《微機原理及應用》課程的教學研究與實踐

摘 要：《微機原理及應用》課程理論性及實踐性強、概念抽象、知識點多，學生學習難度大。通過多年的教學研究與實踐，在教學目的、理論教學和教學方法上提出了一些自己的見解和經(jīng)驗。實踐證明能調(diào)動學生的學習積極性，改善教學效果。

關(guān)鍵詞：微機原理及應用；教學研究；實踐

中圖分類號：TP301-4

《微機原理及應用》課程是高校電氣、自動化、電子、機械、計算機等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學習和掌握微機組成、工作原理、接口技術(shù)及匯編語言程序設(shè)計的重要課程，學生通過該課程的學習能夠具備微型計算機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)和應用的基本能力[1，2]，學習的好壞直接影響到后續(xù)課程的學習效果。本課程知識點多、概念抽象、實踐性強，對于缺乏計算機硬件基礎(chǔ)知識的同學來說，入門較難，概念的理解、原理的認識尤其困難。大多數(shù)學生反映學起來吃力，難以理解和掌握，更不用說應用了。通過多年的教學研究和實踐，筆者積累了一定的經(jīng)驗供同行參考，以期達到提高教學效果的目的。

1 明確課程的地位和目標

《微機原理及應用》在我學院電類專業(yè)的第五學期開設(shè)。在學習這門課程之前，學生學習了《計算機基礎(chǔ)》、《C語言程序設(shè)計》、和《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》等相關(guān)的基礎(chǔ)課程。本門課是在這些課程的基礎(chǔ)上介紹微機各組成部分的工作原理和接口技術(shù)，既有硬件知識，又有軟件知識，在專業(yè)培養(yǎng)中起著承前啟后的作用，是后續(xù)的《單片機原理及應用》、《嵌入式系統(tǒng)》、《計算機控制》等課程的重要基礎(chǔ)。

本門課程的教學目標就是讓學生認識到如何將CPU、存儲器芯片、接口芯片等組成一個硬件系統(tǒng)，以及怎樣編程讓這些芯片協(xié)同工作去解決實際問題。

2 理論教學的研究與實踐

學生之前只學過《C語言程序設(shè)計》（該門課所學內(nèi)容跟硬件幾乎沒有關(guān)系）和《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（該門課所學內(nèi)容牽涉不到程序設(shè)計），所以從學生的角度來看《微機原理及應用》這門“軟硬兼施”的課程確實是比較難學。如果課堂教學不能將抽象的內(nèi)容變得易于理解，教學效果就很難得到保證。因此，教師一定要換位思考，因材施教，不斷提高自己的教學水平，提高學生的學習興趣和學習積極性。

2.1 硬件方面的教學研究

在介紹8086引腳的時候，可以結(jié)合8086最小模式系統(tǒng)進行敘述，目的是讓學生知道8086的引腳和外圍的地址鎖存器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、存儲器（或I/O接口）之間是如何連接的，一方面讓學生掌握引腳信號的傳輸方向，一方面是讓學生建立系統(tǒng)的概念和了解系統(tǒng)的組成。

8086的有些引腳是“孤軍奮戰(zhàn)”（單獨起作用），比如說復位信號RESET。有些引腳是協(xié)同作戰(zhàn)，比如說、和，把相關(guān)的引腳放在一起介紹可以幫助學生掌握這一組引腳如何共同實現(xiàn)作用。

在授課過程中，教師不必拘泥于教材章節(jié)的順序，可根據(jù)教學需要進行調(diào)整。8086的有些引腳可以不在8086微處理器這一章進行介紹。比如說放在存儲器擴展時進行介紹；HOLD和HLDA放在輸入輸出里面去介紹；INTR、NMI、放在中斷里面去介紹。這樣就做到了學以致用，學生更容易理解8086這些引腳的含義和作用。

2.2 軟件方面的教學研究

8086指令系統(tǒng)中包含2萬多條指令，其中有133條基本指令。面對如此之多的指令，怎么樣才能讓學生在較短的時間內(nèi)掌握呢？通過多年的教學研究，總結(jié)出以下幾點供參考，希望起到拋磚引玉的作用。

有些指令里面的操作數(shù)是隱含的，比如說MUL乘法指令里面只提供了一個乘數(shù)，而另外一個乘數(shù)由誰來提供？乘積保存到哪里去？這些都是隱含的。如果進行的是字節(jié)乘法，另外一個8位的乘數(shù)默認由AL寄存器提供；如果進行的是字乘法，另外一個16位的乘數(shù)默認由AX寄存器提供。如果是進行的字節(jié)乘法，則乘積不超過16位，默認為AX保存乘積；如果是進行的字乘法，則乘積不超過32位，默認為DX和AX共同保存乘積。由上面的敘述可知，隱含的8位寄存器是AL，隱含的16位寄存器是AX，隱含的32位是DX和AX。類似的指令還有除法指令DIV、CBW、CWD等等。如果學生掌握了這些“潛規(guī)則”，則對指令的掌握會有很大的幫助，進而會提高閱讀分析程序和編寫程序的水平。

在介紹移位指令、循環(huán)移位指令、循環(huán)轉(zhuǎn)移類指令時，因為這些指令都會牽涉到移位（或循環(huán)）次數(shù)的問題，可以學生記住Counter（計數(shù)器）這個單詞，在移位指令和循環(huán)移位指令中，由于移位次數(shù)比較少，所以在指令中用CL這個8位寄存器來提供移位次數(shù)；而在循環(huán)轉(zhuǎn)移等指令中，由于循環(huán)次數(shù)比較多，所以用CX這個16位寄存器來提供循環(huán)次數(shù)。

教師在教學過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，潛心研究，一定能找出很多上述的規(guī)律，這樣對教學可以起到事半功倍的效果，學生也更容易接受。

2.3 “軟硬兼施”方面的教學研究

在介紹指令時，應該告訴學生某些指令的執(zhí)行會引起CPU哪些引腳產(chǎn)生什么樣的變化。比如說指令MOV AX，[1000]實現(xiàn)的是將存儲器單元的數(shù)據(jù)傳送到CPU內(nèi)部的AX寄存器，說明訪問的是存儲器，屬于讀操作，因此該指令在執(zhí)行時，8086的引腳輸出高電平（訪問存儲器），輸出低電平（讀入操作），輸出高電平（在進行讀入操作時，寫信號是無效的）。

同樣的，IN/OUT指令也會引起CPU的、和引腳信號的變化，從而實現(xiàn)對接口芯片的輸入/輸出。

在掌握了指令的執(zhí)行對引腳信號的變化這些知識以后，最終要讓學生達到編程控制接口芯片的目的。比如在一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如何編程讓ADC0809的START信號有效從而啟動A/D轉(zhuǎn)換；如何編程去查詢ADC0809的轉(zhuǎn)換是否已經(jīng)結(jié)束；如何編程讓OE信號有效使得ADC0809輸出轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)。

采用這種方式教學，一方面可以鞏固學生前面所學到的知識，另外一方面可以幫助學生建立“指令運行硬件系統(tǒng)”的概念，同時也可以提高學生調(diào)試微機應用系統(tǒng)的能力。

2.4 比喻法在教學中的應用研究

本課程的內(nèi)容嚴謹，容易造成課堂氣氛沉悶，讓學生覺得該課枯燥乏味，失去學習興趣[3]。實際上，微機系統(tǒng)各部件間的工作過程類似于人與人的交流過程，因此教師在授課過程中，要善于把抽象的概念用現(xiàn)實生活里面的人類行為聯(lián)系起來，這樣有助于學生的聯(lián)想、理解和記憶，提高學生的學習興趣和學習積極性。

（1）指令隊列緩沖器

在講解指令隊列緩沖器時可以食堂打飯為例來介紹。假設(shè)食堂的打飯窗口只允許排最多6人的隊伍（相當于指令隊列緩沖器），其余人員（相當于指令）只能在食堂外（相當于存儲器）等待。食堂工作人員（相當于執(zhí)行部件EU）每給一人打飯（相當于執(zhí)行指令）結(jié)束以后，隊伍里原來排在第二位的就自動向前移動成為第一位，依此類推（讓學生理解指令隊列緩沖器的FIFO，先進先出），當隊伍只剩下4個人時（也就是隊伍空余2個位子），在食堂外等待的人才能依次進來（相當于取指令）。食堂工作人員給人打飯是需要時間的（相當于執(zhí)行指令），食堂外等待的人進來加入隊伍也是需要時間的（相當于取指令）。正是由于指令隊列緩沖器的存在，實現(xiàn)了執(zhí)行指令和取指令的并行工作，有效地提高了CPU的工作速度。

（2）段地址和偏移量

在講解段地址和偏移量時可以教學樓為例來介紹。我們的教學樓編號是以S表示南樓、N表示北樓、E表示東樓、W表示西樓，每幢樓有五層，每層有教室若干。如果上課的教室門牌號碼是S218，則表示是南樓的218教室。整個教學樓相當于存儲器，每幢樓可以理解為存儲器的一個段，每個教室相當于一個存儲單元，教室里面的人相當于存儲單元的內(nèi)容。如果只知道該教室在S樓（可以理解為段地址），或者只知道該教室是218（可以理解為偏移量），都是不能找到該教室的。所以要找某一個教室必須要有一個完整的地址（也就是要訪問存儲器的某個存儲單元，必須要明確段地址和偏移量，也就是物理地址）。當然，如果已經(jīng)知道了教室在S樓，那就只需要知道教室門牌的后3位數(shù)字即可（也就是如果知道了某個存儲單元所在的段地址，那就僅需要偏移量就能找到該存儲單元）。

（3）堆棧

在介紹堆棧時，我會拿我經(jīng)常含服的潤喉片（塑料瓶裝）為例來講解入棧和出棧的過程。在藥廠生產(chǎn)的時候，瓶底相當于棧底，每裝入一片潤喉片，頂部就上移。等客戶買回潤喉片含服時，每取出一片潤喉片，頂部就下移?？蛻羧〕龅牡谝黄撬帍S最后裝入的（LIFO，后進先出），客戶取出的最后一片是藥廠最先裝入的（FILO，先進后出）。同時讓學生理解入棧和出棧時，棧頂?shù)奈恢檬遣粩嘣诟淖兊摹?/p>

（4）中斷

中斷一般是指由于隨機事件的發(fā)生，CPU暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)而處理隨機事件，處理完畢再返回到被打斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。學生在學習時往往不太明白中斷的完整過程是什么，這時就可以用實際生活的例子來解釋。在講解中斷概念時可以家長找學生為例來介紹。教師（相當于CPU）正在上課（相當于執(zhí)行程序）時，有家長（中斷源）在教室門口向教師示意要找人（相當于中斷請求），這時可能出現(xiàn)兩種情況：一種是教師不愿意停止講課（相當于中斷允許標志位IF=0），家長就無法找到學生；另一種可能是教師愿意停止講課（相當于中斷允許標志位IF=1），讓相應學生離開教室（相當于中斷服務）后，教師繼續(xù)從剛才被打斷的地方繼續(xù)講課。

3 結(jié)束語

在教學過程中，教師的教學水平很大程度上影響了學生的學習興趣和學習結(jié)果。經(jīng)過多年的教學研究與實踐，本文針對《微機原理及應用》課程在教學中存在的問題，分別從課程的地位和教學目標、理論教學、教學方法等方面提出了一些自己的見解和實踐經(jīng)驗，目的是調(diào)動學生的學習積極性，改善教學效果，減少學生對《微機原理及應用》課程的畏難情緒，激發(fā)學生對計算機相關(guān)軟硬件知識的學習興趣，充分調(diào)動學生的主觀能動性，為培養(yǎng)學生軟硬件綜合設(shè)計能力創(chuàng)造良好的教學平臺，為把學生培養(yǎng)成為“卓越工程師”打下堅實的基礎(chǔ)。實踐證明，這些嘗試和探索在學生學習興趣培養(yǎng)、抽象知識理解等方面取得了良好效果。

參考文獻：

[1]薛明.“微機原理與接口技術(shù)”課程教學改革淺談[J].中國電力教育，2013，8（267）：39-40.

[2]王先春，郭杰榮.微機類課程教學改革研究及實踐[J].中國電力教育，2009，7（141）：81-82.

[3]陳得寶，楊一軍，李崢.比喻法在《微機原理及應用》教學中的應用[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2013，3（34）：87-90.

作者簡介：于海東（1966-），男，江蘇海安人，副教授，碩士，研究方向：微機應用及EDA；李彬，副教授。

作者單位：揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225127

基金項目：揚州大學2010年教學改革課題基金資助項目。