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摘要：结合微机原理与接口技术教学设计与重点，采用启发式、互动式和对比式等方法实现微机原理与接口技术的教学，对课程建设的方法进行了探讨。利用网络教学与传统教学相结合的方法，阐述了定时器与并行接口芯片的Proteus软件应用以及实践环节综合训练的项目。应用Proteus软件，不仅利用8253定时实现了波形显示，还利用8255A实现了按键值送数码管显示的功能。
关键词：教学设计；Proteus；定时器；课程建设
作者简介：艾红（1962-），女，重庆人，北京信息科技大学自动化学院，副教授。（北京 100192）
基金项目：本文系北京信息科技大学微机原理与接口技术课程建设的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0101-02
微机原理与接口技术课程是伴随着微处理器的诞生而出现的，同时又伴随着微处理器的发展而发展，课程内容从早期的以Z80微处理器为主进展到以X86微处理器为主。由于X86微处理器在应用市场中的绝对主导地位，虽然X86微处理器不断更新，但由于新的处理器始终保持了对以前处理器的兼容，所以在处理器的结构原理上，特别是构成微机系统的原理上维持了许多共性的特征，使微机原理与接口技术这门课程在内容上相对稳定。学生对这门课程学习感到有一定难度，因为计算机是个复杂系统，无论先讲哪一部分，都要联系到其它部分，又不可能把所有相联系的部分同时讲清楚。学生每次课学到一些新知识，理解了一些原来有疑问的问题，又有一些理解不透彻的新问题产生。因此微机原理与接口技术的课程建设力争形成结构紧凑、知识连贯、内容先进实用和信息量大的课程。[1，2]
一、教学设计与重点
采取学生易于接受的表述方法深入浅出地讲透，对于具有共性的疑难问题，给予重点讲授。随着课程的进行会多次反复涉及到重点内容，使学生加深理解并能熟练应用。微处理器、存储器和I/O接口电路等各部件是由超大规模集成电路制成，应注意其内部结构、外部连接和外部应用特性。微型机的运行是软硬件相互结合，在讲解接口电路工作的同时，与程序的运行联系起来。讲述I/O接口电路的编程和应用时，必须跟实际应用例子相结合。微型机在总线上的操作有着严格的时序特性，讲授存储器、I/O接口电路连接和读/写操作时，必须密切结合CPU和外部设备的操作时序配合问题。由于时序配合对于学生来说较难理解，所以采用动画讲解的方式效果会更好。在存储器章节中介绍Cache含义：Cache用在CPU与内存之间，在交换信息时起缓冲作用；讲解存储器与8086 CPU的硬件连接电路和存储器实际可访问的地址空间范围；可以根据已知的存储体芯片容量计算需要的芯片和每块芯片需要的寻址线；存储器芯片片选端的译码采用全译码、部分译码和线选法；说明芯片的地址分配，画出端口译码电路说明每块芯片的端口地址范围。
重点突出三个专用接口芯片8253、8259A、8255A的不同功能、工作过程及芯片的外部应用特性。编程及应用实例应偏重在8253、8259A与8255A的基本应用，课程实验的综合应用环节是8253、8259A与8255A这三个芯片的综合应用。难点是中断接口芯片使用与中断服务程序设计，例如接口芯片8259A的自动中断结束方式与非自动中断结束方式。优先级设置方式有全嵌套方式、特殊全嵌套方式、优先级自动循环方式和优先级特殊循环方式。为了使学生容易理解并使用8259A芯片，讲解时按照常用工作方式设计编程，如采用全嵌套方式，非自动中断结束方式，按照顺序设置初始化命令字，按照工作需要设置操作命令字。
二、课程建设方法探讨
1.多种方式采用提高学生学习兴趣
采用启发式、互动式和对比式等方法实现微机原理与接口技术的教学。微机原理中许多概念和数字电路课程、系统设计密切相关。比如讲授总线分时复用时，启发学生既让地址信息、数据信息及时而准确传送，又能减少芯片管脚数，使得芯片更小，引导学生从分时过渡到复用，让学生体会系统设计的精心构思和设计巧妙所带来的乐趣。在课堂教学中，除了板书和讲述外，灵活运用配套的电子课件，在课堂上通过点击鼠标，显示文字和简明的图表，既可对教材的重点和难点深刻理解，又能够看到动态的信息流动过程，使学生能生动形象地了解各种接口电路的工作原理，增强学生对课程的学习兴趣。多媒体用精彩的画面、生动形象的动画、优美的音乐等提高了学生的学习兴趣。对于一些抽象的不可见概念和知识，应用计算机变抽象为形象，变不可见为可见，有利于学生对问题的理解。采用多媒体教学显示抽象的内部结构和数据流向，也可以节约了许多画图的时间。讲解程序设计等重要内容时，配合板书编写程序，将一条条语句带着学生在黑板上写下来，使得程序编写有一个思考过程。将程序的执行过程进行演示，一方面检验程序设计的正确性，另一方面演示程序执行过程中数据是如何在寄存器或存储器中传递的。应用程序的研究与开发涉及硬件结构、各种外设及其接口内容复杂且较多，对部分章节采用讨論式教学，从简单的应用程序开始，首先导出问题，然后进行讨论，共同设计、编写软件，一起完成应用程序设计。教师对设计过程、设计原理、设计方法和注意事项进行总结，在此基础上再进行较复杂的设计。通过不断讨论问题、解决问题的过程，有利于培养学生的独立思考能力，提高基础知识的灵活运用和综合运用能力。采用对比的方式，可以找出它们的共性，突出个性。
2.网络教学与传统教学相结合
课堂教学是一门艺术，有时需要给学生留下思考的余地。对教学重点应详细讲解，多课程交叉重复的内容，可以留给学生自学，培养学生的自学能力和联想能力。启发学生的创造性思维，这也是加强基础，上下衔接课程建设的需要。课堂教学是教学的主题，网络教学不能只是对课堂教学的复制。应该充分发挥网络资源的优势，在增加知识面、提高效率、因材施教等方面对课堂教学起到很好的补充作用，有利于充分发挥学生的主观能动性。教师指导学生参与实际科研课题和指导学生进行微机系统的研究与开发设计，通过网络查找资料，掌握课题研究方法，培养学生的科研能力，使学生由被动型学习转向主动型学习。 三、定时器与并行接口芯片Proteus软件应用
1.计数器/定时器接口芯片8253
Protues仿真软件可以实现从原理图布图、代码调试到微处理器与外围电路协同仿真的功能。课堂上可以应用仿真软件Proteus演示可编程计数器/定时器芯片8253工作原理。例如8253有3个独立通道计数器，有6种工作方式，可以产生不同的波形，实现定时计数功能。主要工作区别是输出波形不同，启动计数器的触发方式不同即硬件启动是GATE从0到1，还是软件计数值装入后就启动，计数过程中门控信号GATE对计数操作的影响不同。例如8253控制寄存器端口号为206H，采用计数器2工作于方式1，计数初值为1250，计数器0工作于方式3，输出一个1KHz的方波，8253的输入时钟为1MHz，计数形式是BCD码计数。采用Proteus仿真软件设计的8086硬件原理图如图1所示，采用Proteus仿真软件应用示波器演示程序执行结果的波形显示如图2所示。
2.并行接口芯片8255A
8255A传统的教学方法是在讲述完工作方式选择控制字和置位/复位控制字以及3种工作方式后举例练习工作方式和置位/复位控制字的设置方法。学生听起来觉得很抽象、枯燥。可以应用仿真软件Proteus演示可编程外围接口芯片8255A的工作原理及其应用。8255A有3种工作方式，主要用于输入与输出功能的实现。有基本输入输出方式、选通输入/输出方式和双向总线方式。除了基本输入输出方式之外，需要使用C口几根线作为联络信号。用多媒体动画演示联络信号的工作过程，控制信号时序配合、数码管的数字显示。使用Proteus 软件可以把举例形象化演示实际效果，例如采用8255A实现与按键的综合应用。有8个按键的键盘，当一个按键被按下时，数码管显示该键的编号。8255A的端口A接8个小键盘，8255A的端口B连接BCD码数码管。基于8255A的Proteus仿真结果显示如图3所示，表示当按键5按下时，数码管上显示5。
四、实践环节综合训练
实验设备可以保证学生每人一套，自行完成实验指导书中的编程和调试。精选实验内容是优化实验项目的重要环节。实验内容包括数码转换程序设计，统计数据区内负数的个数，利用子程序的方法编程求出序列中的最大值和最小值。软件中断实验是在显示器上显示26个英文字母A～Z。采用8259A单片可以实现当每次响应外部中断IRQ7时，屏幕上显示字符“7”，中断10次后程序退出。也可以实现两片8259A的级连功能。如系统中的一片8259A作为主片，外接另一片8259A作为从片，构成8259A级连方式的中断线路。其中规定主片的引脚IRQ7上连接一片从片，从片上的引脚IR7连接外中断申请电路。当从片的IR7上有中断申请时屏幕上显示字符“7”。利用8253的0# 通道实现循环定时，每次定时时间到产生中断IRQ0，在中断程序中显示一个数字。在屏幕上循环显示“0”～“9”十个数。8253计数实验是设定8253的2#通道工作方式为方式0，用于事件计数。当计数值为5时，发出中断请求信号，屏幕上显示字符“M”。可编程接口芯片综合应用包括彩灯控制实验和信号灯控制实验。彩灯控制实验实现8个彩灯循环流水显示。每隔1秒点亮一个灯，当按下开关KK1时，8个彩灯一起闪烁4次，然后恢复流水灯点亮。8255A输出彩灯的状态，1秒定时时间由8253配合软件完成，彩灯闪烁由开关KK1连接8259A中断实现。利用8255A和8253实现信号灯控制实验。采用6个彩灯模拟十字路口的交通灯，平时主街绿灯通行，副街红灯亮。当传感器检测到副街有车要通过时，主街黄灯亮2秒后红灯亮，副街绿灯亮，副街通行30秒后恢复成平时主街通行的状态。8255A输出交通灯的状态，用开关模拟传感器检测副街是否有车，用8253实现定时。由于课堂实验时间有限，加之实验设备价格较昂贵，因此可以通过Proteus软件对8086及其外围设备进行仿真。学生可以利用自己的计算机随时随地进行学习，巩固和加深课堂学习内容并进行实践。
五、结束语
教师采用多媒体、开放性、互动式和研究式等丰富多采的教学方式，提供典型的案例，配备自主学习型网络课件，在教学内容、教学方法、考核方式、教学改革、因材施教、素质培养和教书育人等方面有措施、有行动，把握好讲课、讨论、作业、辅导、实践和教材等要素，精心设计教学方法，合理运用现代教育新技术與新手段，在教学内容安排和教学过程中注重对学生自学能力与思维方法的培养；学校建立符合现代教育思想的教学基本制度，完善辅导答疑、批改作业、教学检查、成绩评定和教学研究等工作，进一步深化微机原理与接口技术的课程建设。教师和学校二者共同努力，协调配合，为学生今后专业知识和计算机应用相结合提供了知识储备，并奠定了扎实的计算机硬件与软件的综合应用能力。[3]
参考文献：
[1]汤晓安，王文惠，郝建新，等.精讲多练打造微机原理与接口技术精品课程[J].高等教育研究学报，2007，30（2）：58-59.
[2]张雪征.微机原理与接口技术课程教学方法探讨[J].高等教育研究，2011，28（3）：36-37.
[3]杨奎武，郭渊博，李长胜.微机原理与应用项目驱动式教学方法[J].中国教育技术装备，2013，（18）：77-78.
（责任编辑：王意琴）
关键词：教学设计；Proteus；定时器；课程建设
作者简介：艾红（1962-），女，重庆人，北京信息科技大学自动化学院，副教授。（北京 100192）
基金项目：本文系北京信息科技大学微机原理与接口技术课程建设的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0101-02
微机原理与接口技术课程是伴随着微处理器的诞生而出现的，同时又伴随着微处理器的发展而发展，课程内容从早期的以Z80微处理器为主进展到以X86微处理器为主。由于X86微处理器在应用市场中的绝对主导地位，虽然X86微处理器不断更新，但由于新的处理器始终保持了对以前处理器的兼容，所以在处理器的结构原理上，特别是构成微机系统的原理上维持了许多共性的特征，使微机原理与接口技术这门课程在内容上相对稳定。学生对这门课程学习感到有一定难度，因为计算机是个复杂系统，无论先讲哪一部分，都要联系到其它部分，又不可能把所有相联系的部分同时讲清楚。学生每次课学到一些新知识，理解了一些原来有疑问的问题，又有一些理解不透彻的新问题产生。因此微机原理与接口技术的课程建设力争形成结构紧凑、知识连贯、内容先进实用和信息量大的课程。[1，2]
一、教学设计与重点
采取学生易于接受的表述方法深入浅出地讲透，对于具有共性的疑难问题，给予重点讲授。随着课程的进行会多次反复涉及到重点内容，使学生加深理解并能熟练应用。微处理器、存储器和I/O接口电路等各部件是由超大规模集成电路制成，应注意其内部结构、外部连接和外部应用特性。微型机的运行是软硬件相互结合，在讲解接口电路工作的同时，与程序的运行联系起来。讲述I/O接口电路的编程和应用时，必须跟实际应用例子相结合。微型机在总线上的操作有着严格的时序特性，讲授存储器、I/O接口电路连接和读/写操作时，必须密切结合CPU和外部设备的操作时序配合问题。由于时序配合对于学生来说较难理解，所以采用动画讲解的方式效果会更好。在存储器章节中介绍Cache含义：Cache用在CPU与内存之间，在交换信息时起缓冲作用；讲解存储器与8086 CPU的硬件连接电路和存储器实际可访问的地址空间范围；可以根据已知的存储体芯片容量计算需要的芯片和每块芯片需要的寻址线；存储器芯片片选端的译码采用全译码、部分译码和线选法；说明芯片的地址分配，画出端口译码电路说明每块芯片的端口地址范围。
重点突出三个专用接口芯片8253、8259A、8255A的不同功能、工作过程及芯片的外部应用特性。编程及应用实例应偏重在8253、8259A与8255A的基本应用，课程实验的综合应用环节是8253、8259A与8255A这三个芯片的综合应用。难点是中断接口芯片使用与中断服务程序设计，例如接口芯片8259A的自动中断结束方式与非自动中断结束方式。优先级设置方式有全嵌套方式、特殊全嵌套方式、优先级自动循环方式和优先级特殊循环方式。为了使学生容易理解并使用8259A芯片，讲解时按照常用工作方式设计编程，如采用全嵌套方式，非自动中断结束方式，按照顺序设置初始化命令字，按照工作需要设置操作命令字。
二、课程建设方法探讨
1.多种方式采用提高学生学习兴趣
采用启发式、互动式和对比式等方法实现微机原理与接口技术的教学。微机原理中许多概念和数字电路课程、系统设计密切相关。比如讲授总线分时复用时，启发学生既让地址信息、数据信息及时而准确传送，又能减少芯片管脚数，使得芯片更小，引导学生从分时过渡到复用，让学生体会系统设计的精心构思和设计巧妙所带来的乐趣。在课堂教学中，除了板书和讲述外，灵活运用配套的电子课件，在课堂上通过点击鼠标，显示文字和简明的图表，既可对教材的重点和难点深刻理解，又能够看到动态的信息流动过程，使学生能生动形象地了解各种接口电路的工作原理，增强学生对课程的学习兴趣。多媒体用精彩的画面、生动形象的动画、优美的音乐等提高了学生的学习兴趣。对于一些抽象的不可见概念和知识，应用计算机变抽象为形象，变不可见为可见，有利于学生对问题的理解。采用多媒体教学显示抽象的内部结构和数据流向，也可以节约了许多画图的时间。讲解程序设计等重要内容时，配合板书编写程序，将一条条语句带着学生在黑板上写下来，使得程序编写有一个思考过程。将程序的执行过程进行演示，一方面检验程序设计的正确性，另一方面演示程序执行过程中数据是如何在寄存器或存储器中传递的。应用程序的研究与开发涉及硬件结构、各种外设及其接口内容复杂且较多，对部分章节采用讨論式教学，从简单的应用程序开始，首先导出问题，然后进行讨论，共同设计、编写软件，一起完成应用程序设计。教师对设计过程、设计原理、设计方法和注意事项进行总结，在此基础上再进行较复杂的设计。通过不断讨论问题、解决问题的过程，有利于培养学生的独立思考能力，提高基础知识的灵活运用和综合运用能力。采用对比的方式，可以找出它们的共性，突出个性。
2.网络教学与传统教学相结合
课堂教学是一门艺术，有时需要给学生留下思考的余地。对教学重点应详细讲解，多课程交叉重复的内容，可以留给学生自学，培养学生的自学能力和联想能力。启发学生的创造性思维，这也是加强基础，上下衔接课程建设的需要。课堂教学是教学的主题，网络教学不能只是对课堂教学的复制。应该充分发挥网络资源的优势，在增加知识面、提高效率、因材施教等方面对课堂教学起到很好的补充作用，有利于充分发挥学生的主观能动性。教师指导学生参与实际科研课题和指导学生进行微机系统的研究与开发设计，通过网络查找资料，掌握课题研究方法，培养学生的科研能力，使学生由被动型学习转向主动型学习。 三、定时器与并行接口芯片Proteus软件应用
1.计数器/定时器接口芯片8253
Protues仿真软件可以实现从原理图布图、代码调试到微处理器与外围电路协同仿真的功能。课堂上可以应用仿真软件Proteus演示可编程计数器/定时器芯片8253工作原理。例如8253有3个独立通道计数器，有6种工作方式，可以产生不同的波形，实现定时计数功能。主要工作区别是输出波形不同，启动计数器的触发方式不同即硬件启动是GATE从0到1，还是软件计数值装入后就启动，计数过程中门控信号GATE对计数操作的影响不同。例如8253控制寄存器端口号为206H，采用计数器2工作于方式1，计数初值为1250，计数器0工作于方式3，输出一个1KHz的方波，8253的输入时钟为1MHz，计数形式是BCD码计数。采用Proteus仿真软件设计的8086硬件原理图如图1所示，采用Proteus仿真软件应用示波器演示程序执行结果的波形显示如图2所示。
2.并行接口芯片8255A
8255A传统的教学方法是在讲述完工作方式选择控制字和置位/复位控制字以及3种工作方式后举例练习工作方式和置位/复位控制字的设置方法。学生听起来觉得很抽象、枯燥。可以应用仿真软件Proteus演示可编程外围接口芯片8255A的工作原理及其应用。8255A有3种工作方式，主要用于输入与输出功能的实现。有基本输入输出方式、选通输入/输出方式和双向总线方式。除了基本输入输出方式之外，需要使用C口几根线作为联络信号。用多媒体动画演示联络信号的工作过程，控制信号时序配合、数码管的数字显示。使用Proteus 软件可以把举例形象化演示实际效果，例如采用8255A实现与按键的综合应用。有8个按键的键盘，当一个按键被按下时，数码管显示该键的编号。8255A的端口A接8个小键盘，8255A的端口B连接BCD码数码管。基于8255A的Proteus仿真结果显示如图3所示，表示当按键5按下时，数码管上显示5。
四、实践环节综合训练
实验设备可以保证学生每人一套，自行完成实验指导书中的编程和调试。精选实验内容是优化实验项目的重要环节。实验内容包括数码转换程序设计，统计数据区内负数的个数，利用子程序的方法编程求出序列中的最大值和最小值。软件中断实验是在显示器上显示26个英文字母A～Z。采用8259A单片可以实现当每次响应外部中断IRQ7时，屏幕上显示字符“7”，中断10次后程序退出。也可以实现两片8259A的级连功能。如系统中的一片8259A作为主片，外接另一片8259A作为从片，构成8259A级连方式的中断线路。其中规定主片的引脚IRQ7上连接一片从片，从片上的引脚IR7连接外中断申请电路。当从片的IR7上有中断申请时屏幕上显示字符“7”。利用8253的0# 通道实现循环定时，每次定时时间到产生中断IRQ0，在中断程序中显示一个数字。在屏幕上循环显示“0”～“9”十个数。8253计数实验是设定8253的2#通道工作方式为方式0，用于事件计数。当计数值为5时，发出中断请求信号，屏幕上显示字符“M”。可编程接口芯片综合应用包括彩灯控制实验和信号灯控制实验。彩灯控制实验实现8个彩灯循环流水显示。每隔1秒点亮一个灯，当按下开关KK1时，8个彩灯一起闪烁4次，然后恢复流水灯点亮。8255A输出彩灯的状态，1秒定时时间由8253配合软件完成，彩灯闪烁由开关KK1连接8259A中断实现。利用8255A和8253实现信号灯控制实验。采用6个彩灯模拟十字路口的交通灯，平时主街绿灯通行，副街红灯亮。当传感器检测到副街有车要通过时，主街黄灯亮2秒后红灯亮，副街绿灯亮，副街通行30秒后恢复成平时主街通行的状态。8255A输出交通灯的状态，用开关模拟传感器检测副街是否有车，用8253实现定时。由于课堂实验时间有限，加之实验设备价格较昂贵，因此可以通过Proteus软件对8086及其外围设备进行仿真。学生可以利用自己的计算机随时随地进行学习，巩固和加深课堂学习内容并进行实践。
五、结束语
教师采用多媒体、开放性、互动式和研究式等丰富多采的教学方式，提供典型的案例，配备自主学习型网络课件，在教学内容、教学方法、考核方式、教学改革、因材施教、素质培养和教书育人等方面有措施、有行动，把握好讲课、讨论、作业、辅导、实践和教材等要素，精心设计教学方法，合理运用现代教育新技术與新手段，在教学内容安排和教学过程中注重对学生自学能力与思维方法的培养；学校建立符合现代教育思想的教学基本制度，完善辅导答疑、批改作业、教学检查、成绩评定和教学研究等工作，进一步深化微机原理与接口技术的课程建设。教师和学校二者共同努力，协调配合，为学生今后专业知识和计算机应用相结合提供了知识储备，并奠定了扎实的计算机硬件与软件的综合应用能力。[3]
参考文献：
[1]汤晓安，王文惠，郝建新，等.精讲多练打造微机原理与接口技术精品课程[J].高等教育研究学报，2007，30（2）：58-59.
[2]张雪征.微机原理与接口技术课程教学方法探讨[J].高等教育研究，2011，28（3）：36-37.
[3]杨奎武，郭渊博，李长胜.微机原理与应用项目驱动式教学方法[J].中国教育技术装备，2013，（18）：77-78.
（责任编辑：王意琴）