淺談接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用論文
“微機(jī)原理匯編及接口設(shè)計(jì)”是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的入門(mén)課程，基礎(chǔ)性、技術(shù)性、應(yīng)用性和工程實(shí)踐性強(qiáng)。課程以微處理器、總線(xiàn)、接口和程序設(shè)計(jì)為主線(xiàn)，要求學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、CPU 工作原理和指令系統(tǒng)，學(xué)會(huì)合理選用存儲(chǔ)器和接口芯片，并能根據(jù)不同的要求分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，用編程的方法實(shí)現(xiàn)定時(shí)、I/O口控制、按鍵、顯示、中斷等功能。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠鞏固和加深對(duì)先修課程知識(shí)的理解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)儀器儀表、測(cè)量控制、計(jì)算機(jī)控制、單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)等專(zhuān)業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)和微機(jī)軟硬件應(yīng)用基礎(chǔ)。該課程是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)。
原“微機(jī)原理匯編及接口設(shè)計(jì)”課程的硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)只需按照接線(xiàn)引腳圖即可完成，學(xué)生缺乏對(duì)接口電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用練習(xí)。以經(jīng)典的“數(shù)碼管顯示”實(shí)驗(yàn)為例，大多沿用“簡(jiǎn)單的輸出接口”實(shí)驗(yàn)中接口設(shè)計(jì)電路進(jìn)行調(diào)試，不能充分鍛煉學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。筆者在原有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于8086微處理器的“接口綜合設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)不但能很好地幫助學(xué)生深入理解和靈活運(yùn)用理論知識(shí)，還能幫助學(xué)生提高綜合應(yīng)用的能力，實(shí)現(xiàn)從驗(yàn)證性思維到設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性思維的轉(zhuǎn)變。
1 接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)
1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案
接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)應(yīng)該在傳承經(jīng)典的基礎(chǔ)上，更加適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，豐富其內(nèi)涵。接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念是營(yíng)造探索性實(shí)驗(yàn)環(huán)境，注重實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，通過(guò)融合先進(jìn)的EDA技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng)新能力。
接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上，融合了8086微處理器的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，并選用Proteus作為系統(tǒng)仿真軟件。Proteus是一款EDA工具軟件，是基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系統(tǒng)，軟硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)Proteus 7.5提供了VSMfor 8086模塊，增加對(duì)8086CPU 的仿真，為培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和自主創(chuàng)新能力提供了技術(shù)支撐。
結(jié)合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提供了程序設(shè)計(jì)流程圖、參考接口電路設(shè)計(jì)圖、參考程序的范例內(nèi)容，以及在Proteus環(huán)境下的仿真設(shè)計(jì)、虛擬儀器測(cè)試等內(nèi)容供參考，目的是讓學(xué)生利用已有范例資源直接進(jìn)行虛擬仿真測(cè)試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試，盡快掌握原理和接口設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)、自由發(fā)揮打好基礎(chǔ)。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
應(yīng)用Proteus進(jìn)行8086接口技術(shù)仿真，主要是在Proteus ISIS中編輯電路原理圖、設(shè)置外部代碼編譯器、編寫(xiě)和添加源代碼及仿真調(diào)試。搭建一個(gè)培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和自主創(chuàng)新能力的實(shí)踐平臺(tái)，需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
1.2.1 I/O地址譯碼電路設(shè)計(jì)
現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上選用64個(gè)I/O地址，分Y0—Y7共8組輸出，地址分別為280H—287H、288H—28FH、290H—297H、298H—29FH、2A0H—2A7H、2A8H—2AFH、2B0H—2B7H、2B8H—2BFH。8條輸出線(xiàn)在實(shí)驗(yàn)箱的I/O地址處分別由自鎖緊插孔Y0—Y7引出。。
結(jié)合實(shí)驗(yàn)箱I/O地址譯碼電路，利用8086微處理器和相關(guān)外圍芯片構(gòu)造I/O 譯碼電路，并存成部件組。在Proteus仿真設(shè)計(jì)環(huán)境中用到的仿真元件信息。
1.2.2 加載匯編程序
現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱是通過(guò)USB接口將實(shí)驗(yàn)箱信號(hào)傳送到微機(jī)，USB模塊產(chǎn)生的仿ISA總線(xiàn)信號(hào)直接從實(shí)驗(yàn)箱上輸出。為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于接口電路的仿真設(shè)計(jì)能力，要求學(xué)生先進(jìn)行匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，并加載到Proteus環(huán)境下的仿真設(shè)計(jì)接口電路中進(jìn)行虛擬儀器測(cè)試，確定滿(mǎn)足要求的接口電路設(shè)計(jì)方案，再利用現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱和接口開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行硬件電路接線(xiàn)和軟硬件聯(lián)調(diào)。
1.2.3 子電路設(shè)計(jì)和使用
結(jié)合精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)，在Proteus環(huán)境下將部分常用電路(例如I/O 接口譯碼電路)設(shè)計(jì)為子電路，方便學(xué)生進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)時(shí)直接使用。分析現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上I/O 地址選用情況，設(shè)計(jì)了Proteus環(huán)境下I/O接口譯碼子電路和使用。
2 應(yīng)用案例
2.1 案例內(nèi)容
以經(jīng)典的“數(shù)碼管顯示”實(shí)驗(yàn)為例，其中的“顯示接口綜合實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的實(shí)施內(nèi)容以微機(jī)系統(tǒng)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，貫穿多個(gè)接口芯片的功能應(yīng)用，注重營(yíng)造探索性實(shí)驗(yàn)環(huán)境，著重提高學(xué)生靈活應(yīng)用多種接口芯片的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。
該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握數(shù)碼管的顯示原理，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示。學(xué)生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的輸入、輸出接口實(shí)驗(yàn)，已熟悉接口電路設(shè)計(jì)的基本原則、緩沖器和鎖存器在接口電路中的作用，對(duì)于可編程并行接口芯片8255A、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片8253也有了初步了解。范例采用層次化設(shè)計(jì)方法，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握顯示接口設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。
演示實(shí)驗(yàn)利用數(shù)碼管循環(huán)顯示數(shù)字單字符(0—9)，在學(xué)生掌握動(dòng)態(tài)顯示原理后，利用數(shù)碼管同時(shí)顯示2個(gè)字符(如“EF”)，最后利用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)循環(huán)顯示數(shù)字(0—99)。
2.2 應(yīng)用案例的實(shí)施過(guò)程
2.2.1 注重引導(dǎo)，逐步完善
在顯示接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)始階段，注重引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求自主制訂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)方案。隨著理論知識(shí)的增加，學(xué)生可以自主改進(jìn)方案、完善功能，并最終自主完成實(shí)驗(yàn)，使綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉，提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)踐能力得到提高。
為方便師生交流、保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，建立了“微機(jī)原理虛擬仿真”QQ群，并公布了答疑和提交仿真設(shè)計(jì)方案的郵箱(virtualsimulation@163.com)。學(xué)生在制訂虛擬仿真初步設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，由于剛剛開(kāi)始接觸接口部分的理論知識(shí)，因而略顯被動(dòng)和隨意，但在逐步深入地學(xué)習(xí)后續(xù)課程內(nèi)容的過(guò)程中，會(huì)根據(jù)自己所掌握知識(shí)的更新和積累，主動(dòng)完善自己的設(shè)計(jì)方案。此時(shí)，學(xué)生被動(dòng)思維模式轉(zhuǎn)為主動(dòng)思維模式，學(xué)習(xí)更具有探索性和目的性。
2.2.2 掌握相關(guān)平臺(tái)的使用和流程
當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了接口實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)并做過(guò)簡(jiǎn)單輸入輸出接口實(shí)驗(yàn)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱和硬件設(shè)計(jì)過(guò)程便有了初步的了解和認(rèn)識(shí)，可以提供給學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、相關(guān)設(shè)計(jì)軟件和演示例程，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真環(huán)境的搭建和例程的演示。
經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程，學(xué)生可以學(xué)會(huì)使用虛擬仿真軟件Proteus進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)方法。在顯示接口綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，教師要針對(duì)學(xué)生遇到的問(wèn)題，講解Proteus軟件的一些基本使用方法和注意事項(xiàng)，幫助學(xué)生改進(jìn)自己的虛擬仿真設(shè)計(jì)。虛擬仿真設(shè)計(jì)成功，就可以進(jìn)行最終的硬件實(shí)現(xiàn)流程。
2.2.3 后續(xù)改進(jìn)與作品展示
學(xué)生后續(xù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為8253和8259芯片的功能測(cè)試項(xiàng)目，該項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)這些芯片的理解和掌握，進(jìn)一步改進(jìn)顯示接口綜合設(shè)計(jì)方案。顯示接口綜合實(shí)驗(yàn)完成后要進(jìn)行設(shè)計(jì)作品的展示。學(xué)生通過(guò)展示作品，可以發(fā)現(xiàn)作品的'價(jià)值和有待改進(jìn)之處，而且可以學(xué)習(xí)到其他同學(xué)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)了探索精神，提升了自主設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的能力和信心。
2.3 典型自主設(shè)計(jì)案例
顯示接口綜合實(shí)驗(yàn)注重基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的情景化教
學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)性學(xué)習(xí)，營(yíng)造自主探索的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;啟發(fā)學(xué)生在范例內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主設(shè)計(jì)的任務(wù)情境，充分發(fā)揮、擴(kuò)展創(chuàng)新;培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力;鼓勵(lì)學(xué)生查閱資料并自主制訂多種設(shè)計(jì)方案，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和探索精神，親身去體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性、獨(dú)創(chuàng)性、多樣性和研究性;引導(dǎo)學(xué)生借助于Proteus仿真軟件自主設(shè)計(jì)電路，然后把軟件仿真的結(jié)果移植到硬件實(shí)驗(yàn)箱中，體驗(yàn)從仿真到應(yīng)用的科學(xué)設(shè)計(jì)流程。學(xué)生自主設(shè)計(jì)的內(nèi)容是：選取可以利用顯示接口的項(xiàng)目進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，例如交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)、搶答器設(shè)計(jì)、時(shí)鐘顯示設(shè)計(jì)、空調(diào)或冰箱溫度設(shè)定與顯示設(shè)計(jì)等。學(xué)生可自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目的具體功能、可自由擴(kuò)展發(fā)揮，不同側(cè)重點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案對(duì)學(xué)生靈活掌握多種接口芯片的功能與使用方法有不同的要求。
(1)交通信號(hào)燈的仿真設(shè)計(jì)案例。學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、改進(jìn)功能，最終實(shí)現(xiàn)常用接口芯片8253+8255的綜合性設(shè)計(jì)方案，并利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱完成仿真實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真環(huán)境為學(xué)生提供了充分發(fā)揮想象力的空間，學(xué)生可以自主仿真實(shí)際環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)，交通信號(hào)燈接口實(shí)驗(yàn)可以形象表達(dá)而不受硬件條件的制約，既鍛煉了學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用能力，又培養(yǎng)了學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的實(shí)踐創(chuàng)新能力。
(2)搶答器設(shè)計(jì)案例。以往的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的內(nèi)容相對(duì)單一，設(shè)計(jì)的綜合性、復(fù)雜性不高，因而設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單、明顯;而由于本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提高了綜合性和設(shè)計(jì)性，在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也變得比較復(fù)雜，對(duì)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合實(shí)踐能力提出了更高的要求。通過(guò)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分析可知，學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，在編程語(yǔ)言、邏輯思路、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、設(shè)計(jì)與實(shí)踐的結(jié)合等方面都有所收獲和提高，并且增強(qiáng)了探索、挑戰(zhàn)的信心和勇氣。
3 結(jié)語(yǔ)
接口綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合了EDA 技術(shù)，搭建了培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新能力的實(shí)踐平臺(tái)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓寬了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，提升了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從基礎(chǔ)知識(shí)理解到綜合能力提高的轉(zhuǎn)變、從驗(yàn)證性思維到創(chuàng)新性思維的轉(zhuǎn)變，可供相關(guān)院校參考。
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