基于螺旋式的“微機原理與應(yīng)用”教學體系研究和探索

李小立　王榮輝

摘要:隨著微型計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)出來,使肩負著培養(yǎng)學生掌握計算機基礎(chǔ)知識、基本原理和應(yīng)用的微機原理與應(yīng)用課程面臨巨大挑戰(zhàn)。作者經(jīng)過多年的教學實踐,探索出突出基本原理、理解實現(xiàn)技術(shù)、掌握應(yīng)用方法和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學體系。本文對此進行了詳細閘述。

關(guān)鍵詞:螺旋式;模型計算機;系統(tǒng)結(jié)構(gòu);總線;CPU

中圖分類號:G642文獻標識碼:B

1引言

人們認識事物總是由表及里,由局部到整體,由具體到抽象,由低級到高級循環(huán)往復(fù)逐步提高的螺旋式過程。在“微型計算機原理及應(yīng)用”的教學實踐中,面對著僅僅學過“C語言程序設(shè)計”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”的當代學生,以及伴隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用不斷涌現(xiàn)出來的新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用領(lǐng)域,如何激發(fā)學生們的學習積極性和主動性,培養(yǎng)其綜合應(yīng)用計算機技術(shù)解決問題的能力和創(chuàng)新能力,一直是大家努力摸索的主題。本文基于多年的教學實踐,總結(jié)出突出基本原理、理解實現(xiàn)技術(shù)、貼近現(xiàn)實、掌握應(yīng)用方法的螺旋式教學體系。

2理清課程主線、突出基本原理

2.1從具體技術(shù)實現(xiàn)中增強感性認識

圍繞計算機的兩個本質(zhì)特征---存儲程序和自動運行,構(gòu)建一個簡化的模型計算機。詳細分析其存儲器的結(jié)構(gòu)、存儲單元地址碼、字節(jié)(Byte)、字(Word)、存儲器分配等概念,分析CPU的基本組成、結(jié)構(gòu)和工作過程,展示如何 由程序計數(shù)器PC的值從存儲器(ROM)中取出一條指令,將其中的操作碼放到指令寄存器(IR)中,由指令譯碼器(ID)譯碼后經(jīng)控制部件(CON)產(chǎn)生控制字,對指令中的操作數(shù)完成具體的操作;突出強調(diào)存儲程序和通過程序計數(shù)器PC自動指向下一條要執(zhí)行的指令在存儲器中的地址,從而程序啟動后就自動地由第一條指令執(zhí)行到最后一條停機指令。結(jié)合其工作過程的分析,說明了連接CPU、存儲器、I/O接口的總線概念;以建立完整的微型計算結(jié)構(gòu)、組成和工作原理的概念視圖;進一步深入分析控制部件(CON)的組成、工作原理,說明指令譯碼器(ID)如何將不同的指令操作碼譯為不同的高、低電平信號,在機器節(jié)拍的配合下經(jīng)控制矩陣產(chǎn)生出所需的控制字。

隨后給出幾個程序設(shè)計示例,全面、直觀、具體地認識微機系統(tǒng)的硬件組成、工作原理和應(yīng)用程序設(shè)計;并自然地從提高計算機系統(tǒng)性能的角度引入流水線技術(shù)、高速緩沖存儲器技術(shù)(Cache)、虛擬存儲器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)在微機中的應(yīng)用,完成螺旋式認知過程的第一輪循環(huán)。實踐表明:在此模型計算機硬件和指令系統(tǒng)的分析應(yīng)用過程中,很好的消除了學生對計算機概念抽象、工作原理神秘感,達到了激發(fā)學生探究知識的興趣和增強學習主動性的目的。

2. 2 適時引入典型內(nèi)容、做好跨越準備

以8086CPU為代表的16位微機系統(tǒng)在以下幾個方面對進一步學習32位機系統(tǒng)提供了技術(shù)踏腳石:

(1) 大容量(1MB)內(nèi)存儲器管理,引入分段技術(shù)

由220 = 1M可知需要20位的地址才能尋址1MB存儲空間,而CPU內(nèi)的段寄存器都是16位的,無法直接存儲這20位地址;為此將1MB的內(nèi)存空間分成16個段,每段64KB,這樣就可以在段內(nèi)用16位地址尋址了。

(2) 中斷系統(tǒng),引入了中斷向量表

通過設(shè)置中斷向量表,使得由中斷類型號可以方便地獲得中斷向量。

(3)I/O接口系統(tǒng)

引入16位端口地址,使系統(tǒng)可以管理216 = 64K個I/O端口。

有前面的學習內(nèi)容作基礎(chǔ),配合這部分的詳盡原理圖,多數(shù)同學都能順利完成對微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、匯編語言程序設(shè)計、I/O接口設(shè)計和應(yīng)用能力的再一次提高;通過分析程序存儲器,提出了該系統(tǒng)難以對用戶的應(yīng)用程序提供保護功能;內(nèi)存容量的進一步增大受到限制;一次只能進行一個用戶的一個任務(wù);系統(tǒng)吞吐量(每秒執(zhí)行指令數(shù))的提高受到限制等,自然引入以Pentium系列微處理器為代表的32位微處理器。

2.3順利過渡、貼近現(xiàn)代技術(shù)水平

以介紹解決上述問題的各種技術(shù)探索為契機,自然地引入32位微處理器Pentium從體系結(jié)構(gòu)上的概念性的改變和革新。如先進的CISC和RISC相結(jié)合的技術(shù)、超標量流水線技術(shù)和分支預(yù)測技術(shù),普遍采用流水線和指令重疊執(zhí)行技術(shù)、虛擬存儲技術(shù)、片內(nèi)二級存儲管理技術(shù)。

詳細介紹Pentium的實地址方式、保護方式、虛擬8086方式的特征和它們之間轉(zhuǎn)換過程,以及Pentium的保護技術(shù),充分體現(xiàn)現(xiàn)代微處理器如何實現(xiàn)向上兼容、對多用戶多任務(wù)的實現(xiàn)和對各級程序的保護等核心技術(shù)。

在其實現(xiàn)技術(shù)上,通過段寄存器和描述符以及保護方式的尋址機制的介紹,深刻理解和掌握Pentium微處理器的分段、分頁技術(shù);對四個特權(quán)級的描述,進一步從整體上全面認識現(xiàn)代微處理器保護技術(shù)。

為了增強同學們對計算機技術(shù)的應(yīng)用能力,對總線技術(shù)的學習是必不可少的。在眾多的各類總線技術(shù)中,選擇現(xiàn)在廣泛流行的PCI總線,從其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號、命令類型、中斷及響應(yīng)、編址及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等方面展開學習;再簡單介紹外部總線如IDE、EIDE和SCSI及RS—232C等內(nèi)容,使同學們面對電腦能夠有條理地進行分析和解決一些實際應(yīng)用問題,完成螺旋式認識過程的又一次飛躍,也為進一步提高計算機應(yīng)用水平和能力打好基礎(chǔ)。

3理解實現(xiàn)技術(shù),突出工程技術(shù)特點

在計算機教育領(lǐng)域,長期存在著教育的發(fā)展滯后于現(xiàn)實需求的現(xiàn)象,理論是高高在上的思辨,而經(jīng)驗則是最基本的實踐規(guī)則。理論不足以說明經(jīng)驗,經(jīng)驗也無法凝聚于理論結(jié)構(gòu)之中。

為了走出這一困境,應(yīng)該在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computer Architecture)、計算機組成(Computer Organization)、計算機實現(xiàn)(Computer Implementation)這三個層次建立有機的聯(lián)系。

在以8086/8088為CPU的微型機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,其組成原理相對經(jīng)典和簡單,在系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)中的核心是各類部件間的接口設(shè)計;通過分析其工作時序圖,結(jié)合有關(guān)器件的工作原理尤其是I/O特性、負載特性等,不難設(shè)計出系統(tǒng)的物理實現(xiàn),如針對8086CPU的 和16位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線,由工作時序圖就可看出需要由地址鎖存允許信號ALE控制鎖存器對其進行鎖存。

在以Pentium為CPU的微型機系統(tǒng)中,其實現(xiàn)技術(shù)就復(fù)雜得多。只有從各種總線技術(shù)、總線標準和控制芯片組等方面著手,才能清楚地說明Pentium微型計算機的總體結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)技術(shù)。

4深化課程改革,培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用能力

長期以來,“微機原理與應(yīng)用”課程相對于有些課程而言,一直有“老師難教,學生難學”的說法。經(jīng)過多年的探索和交流,我們逐步清晰地認識到產(chǎn)生這種結(jié)果的方方面面,除了日新月異的各種微機新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)推動、“老師講得多,學生理解的少”外,最主要的就是老師希冀以包辦的方式來傳授知識,忽視了學生學習的積極性和主動性的培養(yǎng);日積月累,直接導(dǎo)致了教學效果與目的的背離、壓抑了學生的創(chuàng)新能力并損害了他們的學習積極性和主動性。只有在現(xiàn)代教育理念指導(dǎo)下,對教學體系進行切合實際的改革,才能走出困境。

通過對課程自身進行縱向和橫向的分析,確定重點和難點。充分應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學手段,建設(shè)網(wǎng)上精品課程,在網(wǎng)絡(luò)平臺上向?qū)W生提供教學大綱、電子教案、網(wǎng)上答疑、并推薦網(wǎng)絡(luò)教學資源;利用網(wǎng)絡(luò)這一現(xiàn)代教學手段,打破傳統(tǒng)教學在時間和空間上的限制;鼓勵學生提出問題、提出解決方案,課堂上大家進行交流。

通過加大綜合性、設(shè)計性實驗的比重,增強學生的動手能力、規(guī)范實驗報告的撰寫;對教學計劃中安排有課程設(shè)計的專業(yè),還通過對設(shè)計題目、內(nèi)容、方案的開放,對實驗室的開放,營造一個激發(fā)同學們創(chuàng)造性設(shè)計的環(huán)境;如本院電氣專業(yè)一位同學提出了計算機在餐飲業(yè)的新應(yīng)用設(shè)計方案;

Intel公司的創(chuàng)始人之一Gordon Moore曾預(yù)言:“電子計算機CPU的性能每18個月就會翻一番”。面對這樣裂變式的知識爆炸時代,優(yōu)化教學內(nèi)容和方法、豐富教學手段無疑是所有可采取措施中的首選。

在全方位研究各基本概念和過程的本質(zhì)特征后,設(shè)計直觀、簡明和有深刻印象的方法將它們介紹給學生,并用類比、演繹、歸納等方法使兩者間建立直觀聯(lián)系,是達到良好教學效果的有效途徑;如介紹中斷系統(tǒng)時,將中斷信號的異步特性比做手機的鈴聲,何時會響鈴聲事先一般是不知道的,一旦響了,就提出了中斷請求,能否響應(yīng)這個請求是受允許位控制的;若允許響應(yīng),就可暫停當前的工作去接聽電話,聽完后再自動回來接著做原來的工作;若不允許響應(yīng),就不能夠接聽,該中斷請求就被屏蔽了。

5結(jié)束語

人們對事物的認識規(guī)律總是由低級到高級,由局部到整體,由表象到本質(zhì)循環(huán)往復(fù)、螺旋式上升的;“微機原理與應(yīng)用”課程直接面對計算機技術(shù)日新月異的新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用領(lǐng)域的擴充,如何在安排的課時內(nèi)使學生掌握計算機的有關(guān)基礎(chǔ)知識、應(yīng)用能力,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力并貼近現(xiàn)實,迫切需要有符合認知規(guī)律的教學體系來協(xié)同支持。

參考文獻:

[1] 鄭學堅,周斌. 微型計算機原理及應(yīng)用[M]. 3版. 北京:清華大學出版社,2001.

[2] 戴梅萼,史嘉權(quán). 微型計算機技術(shù)及應(yīng)用[M]. 4版. 北京:清華大學出版社,2008.

[3] 寧飛,王維華,孔宇. 微型計算機原理與接口實踐[M]. 北京:清華大學出版社,2006.

[4] 劉旭東,熊桂喜. “計算機組成原理”的課程改革與實踐[J]. 計算機教育,2009(7):76-78.

[5] 閻波,李廣軍. 關(guān)于《微機系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》課程的改革與探索[J]. 電子科技大學學報:社會科學版,2005(S1):72-74.