郑州科技学院微型计算机原理课程设计题 目 proteus在微机原理 教学中的应用 学生姓名 冯 强_ 专业班级 11级计科一班_ 学 号 201115004_ 所 在 系 信息工程学院_ 指导教师 王 清 珍_ 完成时间 2013 年 12 月 13 日_ 目 录1 引言.32 课题背景及意义 .33 proteus软件介绍.54 proteus 在理论教学中的应用.75 proteus 在实践教学中的应用.106 结束语.147 参考文献.15附录 1.16附录 2.1701.引言伴随着 计算 机技术的迅猛 发展 虚拟仿真实验室应运而生，将计算机仿真技术引入电子线路课程设计教学之中，是对传统实践教学和电子电路设计的重大突破。先在计算机上进行虚拟设计、仿真，然后将结果应用到实际电路之中，既降低了设计成本，又缩短了整个设计的周期，从而提高了效率。作为传统实验的重要补充，虚拟实验丰富了实践性教学的手段，有利于 现代 实验教学观念的更新。例如，对于嵌入式系统开发的爱好者而言，往往没有足够的资金购买昂贵的开发板来进行开发，这时可以选择通过软件仿真来 学习 嵌入式系统开发。Proteus 是 目前 最好的能够虚拟嵌入式系统开发中常用的处理器和外围器件的 EDA 工具。另外，仿真技术在电子线路课程设计中的应用提高了学生综合 分析 电路的能力和开发设计的能力，为今后更高层次的设计和实践打下基础。微机原理与应用课程对许多专业来说是一门重要的专业课。目前，国内各高校以 8086 单片机（为主要内容进行教学。近年来，随着计算机技术的飞速发展，大量高性能、采用新技术的嵌入式系统 CPU 的面世，给传统的单片机教学带来冲击，对微机教学方法的改进提出了新的课题。本文通过对单片机教学改革的思考，分析单片机实验教学中存在的弊端，提出了一种新的实验教学方法，在实验环节中引入了 EDA 技术，以新款的 EDA软件 Proteus 为平台，设计一套符合世道需要的实验系统。全文针对整个实验系统，首先介绍了作为实验系统软件平台1的 Proteus，叙述其功能，分析选择其作为软件平台的可行性和优越性。接着，详细地介绍 proteus 在理论教学中的应用和 Proteus在实践教学中的应用，最后，对全文进行总结。2.课题背景及意义1970 年微处理器研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片的微型计算机） 。1971 年美国的 INTEL 公司生产的 4位单片机 4004 和 1972 年生产的雏形 8 位单片机 8008，特别是1976 年 9 月 INTEL 公司的 MCS-48 单片机问世以来，在短短的十几年间，经历了多次更新换代，其发展速度大约每两三年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻一番。单片机发展速度之快、应用范围之广以达到了惊人的地步，他已渗透到生产和生活的各个领域，应用非常广泛。尽管目前单片机的品种很多，但其中最典型性的当属INTEL 公司的 MCS-51 系列单片机系列。MCS-51 是在 MCS-48的基础上于 80 年代初发展起来的，虽然它仍然是 8 位单片机，但其功能有很大的增强。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此 51 系列单片机应用非常广泛，成为继MCS-48 之后最重要的单片机品种。直到现在，MCS-51 仍不失为单片机的主流机型、MCS-51 系列单片机主要包括 8031、8086和 8751 等产品，具有结构紧凑、裸机位操作功能丰富和直接面向控制的指令系统等优势，堪称一代“名机” 。随着半导体技术的飞速发展，51 系列单片机的处理速度更快，性能更优越，在工业控制领域上占据十分重要的地位。现在单片机的应用日益广2泛深入，诸如在智能仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都能扮演着非常重要的角色。单片机的设计开发具有广阔的前景，估计近 10 年内 8 位的单片机将仍然是主流机型，其设计也是嵌入式产品开发的基础。所以，单片机的学习十分重要。在许多院校的教学实践中总会有人提出与“微机原理及应用”课程特点，寻求一种能较好地培养学生能力的教学方法是每一位任课教师迫切关注的问题。现在各学校的单片机实验教学一般分为两种：验证性实验教学和综合设计性实验教学。但是这两种实验教学方式中都存在了诸多缺陷。各大电子生产厂家纷纷涉足学校的验证性实验教学领域，推出了先进、智能、完善的实验设备，并配备了详尽的使用说明书及实验讲义，这样表面上实验设备的先进与否体现了学校的实验水平，但是对学生来说，实验设备越是智能，学生的动手和动脑的深度及广度就越小，而且，实验教学板有教学中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，对扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣方面收效甚微。传统的实验教学中，忽视了学生实验能力的培养，对于实验设计能力的培养，则很少涉及到。学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。因此，近年来学校中普遍提倡在实验教学中加入综合性设计实验，让学生们通过来选定自己感兴趣的题目，查找大量的文献资料，再对多种方案进行比较及筛选，选择一到两种较为完善的设计方案，进行硬件电路的搭建和软件的设计，通过观察和分析，完成整体电路的设计。这种方法确实能够扩展学生的思3路和提高学生的动手能力、实验设计能力及学习兴趣，也取得了一定的成绩。但是这种设计性实验也存在着许多弊端，有的题目由于种种原因，根本无法实现。为了克服上述两种实验教学方法的缺点，很多高校都提出用EDA 技术进行电路的设计与实现。EDA 设计思路是：从元器件的选取到连接、直至电路的调试、分析和软件的编译，都是在计算机中完成，所用的工作都是虚拟的。虽然现在的电路设和软件的编译，都是在计算机中完成，所用的工作都是虚拟的。计软件已经很多，诸如 PROTEL、ORCAD、EWB 、Multisim 等，不过这些软件之间的差别都不大：都有原理图和 PCB 制作功能，都能进行诸如频率响应，噪音分析等电路分析，主要用于模拟电路、数字电路、模数混合电路的性能仿真与分析，但对于单片机设计及软件编程，最重要的是两者的联调，这些软件都无法实现，所以造成了单片机系统设计周期长、设计费用高等缺点。2.2 EDA 技术的发展电子设计的核心是 EDA 技术。EDA 是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子 CAD 通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即 IC 设计、电子电路设计和 PCB 设计。EDA 技术已有30 年的发展历程，大致可分为三个阶段。70 年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，人们开始用计算机辅助进行 IC 版图编辑、PCB 布局布线，取代了手工操作。80 年代为计算机辅助工程（CAE）阶段。与 CAD 相比，CAE 除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE 的主要功能是：4原理图输人，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB 后分析。90 年代为电子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA 软件Proteus 不仅能满足电子设计的需求，还能满足单片教学中的各种要求。3.PROTEUS 软件简介 PROTEUS 软件由 Labcenter 公司开发，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和 PCB 设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的 EDA 工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择 KEil C51uVision2 软件。该软件支持众多不同公司的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体，同时还支持 PLM、汇编和 C 语言的程序设计。它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能。 Proteus VSM 的核心是 ProSPICE，这是一个组合了SPICE3f5 模拟仿真器核和基于快速事件驱动的数字仿真器的混合的仿真系统, SPICE 内核的使用使您能采用数目众多的供应厂商提供的 SPICE 模型, 目前该软件包包含有约 6500 个模型。Proteus VSM 包含大量的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号波型发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压计、电流计。此外仿真器能通过色点来显示每个管脚的状况，这点在单步调试 I/O 码时绝对非常有用。 5Proteus VSM 最主要的特点是它能把微处理器软件作用论文联盟 WWW.LWLM.COM 整理在处理器上并和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。微处理器模型和其它器件的模型一道驻留在原理设计中， 它仿真执行目标码， 就像在真正的单片机系统上。如果程序代码向一个外设口写, 电路中逻辑电平会相应变化， 如果电路改变了微处理器管脚的状态， 这些也可以在您的程序代码中看到，如同真实系统一样。 PROTEUS VSM FOR ARM/LPC2000 包含做 PHILIPS 公司LPC2000 系列设计仿真所需的一切。支持 ARM 和 THUMB 指令集。支持片上外设：GPIO, timers, RTC, UARTS, SPI, I2C, MAM,PLL, ADC and watchdog timer 等。支持 VIC 中断子系统。在 3G 的 PC 环境下可以做 10MIPS 的仿真。可以装载ELF/DWARF2 格式文件进行源码调试。可以利用 IAR Embedded Workbench 和 KEIlUV3 与 PROTEUS 进行联调。这个软件包包括: ISIS 原理图输入系统。PROSPICE 交互式仿真引擎。LPC2000 系列处理器模型。ARM7TDMI 和 ARM7TDMIS 内核模型。可以用高级图形仿真工具来做基于图表的仿真。由 PROTEUS VSM 仿真通过的设计可以直接导入到 ARES 中进行 PCB 设计。Proteus 与其电子仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU 的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。6国内外的很多知名大学已经开始使 Proteus 作为他们的教学工具，比如 Stanford University，University Of California，Cambridge University，Carlisle college，香港理工大学，中山大学，华南理工大学，哈尔滨工程大学等几十所高校。他们一致认为该软件在教学中的应用有很大的帮助，其灵活自主的设计方式使学生更能体验到电子设计的魅力，学生对单片机以及电子设计的兴趣大大提升，知识的掌握和应用当然也有了很大的提高。4.Proteus在理论教学中的应用1、实例引导，激发兴趣 在单片机的入门教学中总会提到单片机在工业控制、智能仪表、家用电器、办公自动