應用型專業(yè)計算機硬件課程體系建設的探討

章　韻　倪曉軍

摘要：高等院校計算機工程專業(yè)方向的計算機硬件課程體系主要培養(yǎng)學生對中小型計算機應用系統(tǒng)的設計和應用能力。本文分析了許多院校的應用型計算機硬件課程體系的課程組成及體系內(nèi)課程內(nèi)容的配合關(guān)系，根據(jù)計算機技術(shù)的發(fā)展情況，提出調(diào)整“微型計算機原理”和“單片機原理與應用”課程在課程體系中的位置和作用，以改進教學效果的觀點。

關(guān)鍵詞：課程體系；計算機硬件；單片機；系統(tǒng)應用

中圖分類號：G642文獻標識碼：B文章編號：1672-5913(2009)04-0099-03

1引言

在高等院校計算機專業(yè)課程中，計算機硬件系列課程是一個重要的方面。對于培養(yǎng)工程應用型人才的院校來說，計算機硬件系列課程著重于介紹計算機系統(tǒng)的組成和體系結(jié)構(gòu)，計算機應用系統(tǒng)的設計和構(gòu)成，計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的集成應用原理和技術(shù)等。在計算機應用領(lǐng)域中，各種智能控制終端、數(shù)據(jù)采集設備等末端系統(tǒng)的作用非常重要，有時甚至是起決定性作用的。社會對這方面的人才需求是大量的、迫切的，學校也需要切實加強對學生在計算機系統(tǒng)、硬件應用能力方面的培養(yǎng)。如何設置及組織計算機系統(tǒng)和硬件系列課程和實驗，加強實踐訓練，對培養(yǎng)學生在中小型智能終端系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設計和應用能力方面，有著很大影響和作用。

2計算機硬件課程體系的構(gòu)成

工程應用型計算機專業(yè)人才，即計算機工程專業(yè)方向人才的知識體系和專業(yè)能力，在于設計和構(gòu)建計算機系統(tǒng)和基于計算機的系統(tǒng)，包括研究計算機硬件、軟件、通信以及它們之間的交互。計算機工程專業(yè)方向的學生要學習包括計算機、通信系統(tǒng)、含有計算機設備的數(shù)字硬件系統(tǒng)的設計，并且要學習這些設備中軟件的開發(fā)。計算機工程覆蓋的范圍從理論、原理到使用硬件和軟件設計開發(fā)產(chǎn)品的實際應用。其知識領(lǐng)域主要強調(diào)以下方面：操作系統(tǒng)原理與設計、人機交互、法律/職業(yè)/倫理/社會、技術(shù)需求分析、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計算機體系結(jié)構(gòu)與組織、計算機系統(tǒng)工程、數(shù)字邏輯等。

目前，大多數(shù)高等院校應用型專業(yè)的計算機硬件課程體系構(gòu)成如圖1所示。

在計算機硬件課程體系中，“模擬電子電路技術(shù)”，“數(shù)字電路與邏輯設計”課程是整個體系的基礎知識，計算機系統(tǒng)的所有部件，各種數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制功能都是基于模擬和數(shù)字電路來實現(xiàn)的，掌握這部分知識對于理解計算機部件、接口電路器件的工作原理非常重要。在此基礎上，“計算機組成原理”、“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”從原理上論述了計算機系統(tǒng)內(nèi)各個部件的組成和功能模塊之間的關(guān)系、計算機中央處理器CPU的工作原理，數(shù)據(jù)處理方法、處理過程、與外部設備的信息交互等?！安僮飨到y(tǒng)”介紹了計算機系統(tǒng)如何對內(nèi)部資源的進行管理以及為用戶提供使用計算機資源的手段。掌握這些知識，就可以從原理上了解計算機系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成。而“匯編語言程序設計”和“微型計算機原理與接口技術(shù)”則是在前面計算機系統(tǒng)工作原理學習的基礎之上，以具體的某一種計算機系統(tǒng)(一般是微型計算機系統(tǒng))為例，具體說明計算機各個部件的工作方式和過程，如CPU指令系統(tǒng)、CPU的操作、存儲器讀寫和外設接口的輸入輸出操作等。同時，配合相應的實驗，進行簡單匯編語言程序的設計和編寫，設計接口電路和外部設備的連接，并完成一定的輸入輸出和控制操作，以驗證相應匯編指令的作用、接口電路的功能等。在完成以上課程后，還開設了“單片機原理與應用”、“計算機設計技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)與應用”等選修課，使學生了解多種計算機系統(tǒng)的應用，以進一步開闊學生的知識面，培養(yǎng)和提高對計算機應用系統(tǒng)的設計和開發(fā)能力。在計算機硬件課程體系中的所有課程，基本都配有相應的實驗。通過實驗，讓學生更好地掌握相關(guān)理論知識，并進行一些應用實踐。這些實驗對于學生深刻理解計算機系統(tǒng)的工作原理，培養(yǎng)設計和構(gòu)建計算機應用系統(tǒng)的能力，發(fā)揮了很大作用。

在計算機硬件課程體系教學中，通過相關(guān)課程的配合，比較全面地介紹了計算機硬件技術(shù)，為學生建立了從基礎到實際應用的一個完整的計算機硬件系統(tǒng)的概念。多年的教學實踐證明這種計算機硬件課程體系具有一定的合理性。

3日前的課程體系中存在的問題

如圖1所示，在目前大多數(shù)學校的計算機硬件課程體系中，“匯編語言程序設計”和“微型計算機原理與接口技術(shù)”及其實驗課程作為計算機硬件系統(tǒng)和應用的實例，為學生展示了計算機硬件系統(tǒng)各個部件的組成和工作原理，如中央處理器CPU、存儲器、譯碼電路、接口電路等，以及它們的相互連接。在程序的控制下，計算機各個部件相互配合，完成一定的處理和控制功能，學生通過編寫匯編程序代碼、設計接口電路和外部電路，并通過調(diào)試電路和程序，完成相應的實驗，從而更好地理解相關(guān)理論，了解計算機各個部分的功能，掌握計算機系統(tǒng)設計和應用能力。

在計算機技術(shù)發(fā)展的早期，計算機電路的集成度比較低，各種接口電路、控制芯片的功能比較單一，對計算機系統(tǒng)的控制非常直觀、有效。從微處理器芯片發(fā)展的早期到目前為止，Intel x86系列處理器在微型計算機領(lǐng)域里都占有著絕對的優(yōu)勢，應用非常廣泛。因此大多數(shù)學校的微型計算機理論課程和實驗系統(tǒng)都是以Intel x86系列CPU為核心，使用8086系列匯編語言來進行實驗。這些課程的理論和實驗教學對于幫助學生理解和掌握微型計算機系統(tǒng)組成及其應用發(fā)揮了巨大作用，取得了良好的教學效果。隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計算機處理器芯片和接口電路的集成度迅速提高，功能和控制更加復雜，Intel x86系列處理器構(gòu)成的系統(tǒng)已經(jīng)向大規(guī)模、高性能方向發(fā)展，微型計算機系統(tǒng)的設計趨向于專業(yè)化、復雜化。對于初學者來說，學習、理解這樣的復雜系統(tǒng)非常困難，用以設計、實現(xiàn)小型實驗應用系統(tǒng)也幾乎不可能。而且如果微型計算機原理方面的課程仍然以傳統(tǒng)的Intel8086系列CPU芯片為例來介紹計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和應用，則又不能適應微型計算機技術(shù)的發(fā)展。隨著計算機硬件處理能力的提高，操作系統(tǒng)也要求提供更加強大的功能和系統(tǒng)安全可靠性，因此，現(xiàn)在流行的操作系統(tǒng)往往采用計算機硬件保護機制，不允許用戶直接對計算機硬件進行控制，必須通過操作系統(tǒng)的相關(guān)功能調(diào)用來控制硬件的操作。操作系統(tǒng)的這種思想和實現(xiàn)，可以更好地保護計算機系統(tǒng)的安全，但對需要詳細了解計算機硬件工作原理和控制過程的學習和實驗卻造成了障礙。目前大多數(shù)微型計算機原理和接口方面的課程實驗，往往只涉及某些接口電路的功能和應用，對學生深入了解計算機內(nèi)部控制機制，培養(yǎng)和訓練計算機系統(tǒng)整體設計和應用方面的能力，產(chǎn)生了一定的影響。

目前計算機硬件課程體系中的“單片機原理與應用”等課程，往往作為專業(yè)選修課，在三年級第二學期或四年級第一學期開設，總學時和實驗學時也相對較少。同時由于找工作或考研究生等多方面因素影響，學生對這些課程

的重視程度不夠，使得這些課程的教學效果大打折扣。學生在學習完相關(guān)課程后，只能對計算機體系結(jié)構(gòu)和組成的理論有所了解，掌握一些接口芯片的簡單、孤立的應用技術(shù)，缺乏對計算機系統(tǒng)的整體設計和綜合應用能力。

4調(diào)整課程設置，加強實踐環(huán)節(jié)

由以上的分析可以看出，目前大多數(shù)高校的應用型專業(yè)計算機硬件課程體系雖然在理論上可以達到相應的培養(yǎng)目標，但在實際上由于各種因素的影響，而且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和變化，原先的課程設置可能達不到預想的教學效果，有必要進行相應的調(diào)整。

在微型計算機處理器發(fā)展的同時，單片微型計算機系列芯片、嵌入式微型計算機技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為廣泛應用的小型智能終端計算機系統(tǒng)的核心。

目前，在各種領(lǐng)域中廣泛應用的單片機系統(tǒng)有多個廠家、多種系列，其體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方式、控制方式等方面都存在很大差別。單片機系統(tǒng)既能夠以單芯片處理器加上少量的輔助電路構(gòu)成小型簡單應用系統(tǒng)，也可以配合以一定規(guī)模的外圍電路形成較強功能的系統(tǒng)。雖然目前單片機芯片的性能迅速提高，但相對而言處理能力仍然較弱，一般應用于相對簡單的小型控制系統(tǒng)或大中型系統(tǒng)的智能終端部分。這是單片機系統(tǒng)的局限性，從某些方面來看卻又是優(yōu)點。單片機系統(tǒng)規(guī)模雖小，但處理器、存儲器、總線和接口電路等各部分模塊齊全，功能清楚，便于初學者理解和掌握計算機系統(tǒng)的相關(guān)概念和理論。而且大多數(shù)單片機系列芯片和接口芯片價格低廉，系統(tǒng)設計和實現(xiàn)簡單，非常適合用于計算機硬件的教學。Intel MCS-51系列單片機是目前最常見的、典型的單片機系統(tǒng)，并且與Intel x86系列CPU構(gòu)成的系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)和控制等方面有許多相似之處，因此在多數(shù)高校中都以MCS-51系列單片機芯片作為典型，進行單片機系統(tǒng)的教學。

由于Intel MCS-51系列單片機與Intel x86系列CPU構(gòu)成的系統(tǒng)的相似性，在計算機硬件課程體系中，可以用“單片機原理與應用”代替“微型計算機原理與接口技術(shù)”課程，即以MCS-51單片機系統(tǒng)代替Intel x86系統(tǒng)作為計算機組成原理和體系結(jié)構(gòu)的實例開展教學。由于單片機系統(tǒng)功能和構(gòu)成簡單，便于理解，對于學生理解計算機硬件體系構(gòu)成，掌握計算機系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)技能，可能具有更好的教學效果。而且芯片價格低廉，在同等教學經(jīng)費的情況下，可以提供更多的實驗系統(tǒng)和實驗時間，讓學生有更多的機會對單片機系統(tǒng)的指令集合、控制時序、接口芯片的應用進行學習，對相關(guān)知識有更加充分的了解，并能夠設計和實現(xiàn)簡單的單片機應用系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐動手能力。

因此，在計算機硬件課程系列的設置中，建議增加“單片機原理與應用”課程的教學課時和實驗學時，作為必修課程，讓學生通過對單片機系統(tǒng)的學習和實驗了解和掌握計算機系統(tǒng)的原理和應用。同時適當減少“匯編語言程序設計”和“微型計算機原理與接口技術(shù)”的課時，或者將其精簡合并成為一門選修課程，將Intel x86系列處理器作為一種典型的體系，向?qū)W生介紹計算機系統(tǒng)的一個重要的分支——微型計算機系統(tǒng)的特點和體系結(jié)構(gòu)，及其相關(guān)應用技術(shù)。在已經(jīng)掌握單片機系統(tǒng)原理和應用的基礎上再學習通用微型計算機系統(tǒng)，也會更加容易理解相關(guān)的概念和理論。在調(diào)整課程重點的同時，還必須進一步加強實踐教學環(huán)節(jié)。只有通過大量的實驗和其它實踐教學環(huán)節(jié)，才能更好地理解理論，強化有關(guān)知識點的學習，掌握解決實際問題的能力。由于單片機系統(tǒng)相對簡單，因此，理論教學部分可以適當減少，相應增加實驗課時，給學生更多的實踐機會。當然，在整個計算機硬件課程體系中，都應該盡可能地增加實踐教學過程，為培養(yǎng)學生的實際應用能力創(chuàng)造條件。

近年來，嵌入式系統(tǒng)作為計算機技術(shù)發(fā)展的又一個新的分支，越來越受到重視，嵌入式系統(tǒng)處理器比一般單片機系統(tǒng)集成度更高，其尋址空間一般從64KB到16MB，處理速度0.1～2000MIPS(百萬條指令/秒)，系統(tǒng)管理和控制功能更加強大。配合嵌入式系統(tǒng)硬件的發(fā)展，源碼開放、穩(wěn)定高效，易定制、易剪裁的嵌入式操作系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議棧、嵌入式人機界面、嵌入式軟件開發(fā)工具等得到了廣泛應用。

嵌入式系統(tǒng)的典型應用包括汽車電子、數(shù)控加工裝備、智能儀器儀表、自動化控制系統(tǒng)等。在實現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合的具體途徑方面，以芯片和軟件為核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)將發(fā)揮巨大作用，起到連接信息化與工業(yè)化的“橋梁”作用，成為計算機技術(shù)中最具活力的部分。嵌入式系統(tǒng)是嵌入式硬件和嵌入式軟件的綜合體，兩者相輔相成，密不可分，硬件的設計服務于軟件功能，軟件的開發(fā)必須考慮硬件資源的有限性。嵌入式系統(tǒng)既有通用微處理器系統(tǒng)的共同特點，又具有自己獨特的技術(shù)特點。嵌入式系統(tǒng)的組成和功能比普通單片機系統(tǒng)更加復雜、強大，但比目前的Intel x86系統(tǒng)還是簡單得多，而且可以根據(jù)應用需求，在系統(tǒng)規(guī)模和復雜度方面靈活配置、構(gòu)造應用系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)有著巨大的發(fā)展空間和廣泛的應用前景，開設“嵌入式系統(tǒng)與應用”課程，既可以作為“單片機原理和應用”課程和“微型計算機原理和接口技術(shù)”課程之間的銜接，又可以作為計算機新技術(shù)發(fā)展和應用的補充，非常必要。開展嵌入式系統(tǒng)課程的教學，可以使學生學習更多的計算機技術(shù)相關(guān)知識，了解新的計算機應用技術(shù)及發(fā)展，掌握計算機新技術(shù)的開發(fā)和應用能力，是計算機硬件課程體系的一個重要組成部分。

5結(jié)語

本文分析了目前我國一些培養(yǎng)工程應用型人才高校的計算機工程專業(yè)方向的計算機硬件課程體系設置，根據(jù)筆者的教學體會提出了對計算機硬件課程體系中的部分課程設置進行調(diào)整的想法，其科學性、合理性還有待于更加深入的探討和實踐的驗證。希望通過廣大計算機專業(yè)教育工作者的交流和探討，進一步完善計算機硬件教學體系。