高職高專微機(jī)原理課程創(chuàng)新性開放實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

付幫峰　熊春如　胡菊芳

摘 要：在高職高專微機(jī)原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。在微機(jī)原理課程實(shí)驗(yàn)中利用可編程邏輯器件和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)（EDA），有利于老師和學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開設(shè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)，能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理；創(chuàng)新實(shí)踐；EDA；開放實(shí)驗(yàn)

基金項(xiàng)目：新余高專校級(jí)立項(xiàng)重點(diǎn)課題(xj0807)。

作者簡(jiǎn)介：付幫峰（1959-），男，江西新余人，江西新余高等專科學(xué)校機(jī)電與自動(dòng)化工程系實(shí)驗(yàn)師/工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與智能控制。

中圖分類號(hào)：G７１２文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1001-7518(2009)14-００２９－０３

一、微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的背景

《微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用》課程是高職高專計(jì)算機(jī)類及大多數(shù)電類專業(yè)學(xué)生的必修課程，同時(shí)也是一門實(shí)用

性和動(dòng)手性都很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)硬件類課程。很好地掌握這門課程的內(nèi)容并具備一定的實(shí)際電路設(shè)計(jì)和編程能力，將會(huì)使學(xué)生在深刻理解計(jì)算機(jī)軟、硬件關(guān)系及以后的計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)中打下必要的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)。微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)屬于高職學(xué)校相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，主要突出鞏固和加深專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及專業(yè)基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練上。在很多高職高專院校微機(jī)原理授課對(duì)象是高職高專二年級(jí)下學(xué)期的學(xué)生，微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的開設(shè)一般分兩個(gè)階段進(jìn)行，循序漸進(jìn)，逐步深入。第一階段，為了讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法，一般會(huì)有選擇地讓學(xué)生做一些基礎(chǔ)模塊驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并設(shè)置一些問題讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)分析原因，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解；第二階段，為了讓學(xué)生綜合應(yīng)用微機(jī)內(nèi)部的多個(gè)資源和外部的接口芯片，同時(shí)考慮到課時(shí)數(shù)的限制，會(huì)要求學(xué)生做一個(gè)或者兩個(gè)的綜合性實(shí)驗(yàn)，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)方面起到拋磚引玉的作用。這些都是微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已被廣泛應(yīng)用并已被證明是增強(qiáng)教學(xué)效果的有效措施。

但是，一直以來微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的目的更多地是為了配合理論教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，驗(yàn)證理論課教學(xué)的內(nèi)容。在講授實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候，教師先對(duì)本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮妥⒁馐马?xiàng)做講解，然后學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟操作，完成該實(shí)驗(yàn)。這種以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)雖然保證了學(xué)生按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，但不利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的真正內(nèi)涵，即使在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中加入了綜合應(yīng)用多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合實(shí)驗(yàn)，也很難讓學(xué)生真正弄懂如何綜合地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)去完成一個(gè)新的設(shè)計(jì)任務(wù)，不利于培養(yǎng)科技創(chuàng)新能力和獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件的能

力。

二、開展創(chuàng)新性課外開放實(shí)驗(yàn)的重要性

1.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對(duì)高職高專學(xué)生的重要性。素質(zhì)教育是現(xiàn)在倡導(dǎo)的教學(xué)理念，創(chuàng)新能力培養(yǎng)是當(dāng)今高等職業(yè)教育的重要任務(wù)之一。創(chuàng)新能力是指具有科學(xué)的質(zhì)疑能力及獨(dú)立思考和實(shí)踐的能力。國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)不僅需要具有一定理論研究能力的研究型人才，而且需要既具備理論基礎(chǔ)、又具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力的高技能應(yīng)用型人才，這就為我們的高職高專教育提出了新的要求。當(dāng)前高職的教學(xué)過程主要采取的還是教師授課、學(xué)生聽講，以理論學(xué)習(xí)為主的方式。學(xué)生基本處于被動(dòng)接受狀態(tài)，教師很少注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。畢業(yè)的高職高專學(xué)生雖然具備一定的基礎(chǔ)理論和相關(guān)專業(yè)知識(shí)，但實(shí)際應(yīng)用和操作動(dòng)手能力比較弱，與國(guó)家要求的具有一定創(chuàng)新能力的高技能應(yīng)用型人才有相當(dāng)?shù)牟罹?。因此我們有必要重新認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)課的作用，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)課成為素質(zhì)教育及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能僅停留在單個(gè)知識(shí)點(diǎn)或者幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)綜合的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)該要適當(dāng)?shù)匾朐O(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。

2.微機(jī)原理課程進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)踐的必要性。為了改進(jìn)我校高職高專微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)的不足之處，培養(yǎng)更多的具備一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的綜合型高技能人才，我們?cè)谖C(jī)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上做了一些探索，利用EDA技術(shù)增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，力求提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生潛意識(shí)中的創(chuàng)造性。創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要緊密配合理論課的教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)是已學(xué)過或正在學(xué)習(xí)的內(nèi)容，不致使學(xué)生感到無從下手。同時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)該分基本要求部分和發(fā)揮部分，要讓大多數(shù)學(xué)生經(jīng)努力在較短的時(shí)間內(nèi)都可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)要求部分，樹立學(xué)生的成就感和自信心，發(fā)揮部分則是留給有能力的學(xué)生突破已有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維禁錮，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。

微機(jī)原理課程的內(nèi)容包括微型機(jī)硬件系統(tǒng)的組成、匯編語言的設(shè)計(jì)方法及接口技術(shù)三大部分，涉及的知識(shí)點(diǎn)包括微處理器結(jié)構(gòu)、最小系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)器讀寫時(shí)序、匯編程序設(shè)計(jì)、輸入輸出I/O技術(shù)、接口技術(shù)等，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)較多。微機(jī)原理課程的學(xué)習(xí)需要一定的電子電路基礎(chǔ)和較強(qiáng)的邏輯思維能力，僅依靠課堂上的理論教學(xué)學(xué)生很難理解。驗(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生基本掌握講授內(nèi)容，但由于這類實(shí)驗(yàn)一般都有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟指導(dǎo)，難以提高學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)只給出需要完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，學(xué)生必須在完成大部分驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，較深入理解微機(jī)原理教材的內(nèi)容的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認(rèn)真思考，融會(huì)貫通多個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，才有能力自己按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)出硬件線路和軟件程序。在調(diào)試硬件線路和軟件程序，排除設(shè)計(jì)上錯(cuò)誤的過程中，學(xué)生對(duì)微處理器內(nèi)部資源的使用、控制時(shí)序分析、系統(tǒng)總線連接和外部接口芯片應(yīng)用等方面的理解都會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

三、創(chuàng)新性課外開放實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施

我校微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)共18學(xué)時(shí)（8學(xué)時(shí)匯編語言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，10學(xué)時(shí)接口電路實(shí)驗(yàn))，基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)屬于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，把創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置為課外開放實(shí)驗(yàn)(不在18個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi))，只給出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，讓學(xué)生有獨(dú)立思考、自由發(fā)揮、自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，綜合所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)方案，完成電路連接、匯編編程、軟硬件調(diào)試等整個(gè)設(shè)計(jì)流程。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)?zāi)艽蟠蠹由顚W(xué)生對(duì)微機(jī)原理知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)際能力。

目前微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課所用的實(shí)驗(yàn)箱硬件電路一般是固定不能更改的，缺乏靈活性，不利于開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。不過利用實(shí)驗(yàn)箱提供的擴(kuò)展功能板接口，擴(kuò)展一個(gè)基于可編程邏輯器件FPGA的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)功能板，利用FPGA芯片的可編程特性，通過使用EDA設(shè)計(jì)軟件，就可以讓學(xué)生脫離實(shí)驗(yàn)箱硬件，在EDA設(shè)計(jì)軟件上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電子線路設(shè)計(jì)。匯編語言程序設(shè)計(jì)可以在PC機(jī)上使用MASM軟件完成。在調(diào)試階段，把設(shè)計(jì)好的電路下載到創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展功能板中，然后把擴(kuò)展功能板插到實(shí)驗(yàn)箱的擴(kuò)展接口上,再下載匯編程序到80X86CPU中，進(jìn)行軟件和硬件的調(diào)試。這樣就保證了創(chuàng)新設(shè)計(jì)性課外開放實(shí)驗(yàn)的正常開展。

這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生掌握利用EDA軟件編程設(shè)計(jì)數(shù)字電路的能力。微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)是在高職高專二年級(jí)上學(xué)期開設(shè)的，在該學(xué)期一般同時(shí)也開設(shè)有EDA設(shè)計(jì)課程（有些高職高專放在三年級(jí)上學(xué)期開設(shè)），因此在學(xué)期末或三年級(jí)上學(xué)期就可以開始創(chuàng)新設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)。該開放實(shí)驗(yàn)綜合了兩門課的知識(shí)，我校的做法是將這兩門課程作為一個(gè)共同的開放性實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行，首先老師集中幾個(gè)課時(shí)分配設(shè)計(jì)任務(wù)以及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講解，然后老師利用課余時(shí)間或網(wǎng)絡(luò)分散指導(dǎo)，最后要求提交作品和設(shè)計(jì)報(bào)告并完成答辯。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展功能板主要由一片Altera公司的FPGA（EP1C6）組成，為了實(shí)現(xiàn)良好的擴(kuò)展功能，把EP1C6除了與實(shí)驗(yàn)箱擴(kuò)展接口相連的引腳外的其他引腳用插針引出來，留給設(shè)計(jì)者來連接其他設(shè)計(jì)過程中所需的電子器件（如鍵盤、LED等等）。

下面給出一個(gè)具體的綜合性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來說明創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)具體的實(shí)現(xiàn)流程。

題目要求：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)80X86擴(kuò)展外部RAM和I/O輸入和輸出，擴(kuò)展的外部16位RAM地址為0X4000～0X41FF，擴(kuò)展的外部I/O輸入為8位，要求能采用中斷方式響應(yīng)，I/O地址在0X0000～0X01FF之間，擴(kuò)展的外部I/O輸出為8位，地址在0x0200～0x03FF之間，編寫一個(gè)匯編程序，響應(yīng)外部中斷，讀入外部I/O輸入的數(shù)據(jù)，將高4位和低4位相加，結(jié)果存放到外部RAM中，并通過擴(kuò)展的外部輸出I/O輸出。

該創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用到以下多個(gè)基本概念和知識(shí)點(diǎn)：（1）地址總線、數(shù)據(jù)總線的作用，片選信號(hào)的功能和作用；（2）外部RAM存儲(chǔ)器的連接和讀寫操作；（3）外部擴(kuò)展I/O芯片的連接和讀寫操作；（4）地址譯碼，內(nèi)存空間和IO空間的地址分配；（5）外部中斷的產(chǎn)生和響應(yīng)；（6）FPGA 創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)功能板硬件；（7）QuartusII集成開發(fā)環(huán)境的使用、VHDL硬件描述語言以及80X86匯編語言編程技能（8）微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課所用的實(shí)驗(yàn)箱硬件電路與FPGA創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)功能板硬件的聯(lián)合調(diào)試技巧等。

具體實(shí)現(xiàn)流程如下圖：

微機(jī)原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)流程

上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)重要特色與創(chuàng)新是：使用Altera提供的集成開發(fā)環(huán)境QuartusII和VHDL語言在PC機(jī)上設(shè)計(jì)FPGA創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)功能板硬件，靈活性大，而且節(jié)省了硬件開發(fā)成本，若以后設(shè)計(jì)其他電路要修改相關(guān)硬件，只要重新編寫程序后再編譯電路，重新下載就完成硬件電路的修改，非常方便，很適合學(xué)生開展創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)。

QuartusII軟件提供了不少庫元件可以供設(shè)計(jì)過程中直接調(diào)用，包括常用的74系列集成電路、各種類型的邏輯門和針對(duì)FPGA內(nèi)部資源定制的MegaFunction（如RAM模塊lpm_ram_dp0）?？梢杂肍PGA中的74373替代微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中用到的8282，用FPGA內(nèi)部的M4K RAM作外部RAM，用74245替代8286，地址譯碼功能用VHDL語言描述實(shí)現(xiàn)。除此之外，完全可以另辟蹊徑，使用VHDL語言編程，把鎖存器和雙向總線緩沖器功能集成到一個(gè)Block中實(shí)現(xiàn)。此外，地址譯碼部分也可以自由修改，把RAM和外部輸入輸出I/O分配到其他地址空間中。

四、結(jié)語

基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基本上都是學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上詳細(xì)的指導(dǎo)一步一步完成，適用于驗(yàn)證理論教學(xué)教材上的知識(shí)點(diǎn)，但難以激發(fā)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考的熱情以及進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在高職高專微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中嘗試引入EDA技術(shù)，利用可編程邏輯器件在數(shù)字電路設(shè)計(jì)方面的可編程特性，可以很靈活方便地開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)性課外開放實(shí)驗(yàn)。把具有開拓思維和創(chuàng)新性質(zhì)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以課外開放實(shí)驗(yàn)的形式開設(shè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和課時(shí)少等方面的不足，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，提高學(xué)生對(duì)綜合性問題的解決能力，能有效地培養(yǎng)高職高專學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

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責(zé)任編輯：夏煥堂