《微機(jī)原理及應(yīng)用》精品課程教材修訂之探討

李 鵬，文漢云，林 華 ，434023

趙立輝，雷 鳴，白 凱 （長(zhǎng)江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 湖北荊州 ）

《微機(jī)原理及應(yīng)用》課程于2004年9月被長(zhǎng)江大學(xué)批準(zhǔn)為校級(jí)精品課程。通過(guò)長(zhǎng)江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 《微機(jī)原理及應(yīng)用》精品課程建設(shè)組的全體老師的共同努力，于2005年8月公開(kāi)出版了 《微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用》教材［1］。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是微處理器的快速發(fā)展與應(yīng)用，該教材的內(nèi)容也必須要隨之作相應(yīng)修改。為此，該教材編寫(xiě)組的全體成員對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行不斷改進(jìn)和調(diào)整，并于2010年12月由電子工業(yè)出版社公開(kāi)出版該修訂教材。下面，筆者對(duì) 《微機(jī)原理及應(yīng)用》精品課程教材修訂進(jìn)行了探討。

1 教材內(nèi)容修訂

1.1 16位機(jī)是基礎(chǔ)，32位微機(jī)是重點(diǎn)

沒(méi)有16位機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)于本科生直接講32位微機(jī)，是不切合微機(jī)發(fā)展的自然規(guī)律的，也是難以實(shí)現(xiàn)的。該書(shū)由14章組成，除了 “并行接口技術(shù)”及 “模／數(shù)和數(shù)／模轉(zhuǎn)換技術(shù)”2章外，其余12章都涉及到有關(guān)32位機(jī)的原理。例如，最基本的 “微型計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)”一章，也涉及到了Pentium CPU浮點(diǎn)運(yùn)算部件的運(yùn)算基礎(chǔ)，即IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)。“微型計(jì)算機(jī)和外部之間的數(shù)據(jù)傳輸”一章，介紹了32位微處理器采用的I／O編址電路及I／O保護(hù)的概念。

1.2 保留實(shí)模式下的經(jīng)典內(nèi)容

實(shí)模式下的經(jīng)典內(nèi)容是中斷技術(shù)。在實(shí)模式下 （DOS方式下），以Intel 8259A為中斷接口芯片，實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)與所有外設(shè)并行操作，外設(shè)通過(guò)中斷方式與CPU交換數(shù)據(jù)，這是微型計(jì)算機(jī)關(guān)于中斷的硬件基礎(chǔ)，不管微型計(jì)算機(jī)工作在哪一種工作方式，其中斷的硬件基礎(chǔ)是不變的。雖然實(shí)模式與保護(hù)模式下分別轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的方式有很大區(qū)別，但都是通過(guò)中斷類(lèi)型碼轉(zhuǎn)換到中斷服務(wù)程序的入口地址，學(xué)生只有了解實(shí)模式下的中斷技術(shù)，才能夠容易理解保護(hù)模式下的中斷技術(shù)。

1.3 保留經(jīng)典實(shí)用的接口技術(shù)

由于大規(guī)模集成技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的微機(jī)把所有的接口芯片都集成到南橋芯片中了，其集成度相當(dāng)高。例如，南橋芯片82371AB內(nèi)部由下列功能部件組成：PCI總線接口；ISA總線接口；初級(jí)IDE接口；中斷控制接口；定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；DMA控制器；通用串行總線USB；通用目的輸入和輸出接口等。雖然有關(guān)于介紹南橋芯片82371AB的材料，但內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單。由于82371AB芯片內(nèi)部集成了DMA82C37、82C54和82C59A等內(nèi)容，因而要保留DMA82C37、82C54、82C59A、8255A、8250等接口芯片以及USB接口技術(shù)，這樣在教師講解上述知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，最后介紹南橋芯片82371AB，使學(xué)生建立一個(gè)完整的接口概念。

一直以來(lái)，對(duì)于RS-232C接口技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用十分廣泛。因此，不僅要保留其接口的基本內(nèi)容，而且要從實(shí)用角度出發(fā)，重點(diǎn)介紹一些有關(guān)內(nèi)容，例如，RS-232C電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換 （MAX232集成芯片）、RS-232C常用的機(jī)械與電氣特性和波特率的設(shè)置等。

1.4 保留16位CPU的存儲(chǔ)器接口技術(shù)

Intel公司16位的8086CPU，對(duì)內(nèi)存可以進(jìn)行8位或16位的尋址，將內(nèi)存分為奇字庫(kù)與偶字庫(kù)。從32位機(jī)的角度上理解，8086系統(tǒng)將內(nèi)存分為2個(gè)存儲(chǔ)體。對(duì)于CPU外部為32位數(shù)據(jù)線，其內(nèi)存分為4個(gè)存儲(chǔ)體，對(duì)于Pentium CPU，外部數(shù)據(jù)線是64位，其內(nèi)存分為8個(gè)存儲(chǔ)體。若學(xué)生理解了16位存儲(chǔ)器的內(nèi)容，也能夠理解微機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的組成原理。

1.5 保留虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)、高速緩存技術(shù)及超標(biāo)量流水線技術(shù)

虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)、高速緩存技術(shù)及超標(biāo)量流水線技術(shù)是微型計(jì)算機(jī)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，因而將涉及到虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)和高速緩存技術(shù)的內(nèi)容分為2章介紹，其中虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)在新增的 “虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)及存儲(chǔ)保護(hù)”一章中介紹，而高速緩存技術(shù)在 “存儲(chǔ)器系統(tǒng)”一章中介紹，超標(biāo)量流水線技術(shù)則在 “32位微處理器Pentium”一章中介紹，這樣可將難點(diǎn)與重點(diǎn)分開(kāi)。

1.6 以Intel公司的IA-32系列微處理器為主線，直接介紹32位指令系統(tǒng)

由于32位CPU兼容了16位機(jī)的所有指令系統(tǒng)，所以，應(yīng)以介紹32位機(jī)的尋址方式與指令系統(tǒng)為主，而以介紹16位CPU的指令系統(tǒng)為輔。

以MASM 6.0為開(kāi)發(fā)工具，既能介紹完整段匯編語(yǔ)言編程，也能介紹簡(jiǎn)化段匯編語(yǔ)言編程，并且都以大量程序例子進(jìn)行說(shuō)明，這樣便于學(xué)生上機(jī)練習(xí)。最后，介紹WIN32匯編語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行程序來(lái)介紹32位匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，為學(xué)生提供如何在WINDOS下實(shí)現(xiàn)32位匯編語(yǔ)言編程的具體方法。

1.7 在 “總線與微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”一章新增多核技術(shù)

多核技術(shù)的主要內(nèi)容是將多個(gè)處理器核心集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，各處理器核心耦合緊密，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)多處理器系統(tǒng)。多核心處理器就是基于單個(gè)半導(dǎo)體的一個(gè)處理器上擁有多個(gè)功能相同的處理器核心，這一多處理器系統(tǒng)中的多個(gè)處理器核心能夠有效地并行執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程或線程，可以同時(shí)共享系統(tǒng)總線、內(nèi)存等資源。

Intel多核處理器結(jié)構(gòu)發(fā)展很快，分為2個(gè)核、4個(gè)核以及更多個(gè)核，內(nèi)部高速緩存級(jí)數(shù)在增加，存儲(chǔ)容量也在增加。因此，應(yīng)從最基礎(chǔ)的知識(shí)方面介紹多核技術(shù)，對(duì)目前Intel新一代的處理器——Nehalem構(gòu)架的酷睿i5和酷睿i7處理器具有的諸多先進(jìn)特性，要作為重點(diǎn)內(nèi)容介紹。

2 教材結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

修訂該教材的原則是保留經(jīng)典內(nèi)容、更新相關(guān)技術(shù)、注重實(shí)踐與應(yīng)用、化難為易便于自學(xué)。根據(jù)上述原則，在修訂中應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：①總體上以IA-32微處理器為背景，重點(diǎn)介紹微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)、高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)及接口技術(shù)等。②詳細(xì)介紹Pentium的3種工作方式，重點(diǎn)闡述保護(hù)方式。在介紹系統(tǒng)寄存器工作的基礎(chǔ)上，詳盡闡述段頁(yè)式2級(jí)存儲(chǔ)器管理機(jī)制及存儲(chǔ)保護(hù)。③保留DOS下的中斷機(jī)制，新增保護(hù)方式下的中斷原理。此外，介紹了32位I／O端口譯碼技術(shù)并同時(shí)引入I／O保護(hù)的內(nèi)容。④全面介紹32位微處理器的基本指令集，也涉及到16位指令系統(tǒng)，徹底改變了先講16位指令集再簡(jiǎn)單介紹32位指令的局面。⑤介紹了MASM6.X宏匯編程序下的完整段與簡(jiǎn)化段的程序設(shè)計(jì)，新增了WIN32匯編語(yǔ)言集成環(huán)境下的32位匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，案例豐富，分析透徹，實(shí)用性強(qiáng)，便于調(diào)試。⑥鑒于并行打印機(jī)接口與RS-232C串行通信接口的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)十分普遍，詳細(xì)介紹其接口組成、工作原理及開(kāi)發(fā)技術(shù)。⑦介紹計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成，包括南、北橋芯片組的介紹，使學(xué)生建立微型計(jì)算機(jī)的整體概念。南橋芯片中集成了所介紹的82C54、82C59、82C37等接口芯片，為學(xué)生提供一個(gè)完整的接口概念。

［1］李華貴，李鵬，文漢云，等 .微機(jī)原理與接口技術(shù) ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.