微機原理課程是高等學(xué)校工科電工電子類的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門理論性和實踐性都較強的課程。傳統(tǒng)的教學(xué)都是通過理論教學(xué)和有限的實驗進行。微機原理的知識構(gòu)成抽象，理解困難，而實驗內(nèi)容固定，缺乏新意。因此，在教學(xué)過程中，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合開發(fā)能力也難以培養(yǎng)和提高。本文論述了采用Proteus虛擬仿真技術(shù)進行微機原理教學(xué)實踐的新思路和具體方法。

1 Proteus+8086虛擬實驗平臺
    Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真及印制電路板設(shè)計軟件，它應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)，可以仿真、分析各種模擬電路與集成電路。該軟件提供了大量模擬與數(shù)字元器件、外部設(shè)備及各種虛擬儀器，并具有對常用控制芯片及其外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能[1]。
    Proteus提供多種類型的虛擬仿真模型，例如VSM for 8051、VSM for AVR、VSM for ARM7/LPC2000、VSM for PIC11/12/16/18/24/33、VSM for HC11及VSM for MSP430等。Proteus強大的設(shè)計與仿真功能被廣泛應(yīng)用在數(shù)字電路、模擬電路、單片機、嵌入式系統(tǒng)等多門課程的教學(xué)和實驗中。但是，Proteus在微機原理教學(xué)中的應(yīng)用卻鮮有報道，這主要是因為以往的Proteus版本缺乏對微機原理課程所涉及芯片的支持。直至2009年，Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺及Proteus 7.5 SP3軟件，支持8086微處理器與8255、8253、8259、8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真[2]。
　    Proteus為8086微處理器設(shè)定了一些默認(rèn)值，同時也可以通過“編輯元器件”功能對8086模型的多種屬性進行修改，如表1所示。此外，8086模型支持將源代碼的編輯和編譯整合到同一設(shè)計環(huán)境中，用戶可以在設(shè)計中直接編輯代碼，也可以非常容易地修改源程序并查看仿真結(jié)果。

    特別需要指示的是，8086模型支持直接加載BIN，COM和EXE格式的文件到內(nèi)部RAM中，而不需要DOS，并且允許對Microsoft(Codeview)和Borland格式中包含了調(diào)試住處的程序可以進行源和/或反匯編級別的調(diào)試，因此源碼編譯和鏈接過程的參數(shù)相當(dāng)重要。
    應(yīng)用Proteus進行8086接口技術(shù)仿真，主要是在Proteus ISIS中通過以下步驟完成：編輯電路原理圖、設(shè)置外部代碼編譯器、編寫和添加源代碼及仿真調(diào)試。
2 基于Proteus的微機原理教學(xué)設(shè)計
    微機原理課程由匯編語言程序設(shè)計和接口技術(shù)兩大知識塊構(gòu)成，匯編語言是接口技術(shù)開發(fā)設(shè)計的基礎(chǔ)，整門課偏重硬件系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。匯編語言程序設(shè)計，主要介紹匯編語句及程序設(shè)計的方法。以往的課堂教學(xué)和實驗通常采用MASM軟件在PC上進行程序編寫和調(diào)試，滿足了教學(xué)和實踐的需求。在Proteus環(huán)境下，亦可進行一些簡單的匯編程序設(shè)計，而其虛擬仿真的優(yōu)勢更主要地體現(xiàn)在接口技術(shù)部分的教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)。

    接口技術(shù)的內(nèi)容包括存儲器設(shè)計、I/O編址、I/O接口芯片的控制方式及其與CPU的連接等，具體涉及到的有可編程并行接口芯片8255A、可編程定時器/計數(shù)器芯片8253、中斷控制器8259A、可編程串行口芯片8251A以及A/D和D/A轉(zhuǎn)換器ADC0808/0809、DAC0832等。這些接口芯片的工作方式復(fù)雜，引腳數(shù)目多，連接繁瑣。學(xué)生們在學(xué)習(xí)過程中，往往缺乏感性認(rèn)識，使得理解和掌握知識點存在困難，從而失去了學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到很好的教學(xué)效果。
    采用Proteus軟件，利用其動態(tài)仿真的優(yōu)勢，一方面可以在課堂上邊講解理論知識，邊進行實例演示，并針對性地展示各基本模塊的硬件連線和軟件控制的方法，做到理論與實踐相結(jié)合，給學(xué)生直觀的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；另一方面，通過教學(xué)研究，對知識點進行拆分和綜合，可以設(shè)計出基于Proteus仿真的實驗項目和綜合實訓(xùn)課題，如圖1所示。在實驗過程中，Proteus很好地克服了硬件實驗箱結(jié)構(gòu)固定、資源有限的缺點，給學(xué)生更多實踐和鍛煉的機會，讓他們能夠在掌握各接口芯片使用方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，培養(yǎng)了整機概念、創(chuàng)新思維以及軟硬件開發(fā)的綜合能力。

    實踐證明，將Proteus引入到微機原理教學(xué)中，教學(xué)方法直觀，達(dá)到感性和理性認(rèn)識的結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深對課程知識點的理解，更快地掌握新內(nèi)容，教學(xué)效果有了顯著的提高。
3 Proteus仿真實例
    以基于8086和8255A的“按鍵與數(shù)碼管顯示”實驗為例,說明Proteus虛擬仿真在微機原理課程中的應(yīng)用方法和仿真過程。
3.1 功能設(shè)計
　    要求設(shè)計一個4×4的矩陣鍵盤，對鍵盤進行按鍵掃描和判斷，并通過數(shù)碼管顯示鍵值。根據(jù)要求，使用可編程并行接口芯片8255A進行接口電路擴展。對8255的并行口進行分配，A口驅(qū)動數(shù)碼管，B口連接LED電路，C口進行鍵盤掃描。
3.2 電路設(shè)計
    在設(shè)計Proteus仿真電路時，可由CPU、鍵盤電路、顯示電路3個主要模塊實現(xiàn)。CPU模塊由8086CPU、地址鎖存邏輯和I/O譯碼電路構(gòu)成， 8255的起始地址為30 H；按鍵輸入使用4×4的矩陣鍵盤，C口的低四位和高四位分別連接4×4鍵盤的行、列信號線；顯示模塊由7段數(shù)碼管和LED構(gòu)成，數(shù)碼管采用靜態(tài)共陰接法。核心電路如圖2所示。
3.3 軟件設(shè)計
    程序整體采用查詢方式，通過不斷掃描鍵盤，讀取鍵碼，換算鍵值，最終通過顯示模塊讀出結(jié)果。如果讀出的鍵碼非法，則重新掃描。鍵盤掃描采用翻轉(zhuǎn)法，具體算法可參考相關(guān)教材和資料。源代碼的流程設(shè)計如圖3所示。

3.4 仿真調(diào)試與運行
    Proteus本身并未提供8086編譯器，而是通過添加外部代碼編譯器,將編寫好的源代碼加入工程，編譯并生成可執(zhí)行程序。點擊Proteus窗口左下角的運行按鈕，系統(tǒng)進入仿真狀態(tài)。當(dāng)某一按鍵按下時，數(shù)碼管顯示其按鍵值，LED顯示鍵值對應(yīng)二進制編碼。
    點擊暫停按鈕可使電路從仿真狀態(tài)切換到調(diào)試狀態(tài)。在默認(rèn)設(shè)置下系統(tǒng)會彈出兩個窗口：源程序調(diào)試窗口和寄存器窗口?？梢栽谠闯绦蛘{(diào)試窗口設(shè)置斷點，進行單步等多種調(diào)試方式，并通過寄存器窗口監(jiān)視寄存器的變化，以校驗指令的運行。需要注意的是，由于PROTEUS是器件級的仿真過程，因此，匯編程序的運行仿真是在無操作系統(tǒng)支持的狀態(tài)下進行的。所以，仿真時在匯編程序中不再支持DOS和BIOS調(diào)用。
4 教學(xué)實踐的體會和經(jīng)驗
    Proteus的引入給教學(xué)實踐帶來了很多新思路、新方法。
    (1) 教學(xué)效果的提高
    Proteus+8086虛擬實驗平臺建設(shè)成本較低，設(shè)備維護簡單；實驗器件豐富，靈活性好。學(xué)生在學(xué)習(xí)和實踐過程中可以充分發(fā)揮主觀能動性，可靈活地從各類元件庫里找到適合設(shè)計目標(biāo)的器件來構(gòu)建自己的電路。
    Proteus除了提供對8086微處理器及相關(guān)接口芯片的支持，同時還提供很多虛擬儀器(如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等)，可以用于微機原理課程的相關(guān)應(yīng)用中。學(xué)生可以從小到大、從局部到整體、從小型實例到較大系統(tǒng)，隨時進行調(diào)試、檢測，及時修改設(shè)計中的偏差,提高效率。還可以利用Proteus ARES工具布線，生成PCB電路板的3D視圖，實驗效果更加直觀。
    (2) 學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)
    在微機原理的教學(xué)過程中引入Proteus仿真技術(shù)，克服了原有硬件實驗箱由于是成品，學(xué)生很難參與其中的細(xì)節(jié)設(shè)計和擴展設(shè)計的缺點，給學(xué)生提供了一個進行創(chuàng)新設(shè)計的開放平臺。
    (3) Proteus+8086虛擬實驗平臺應(yīng)用于教學(xué)的經(jīng)驗
    ①應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識到仿真電路與實際電路之間的差別[3]。實際電路運行時表現(xiàn)出的各種電氣特征是由芯片、元器件、電路連線、運行環(huán)境等多種因素共同決定的，而Proteus則是通過軟件模擬這些電路特性，其表現(xiàn)取決于仿真軟件設(shè)計、計算機運算速度等因素。因此在Proteus環(huán)境下能夠正常運行的仿真系統(tǒng)，其電路設(shè)計未必能夠進行實際應(yīng)用,例如8255實例，實際電路中還需考慮機械式鍵盤的去抖操作。而且，當(dāng)前Proteus VSM for 8086的仿真還不是十分完善，例如，8086僅支持最小組態(tài)，8259A需要做適當(dāng)修改才能仿真，常用的Intel 2114存儲芯片、ADC0809、8237等尚未支持。
    ②應(yīng)使學(xué)生意識到知識點的正確應(yīng)用比仿真效果更重要。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分同學(xué)過于關(guān)注系統(tǒng)仿真運行的效果，并以此來判斷自己設(shè)計系統(tǒng)的合理性。這些電路雖然能正常運行，但不符合邏輯以及實際電路的設(shè)計要求，使學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知錯誤。因此，應(yīng)幫助學(xué)生培養(yǎng)良好的設(shè)計思路和習(xí)慣，提高設(shè)計的合理性。
    基于Proteus+8086的虛擬仿真，作為傳統(tǒng)微機原理教學(xué)的有效改進和創(chuàng)新，不僅有助力提高教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果，也使學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)。
參考文獻(xiàn)
[1] 顧暉，陳越，梁惺彥,等．微機原理與接口技術(shù)-基于8086+Proteus仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011.
[2] 吉向東，李新鄂．基于Proteus的微機原理實驗仿真[J]．信息技術(shù)，2010(2)：36-39.
[3] 潘輝．Proteus虛擬實驗環(huán)境在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J]．計算機教育，2010(20)：143-146.