励其主动参与到实验中，培养学生综合分析和设计的能力[2]。

1 “微机原理与接口技术”实验教学现状及存在的问题

各高校在“微机原理与接口技术”实验教学中采用实验箱加模拟集成环境来完成，在用汇编程序实现微机接口控制和设计类实验时效果不理想，没有达到实验教学在整个课程教学中应该发挥的作用，主要存在以下问题。

（1）实验箱上的微处理器并不是Intel 8086 CPU，而是用单片机替代，用单片机替代构建的模拟系统和真正的由Intel 8086 CPU构建的微机系统是不一样的。地址总线、数据总线和控制总线的形成不一样，内部电路的译码方式也不同，存储体系结构等也有差异，通过实验教学并不能加深学生对课程理论知识的理解。

（2）实验箱上将所有的接口电路模块化，接口电路模块只能完成其既定的功能，对学生开放的资源很少或者没有，学生在实验教学中只能按照实验指导书的连线完成硬件电路的搭建。各个接口电路模块内部译码电路复杂且不对外开放，学生不知道内部译码电路的组成，程序部分基本上依据实验指导书上提供的程序进行简单的修改，以达到软硬件结合控制接口电路实现功能的目的。这样的实验教学没有让学生真正参与进来，学生实验体验感差，学习兴趣不高，主动性不强，难以提高学生在微机系统中的综合分析和设计能力[3]。

（3）实验箱属于硬件设备，长期使用会提高其折损率，要定期进行设备的补充，在使用的过程中如果出现损坏，必须由厂家的专业工程师前来维修，维修及更换配件的成本高。由于实验箱是针对“微机原理与接口技术”课程设计的，对其他相关课程应用的扩展性低，造成其通用性不强。实验箱在使用时要通过串行线和计算机上的集成环境连接，在实验教学中经常出现系统不稳定，连接断开的问题，教师处理类似这样的问题花费时间较多。

2 “微机原理与接口技术”实验教学改进的方法

针对“微机原理与接口技术”课程实验教学中存在的问题，结合多年实验教学的经验，将Proteus仿真软件引入课程实验教学中，发挥仿真软件的优势，改善实验硬件环境，提高实验效果[4]。

2.1 Proteus仿真软件

Proteus是英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件，它运行在Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟与集成电路。Proteus提供大量模拟与数字元器件、外围设备和虚拟仪器，特别是它对常用控制芯片及其外围电阻组成的综合系统的交互仿真功能。在基于微处理器系统的设计中，即使没有物理原型，Proteus也能够进行软件开发。它能提供的CPU模型有8086，8051/52，PIC，AVR，ARM，MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型，功能不断增强。在编译方面，它也支持IAR，Keil和MATLAB等多种编译器。

Proteus主要由ISIS和ARES两部分组成，文中介绍的是基于Proteus ISIS输入电路原理图，利用外部编译器编译汇编程序并进行基于8086微处理器的VSM仿真。Proteus VSM 8086是Intel 8086微处理器的指令和总线周期仿真模型，它能通过总线驱动器和多路输出选择器电路连接存储器和各种外围控制器，并能仿真器件的操作时序。同时内存被定义，外部总线行为的仿真不需要编程获取。8086仿真模型支持直接加载BIN，COM和EXE格式的文件到内存中，支持对Codeview和Borland格式中包含了调试信息的程序进行源或反汇编级调试。

2.2 Proteus在“微机原理与接口技术”实验教学应用举例

文中选用“可编程定时/计数器芯片Intel 8253A产生方波”实验为例[5]，讲述在Proteus仿真环境中完成微机接口硬件实验的过程。

2.2.1 硬件电路

（1）8086最小系统及三大总线电路。在Proteus ISIS中选取微处理器8086并对设置其参数，搭建8086的最小系统，选取带异步清零端的8D触发器74LS237形成数据和地址总线，由8086读写控制等引脚直接形成控制总线，仿真电路如图1所示。

图1 8086最小系统及三大总线电路

（2）译码电路。Intel 8253A属于I/O接口芯片，其端口地址的寻址空间是64KB，用低16条地址线（A0-A15）即可对其寻址。选取4-16的译码器74LS154进行译码，译码器的地址输入端DCBA分别接地址线A12A11A10A9，译码器的使能控制端接地址线A15A14A13，则能确定其值都为0，仿真电路如图2所示。

图2 译码电路

（3）Intel 8253A波形产生电路。选取Intel 8253A用级联的方式连接来实现方波，Intel 8253A的片选端接译码器的译码器的接74LS373的控制端，用于控制定时计数器的开始和停止工作，可得出IO2对应的地址是0400H，IO3对应的地址是0600H。Intel 8253A的地址输入端接地址线A2A1，则Intel 8253A的4个端口地址分别为IO2+0，IO2+2 IO2+4和IO2+6，仿真电路如图3所示。

图3 Intel 8253A波形产生电路

2.2.2 软件部分

确定硬件连线后，各端口地址就确定了，依据Intel 8253A实现方波的要求，确定工作方式，根据频率计算计数初值，实现方波采用级联的方式，定时器0引入的基准频率为1.193 2 MHz，经11932初次分频后二次100分频，即输出方波的频率为1 Hz。由于微处理器8086的工作频率设置为1.5 MHz，执行一条LOOP指令需要17个时钟周期，所以软件部分的Wait1的延时约为5s，方波软件设计即可完成。

2.2.3 电路综合调试

再次检查硬件电路的线路连接，调试软件并生成可执行文件，将其加载到微处理器8086中，启动仿真，点击Debug菜单下的Digital Oscilloscppe，可观察产生的方波频率为1 Hz，符合设计要求，如图4所示。

3 结语

将仿真软件Proteus引入课程“微机原理与接口技术”的实验教学中，使学生从8086最小系统的搭建，到8086最小系统的三大总线形成，这样重点的理论知识在实验电路建立过程中得到加深和巩固；学生自己选择译码方案和译码器并完成译码电路的搭建，分析译码后地址的分配情况，通过实验对I/O译码模块的难点知识得以深刻理解，激发了学生的学习兴趣；根据实验要求设计接口电路，编制软件实现要求，增强了学生的自信心，通过实验熟悉接口电路的功能和设计思路，提高了学生软硬件结合分析和设计的能力。整体实验效果理想，是改革传统实验教学的一个好方法。

图4 数字示波器上的方波

[1] 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（36）：8730-8732.

[2] 朱敏玲，张伟，候凌燕.基于Proteus的微机原理与接口技术教学改革[J].实验室研究与探索，2016（1）：155-160.

[3] 李娟，王冬星，孙涛，等.基于Proteus的虚拟实验改进微机原理与接口技术课程教学[J].福建电脑，2015（2）：56-57.

[4] 刘彩虹，唐彩艳，刘子龙.基于Proteus的微机原理与接口技术教学[J].新校园，2017（4）：97-98.

[5] 顾晖，梁惺，陈越.微机原理与接口技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

Study on experimental teaching of “Microcomputer Principle and Interface Technology” based on Proteus

Xue Weiwei, Li Dina, Wang Qiaoxia
（Xi’an Innovation College of Yan’an University, Xi’an 710100, China）

This paper points out the present situation and existing problems of the experimental teaching of “Microcomputer Principle and Interface Technology”, and puts forward the simulation software Proteus introduced to the experimental teaching of “Microcomputer Principle and Interface Technology”, can optimize the experimental hard environment and teaching effect is good.

microcomputer principle and interface technology; experimental teaching; Proteus

薛娓娓（1982— ），女，陕西礼泉人，讲师，学士；研究方向：电子技术，单片机应用。