陈 真， 王 钊
（中国石油大学（华东）a.海洋与空间信息学院；
b.控制科学与工程学院，山东 青岛 266580）
“I/O接口综合设计”是微机原理实验课程接口设计部分中考查学生实践应用能力的综合设计型虚拟仿真项目，是在原实验项目基础上融合先进的虚拟仿真技术设计［1-4］。其中，实验内容的设计是以CPU总线结构为基础，贯穿典型接口芯片的功能应用，以学生自主设计为基本要求，注重引导学生以学科或行业发展前沿课题为选题，营造探索性实验环境，激发学生创新兴趣，提高学生灵活应用接口芯片设计I/O接口电路的综合设计创新能力。
“I/O接口综合设计实验”虚拟仿真项目可以完全仿真原有基于硬件实验系统的接口实验功能，同时通过充分发挥虚拟仿真的技术优势可以提高接口设计效率，有效降低设计成本，设计过程不受时空影响，扩展了硬件实验系统接口和外设的功能和灵活度，便于学生进行设计创新性实验。学生可根据设计需求自由扩展相应的功能模块，进行自主探索式创新设计。
“I/O接口综合设计实验”虚拟仿真项目的实施，有利于合理增加实验难度、拓展深度、扩大可选择性；
提高学生实践主动性的同时，提升了实验挑战度，激发其学习动力和专业兴趣。学生得以灵活、全面地掌握接口芯片功能与使用方法，将理论知识与实践结合的更加紧密，有利于培养学生主动学习、探索学习以及研究性学习的自主学习实践能力。
本文结合培养目标详细介绍了虚拟仿真技术在实验原理辅助理解、功能仿真和接口设计等方面的应用情况以及在线互动教学设计的实施案例。
学生通过“I/O接口综合设计实验”项目训练后，能够理解并掌握微处理器系统及其接口的基本原理，具有应用相关原理针对复杂工程问题进行软硬件分析与设计的表达能力；
能够理解并掌握微处理器系统软件设计语言及其编译技术，初步具备利用先进的虚拟仿真工具进行硬件设计与软硬件联合调试的能力，并理解其局限性；
具备自主学习、探索学习以及研究性学习的能力，能够灵活应用接口芯片进行创新性设计。
1.1 实验原理
（1）总线结构与I/O接口信号。CPU与I/O设备之间要传送信息，通常包括数据、状态和控制信息，CPU与I/O设备之间的接口信号必须有数据信息和端口地址，总线结构如图1所示。
（2）简单的I/O设备。①输出设备：发光二极管（LED）；
②输入设备：开关；
③显示设备：七段数码管。
（3）典型接口芯片。①D锁存器和D触发器。在进行简单I/O接口电路设计时，一般应遵循“输入三态，输出锁存”与总线相连的设计原则。CPU数据的输出一般用锁存器锁存。常用的锁存器有四D锁存器74LS75和八D触发器74LS273。四D锁存器符号如图2所示，功能见表1。八D触发器74LS273符号如图3所示，功能见表2。②三态门缓冲器。输入接口一般用三态缓冲器实现，外部设备输入数据通过三态缓冲器，数据总线传送给微机系统。常用的缓冲器有单向三态数据缓冲器74LS244或双向三态数据缓冲器74LS245。74LS244符号如图4所示，功能见表3。
表3 74LS244功能表
表1 74LS75功能表
表2 74LS273功能表
③可编程并行接口芯片。可编程并行接口芯片的工作方式是通过软件编程来设定其作为输入接口或输出接口，扩展了芯片的功能和灵活性。8255A为常用可编程并行接口。
（4）I/O接口电路设计。在进行简单I/O接口电路设计时，应遵循“输入缓冲，输出锁存”与总线相连的设计原则。其中，输出和输入接口设计分别依据写总线和读总线周期时序图，结合实验原理及设计需求，选用常用元器件和典型接口芯片进行I/O接口电路的设计。这里以输出接口电路设计为例，依据写总线周期时序图如图5（a）所示，选用常用元器件和接口芯片设计的参考电路如图5（b）所示。
（5）扩展功能模块。可编程计数器/定时器、可编程中断控制器等扩展芯片和D/A与A/D转换模块以及键盘和液晶显示模块等扩展应用。
1.2 教学设计
教学设计中注重融合知识点，蕴含思想政治教育元素［5-11］。主要体现在：总线结构及接口的定义、功能和作用以及接口与端口的关系，阐明制定和遵守规则以及合作共赢的重要性；
典型I/O接口芯片的工作原理和使用方法，强化对于工作一丝不苟更深层次的理解；
I/O接口电路的设计原则、流程和方法，理解到处理问题要运用科学方法；
I/O接口电路软硬件联合调试方法，强调注重设计过程，锻炼发现问题和解决问题的能力；
静态和动态显示原理和设计实现方法，具有节约资源意识并积极实施；
可编程接口芯片和功能模块的扩展及应用，要具有勇于尝试的创新意识。
“I/O接口综合设计实验”的仿真在力求还原真实实验教学要求、实验原理、操作环境及互动感受基础上，充分发挥虚拟仿真的优势，进一步拓展实验的深度、广度和可选择性，满足学生结合自身专业特色和兴趣专长自主选题、自主设计，培养学生融会贯通专业课程、应用相关知识通过自主设计解决实际问题的能力。现以8086CPU接口设计内容为例，仿真的核心要素描述如下：
（1）元器件仿真模型结构及功能仿真。结合实验原理及设计需求对常用元器件进行功能仿真及测试。以常用元器件发光二级管（LED）及非门（Inverters）、或门（OR）为例，其仿真功能测试如图6（a）、（b）所示。
（2）常用典型接口芯片仿真模型结构与功能仿真。结合接口设计原理，以用于输出接口的74LS75锁存器为例，其结构如图7（a）所示，仿真功能测试原理如图7（b）所示。
（3）接口设计仿真原理图。结合接口设计原理及依据任务需求制定接口设计方案，采用常用元器件和接口芯片搭建接口设计的参考电路如图8（a）所示，仿真原理如图8（b）所示。
（4）软硬件联合调试仿真。采用单步调试子程序调试、设置断点仿真调试功能，结合I/O接口指令和接口电路进行仿真环境下的软硬件联合调试。这里以单步调试为例，软硬件联合调试输出接口仿真设计功能如图9所示。
（5）在仿真环境下采用直接运行仿真功能。观察方案设计的功能和实现效果，并利用探针、激励源、曲线图表、虚拟仪器等仿真工具，对信号、参数等进行分析和测量，便于后续器件封装、PCB制作、功能更新升级等任务的实施。常用的仿真工具为：示波器（见图10（a））和信号发生器（见图10（b））。
1.3 设计流程
结合教学计划，虚拟仿真设计开展流程的制定采用分层次模块化设计虚拟项目，循序渐进、由浅入深的设计虚拟仿真实验内容，将理论与实践相结合的同时充分体现虚拟仿真设计自主性和灵活性、创新性的优势。具体开展流程如图11所示。
在线互动教学设计包括：基础教学设计、更深层次学设计。其中，基础教学设计通过围绕课程的教学目标、教学内容及教学进度，分阶段呈现实验教学微视频，融入提问、结合工程实际帮助学生理解掌握，整理学生阶段性反馈信息后及时采用在线平台的翻转课堂、直播课、腾讯课堂直播等形式多样的授课方式给予汇总解析并分享课程视频录像，经过进一步总结将其转化为教学资源；
更深层次的教学设计是教师根据教学计划的实施和不断推进，逐渐转向以促进学生深层次思考的教学设计，设计互动问题难度应由浅入深，并积极引导学生反思总结；
教师通过在线平台布置实验预习任务、自由组队的小组学习任务等，增强学生的实验兴趣，启发学生展开讨论、完成自主性任务及锻炼团队协作能力。而且，对于在线互动教学设计的各个环节教师都可以在线跟踪其进展情况，给予个性化和参考方向性指导。教师将在线平台的互动情况纳入到课程成绩评定中，考核中不仅更加强调学生的知识、技能掌握程度的学习效果，而且更加注重强化过程的考核，如通过设定标准引入小组互评机制以及对自主学习、参与讨论、团队协作、创新意识等在线互动中表现给予评价等，力求考评体系多角度、全方位和多元化在线互动的教学设计与实施如图12所示。
实践表明，开展虚拟仿真可以增加广度、深度和挑战度。结合丰富的微视频、动画等课程教学资源，运用“翻转课堂”、小组学习等形式多样的互动教学设计，进行线上线下优势互补的混合式实验教学，可以实现更高层次的资源共享和交流平台，有助于现代信息技术与教学深度融合，有助于引导学生进行探究式与个性化学习。
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