微机原理课程教学改革与研究

赵苍荣 辛元芳 郭来功

摘要：针对微机原理课程教学实际状况，主要研究将计算机仿真技术、虚拟仪器技术等相关现代计算机技术引入微机原理教学问题。利用EMU8086编译软件进行8086汇编语言程序设计教学，利用Proteus进行8086系统接口电路仿真设计。实践表明，该方法能提升教学效率，改善教学效果。

关键词：微机原理;计算机仿真;Proteus

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）10-0181-03

Abstract： This paper mainly studies on the computer simulation technology， virtual instrument technology and other related modern computer technology are introduced into microcomputer principle teaching， for the actual situation of Microcomputer Principle Teaching. Use EMU8086 compiler software for 8086 assembly language programming teaching， and use Proteus for 8086 system interface circuit simulation design. Practice shows that this method can improve teaching efficiency and teaching effect.

Key words： microcomputer principle; computer simulation; Proteus

1 背景

微机原理是我院电气信息类专业的基础专业课，为学科专业必修课，其在电气信息类专业中的地位非常重要。其主要授课内容包括8086CPU、寻址方式和指令系统、汇编语言程序设计、存储器、I/O接口和并行接口芯片8255A、可编程计数器/定时器8253及其应用、中断和可编程中断控制器8259A、串行通信和可编程接口芯片8251A、模数A/D和数模D/A转换等[1]。既有硬件原理部分，更有软件应用设计方面，课程内容多，涉及范围广且较为抽象，具有一定的深度难度，对于教师授课、学生学习都具有很大的挑战性[2]。传统的微机原理的理论课程教学往往使用多媒体，课件使用PPT进行演示。应该说，其比纯粹使用黑板板书在教学效果上已经有了很大的提高，但是一般多媒体课件很难展现电路设计的动态过程以及仿真结果，学生不易深入理解相关微机原理系统的应用设计。因此，很有必要将计算机仿真技术、虚拟仪器技术等相关现代计算机技术引入微机原理及应用这一传统专业课程[3-4]。

2 EMU8086在教学中的应用

汇编语言程序设计是微机原理课程的一个重点内容，也是一个难点内容，学生学习过程中普遍感觉汇编语言抽象、晦涩，如果只是用PPT讲解书本上的源程序例程，效果往往欠佳，对汇编语言程序运行过程以及相关内部资源的使用和变化情况也缺乏动态直观的演示过程。在课堂教学中使用EMU8086可以很好地解决这些问题。EMU8086集源代码编辑器，汇编/反汇编工具以及可以运行debug的模拟器于一身，可以在執行程序的同时可观察寄存器，标志位和内存。算术和逻辑运算单元（ALU）显示中央处理器内部的工作情况。在微机原理指令系统和汇编语言程序设计的课堂讲解中，引入EMU8086可以加深学生对相关指令和程序段的理解，知其然，更知其所以然。尤其是汇编语言程序设计举例，由于往往还没有涉及硬件部分，不方便通过软硬件结合的方式对学生进行讲述，在传统的多媒体教学中，学生往往对较长的程序段难以全面理解，尤其是涉及一些算法和内部寄存器的分配使用时，学生往往容易迷糊，引入EMU8086后可以直观地对相关寄存器、变量等内容的变化进行直观的演示，结合程序流程图，大大降低了程序的理解难度，减少学生畏学情绪。

3 Proteus在教学中的应用

Proteus软件由英国Lab Center Electronics公司推出，采用虚拟仿真技术，可在无微处理器硬件的条件下，利用PC机实现微处理器软件和硬件的同步仿真，可以实现在没有目标原型时就可以对系统进行调试、测试和验证。更为重要的是，仿真结果可以直接用于真实设计，极大地提高了微处理器应用系统的设计效率，并使学习微处理器应用开发过程变得直观和简单。Proteus主要由ISIS和ARES两个设计平台组成，前者主要用于电路原理图的设计以及交互式仿真，后者用于印刷电路板的设计并能生成光绘输出文件。

I/O接口电路是微机原理课程的重要组成部分，其既考查学生硬件设计能力，同时针对不同项目功能，还要求学生结合设计指标进行软件编程。这部分内容的传统多媒体教学很难对设计过程动态展示，学生理解起来有一定的难度，课堂教学组织具有较大的挑战性。通过Proteus仿真调试和运行，不仅可以加深对语法的理解，也可使枯燥抽象的编程学习变得生动有趣，达到事半功倍的效果。

4 仿真系统设计实例

8255A是Intel公司生产的通用可编程并行接口芯片，具有非常广泛的应用，其也是微机原理课程的重要内容，要求学生掌握其工作原理和设计应用。8255A共有3种工作方式，通过其方式控制字来设定。下面以方式0为例进行方式0为基本输入/输出方式，通过方式选择控制字可任意选择其为输入口或输出口，主要用于同步传送数据的场合，电路设计较为简单，一般都作为课程的主要讲述内容。设计一个开关检测电路，要求不断地检测它们的通断状态，并随时在发光二极管上显示出来。开关断开，相应的LED点亮;开关合上，LED熄灭。8086CPU与8255A之间的连接包括数据线，地址线和控制线。8255A的数据总线接到8086的低8位数据总线上，其端口地址均选为偶地址。具体来说，8086分时复用的数据/地址总线通过3个8位地址锁存器作为系统地址总线A0-A19。系统的地址译码器使用4线-16线译码器，系统地址线A9-A12作为译码输入，A13-A15经过或非门及非门后作为译码器门控信号，译码器输出端[IO1]作为8255A的片选，系统地址线A2和A1分别连8255A的A1与A0，可知8255A的基地址为0200H。另外，8个独立按键接在8255A的PA口，8个发光二极管接在PB口上，显然此时PA口作为输入，PB口作为输出。软件编写思路是确定8255A控制字并写到其控制口完成初始化，整体采用查询方式，循环读PA端口数据并写到PB端口，从而实现不断检测开关状态并在LED上显示出来的功能。从仿真结果可以看出，当PA口的PA0-PA2线上的开关闭合时，PB口的PB0-PB2线上的LED发光，达到了设计要求。

通过应用电路的软硬件设计并仿真，直观展现设计思路和实现结果，相比传统的PPT等多媒体教学，学生对微机系统I/O接口电路提高教学效果。在实际教学过程中，更可以通过变更开关和LED接口、开关显示逻辑等设计要求，方便进行课堂练习、课外设计作业等拓展，可以方便在课堂上对设计思路和实现方法和学生进行交流与互动，引导学生对相关知识点进行梳理和总结，帮助学生更好地掌握I/O接口电路应用设计知识，对教学效率有明显提升。

5 项目驱动，增强课后教学管理

微机原理是一门实践性、综合性较强的课程，传统的教师课堂教学，课后布置作业的方式不利于培养学生的综合开发能力[5]。为了加强课堂教学质量管控，我们增加随堂测试环节，让学生在整个学习过程中保持专注度。同时，我们通过设计一些项目任务，以综合练习的方式让学生完成。在项目设计中将学生按照5人左右规模进行分组，根据学生的平时表现，按照学生自愿、老师指导分配的原则分组。在项目内容的设计结合生活生产实际，由易到难，循序渐进。我们分别设计了“8255并行I/O口独立键盘显示电路设计”“4×4键盘LED显示电路设计”“8253脉冲波形产生电路设计”“点阵显示电路设计”“直流电机控制系统”“步进电机控制系统”等项目训练，每一个项目侧重涵盖2-3个重要知识点，部分综合性较强的项目给出部分设计思路和软件编写框架，理论联系实际，增强趣味性，提高学生学习兴趣和设计热情。在这些项目中，往往综合几章教材内容，涵盖硬件电路设计，软件程序编写，并要求学生进行仿真验证。在提交项目报告中，需明确每名学生的工作，防止出现一人操作，组内其他人旁观的现象。引入答辩、现场讲解等考核环节，抓强过程管理，确保每一名学生都能通过项目训练不断提升自己的学习水平。通过训练，学生能迅速掌握相关软件的使用，与教师课堂运用计算机仿真技术进行授课形成有机互补、链接，并能加深对相关知识点的理解和掌握，实现连贯的学习积累，激发学生的创新能力。

6 结束语

微机原理作为电气信息类等专业经典、重要的专业基础课，是学生学习的第一门嵌入式类课程，内容横跨软件编程和硬件电路设计，将EMU8086及Proteus等计算机仿真軟件引入教学能提升学生的软硬件综合开发能力，改善教学效果，提升教学效率。同时，相关软件的学习也为学生进一步学习嵌入式技术打下基础，项目形式的综合练习训练，能进一步激发学生学习热情和创新能力。

参考文献：

[1] 张妍. “微机原理及应用”研究性教学模式探索与实践[J].实验室科学，2017（4）：117-120.

[2] 史庆武，颜兵兵等. 提高《微机原理与接口技术》课程教学质量的方法与实践[J]. 沈阳师范大学学报（自然科学版），2016（4）：494-498.

[3] 徐燕华. “微机原理与接口技术”课程的教学创新研究[J].科技资讯，2017（33）：114-115

[4] 王咏宁，冯桂莲. 虚拟仪器技术在《微机原理与接口技术》中的应用[J]. 软件工程，2017（2）4-6.

[5] 赵苍荣. 基于竞赛平台的电气信息类大学生创新能力培养的探索[J].科技信息，2012（6）：119.

【通联编辑：谢媛媛】