“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程綜合改革

何永玲， 余華芳

(廣東藥科大學(xué) 醫(yī)藥信息工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程綜合改革

何永玲， 余華芳

(廣東藥科大學(xué) 醫(yī)藥信息工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

本文分析了“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程特點(diǎn)，針對(duì)我校電子信息工程專業(yè)課程設(shè)置和培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)實(shí)施中引入EMU8086和Proteus等先進(jìn)的仿真設(shè)計(jì)軟件，對(duì)課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)踐表明，改革后課程銜接更自然，課程重點(diǎn)更突出，教學(xué)效率有顯著提高。

微機(jī)原理與接口技術(shù)；EMU8086；Proteus

0 引言

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是電子信息工程專業(yè)的一門重要主干課程，也是理工科學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)及常用接口技術(shù)的入門課程，在各門專業(yè)課及基礎(chǔ)專業(yè)課之間起著承上啟下的銜接作用。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生從應(yīng)用的角度出發(fā)，在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上掌握微型計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、接口電路及硬件的連接，建立系統(tǒng)的整體概念，具有微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的初步能力[1]。

本課程內(nèi)容兼顧了硬件和軟件兩方面，具有涉及知識(shí)面廣、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。

針對(duì)該課程的特點(diǎn)以及我校電子信息工程專業(yè)的課程設(shè)置情況，我們嘗試著將該課程與“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程進(jìn)行整合和優(yōu)化，整合后，兩門課程各自內(nèi)容精煉且無(wú)重復(fù)，結(jié)構(gòu)更趨合理。同時(shí)在該實(shí)踐教學(xué)中，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入先進(jìn)的虛擬仿真和設(shè)計(jì)技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

1 “微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程特點(diǎn)

1.1 課程涉及知識(shí)面廣，學(xué)習(xí)難度大

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”這門課程主要講述計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理，通過(guò)分析CPU、存儲(chǔ)器、總線、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備，使學(xué)生熟悉這四大部件的結(jié)構(gòu)及功能，掌握計(jì)算機(jī)的工作方式以及計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和控制過(guò)程，同時(shí)還要掌握對(duì)應(yīng)CPU的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法和相關(guān)接口的具體應(yīng)用，該課程的內(nèi)容覆蓋面廣、內(nèi)容多、知識(shí)更新快，難度大、較抽象。再加上學(xué)生普遍有一種“重軟件，輕硬件”心態(tài)，對(duì)課程不加重視，歷來(lái)的反映是“教師難教，學(xué)生難學(xué)”。

1.2 實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)踐環(huán)境要求高

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程是一門實(shí)用性和動(dòng)手性能力要求高的計(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)。但是在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱上，大部分連線已經(jīng)固定，學(xué)生實(shí)際操作較少也較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)未能使學(xué)生對(duì)理論課程內(nèi)容有深刻的感性理解；另一方面，學(xué)生沒(méi)有良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，課后實(shí)踐時(shí)間和機(jī)會(huì)很少[2]。

1.3 在課程體系中地位重要

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程以“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”以及“高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”為前導(dǎo)課程，其后續(xù)課程眾多，如“單片機(jī)技術(shù)”、“可編程控制器原理及應(yīng)用”、“DSP 原理及應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”等都需要它作為學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。很多學(xué)校由于專業(yè)設(shè)置學(xué)時(shí)有限，很多課程無(wú)法開設(shè)，但是為了讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的思想，僅僅開設(shè)一門微機(jī)原理與接口技術(shù)課程，可見(jiàn)該門課程的重要性。

2 我校電子信息工程專業(yè)課程設(shè)置

我校電子信息工程專業(yè)2010年開始招生，是硬件與軟件結(jié)合，面向應(yīng)用的技術(shù)型專業(yè)。專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)是把學(xué)生培養(yǎng)成掌握電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息工程、通信工程技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)、基本技能的高素質(zhì)、實(shí)用性、富有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才?；谀壳捌髽I(yè)的需求，選擇嵌入式系統(tǒng)為本專業(yè)的電子應(yīng)用型人才培養(yǎng)方向。相關(guān)課程設(shè)置包括：專業(yè)基礎(chǔ)課程里的“電路分析基礎(chǔ)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”，專業(yè)課程里的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用”；特色課程里的“EDA技術(shù)與應(yīng)用”、“DSP技術(shù)及應(yīng)用”；實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)里有電子工藝實(shí)習(xí)、電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)論文。

從上面的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和課程設(shè)置可以看出，在整個(gè)課程體系里，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是處于一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，為專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以及特色課起到了承上啟下的作用，如圖1所示。

圖1 電子信息工程專業(yè)硬件課程設(shè)置圖

3 課程改革的具體內(nèi)容

3.1 課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容組織的指導(dǎo)思想是：從基本概念、基本分析方法和基本能力的培養(yǎng)入手，在保證基礎(chǔ)的前提下，吸收計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中涌現(xiàn)的新技術(shù)，科學(xué)合理地更新課程內(nèi)容，保持先進(jìn)性和時(shí)代性[3]。課程內(nèi)容上，還是保持CPU、存儲(chǔ)器、總線和接口的四大主件，主要側(cè)重CPU及其對(duì)應(yīng)匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器上面，將接口和總線的大部分內(nèi)容放到“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程里。這在某種程度上減少了該門課程內(nèi)容，降低了難度，同時(shí)對(duì)于課程銜接很有好處，使微機(jī)原理和單片機(jī)原理兩門課程各有側(cè)重，便于學(xué)時(shí)分配和內(nèi)容精講。

具體來(lái)講，選擇英特爾8086 CPU 為微處理器部分的主要內(nèi)容，詳細(xì)講解其BIU 和 EU架構(gòu)、管腳信號(hào)、總線時(shí)序、指令系統(tǒng)(匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì))、存儲(chǔ)器管理和配置、中斷系統(tǒng)等；I/O 接口部分以并行接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器接口為例，重點(diǎn)講解 I/O 接口的基本原理及典型電路。同時(shí)將Cache、超標(biāo)量流水、虛擬存儲(chǔ)器、分支預(yù)測(cè)、PCI 總線和多核處理器等現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)中具有代表性的新技術(shù)合理引入到教學(xué)中來(lái)。這種內(nèi)容組織有利于學(xué)生對(duì)微機(jī)基本原理的學(xué)習(xí)，避免糾纏于高端CPU 等一些技術(shù)細(xì)節(jié)中，簡(jiǎn)化基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，同時(shí)開闊了學(xué)生的視野，也為他們以后的學(xué)習(xí)和研究作了鋪墊。

3.2 虛擬仿真和先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的使用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器和仿真技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的利器。同樣，將這些現(xiàn)代仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)中，彌補(bǔ)課堂教學(xué)中只有枯燥講解而缺乏實(shí)際操作環(huán)境的不足，可以大大提高教學(xué)質(zhì)量。

1) EMU8086 仿真軟件的使用

在講解尋址方式的過(guò)程中，涉及到CPU內(nèi)部寄存器和外部存儲(chǔ)單元內(nèi)容等問(wèn)題，學(xué)生往往會(huì)覺(jué)得枯燥和難以理解。在課堂上使用EMU8086 仿真軟件可以很好地解決此問(wèn)題。EMU8086 是基于 8086 CPU 的仿真軟件，與8086 的功能十分相近，它能模擬真實(shí)微處理器的每一步驟，并顯示內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)器、堆棧、變量和標(biāo)志寄存器，而且其中任何一個(gè)數(shù)值都可通過(guò)鼠標(biāo)雙擊來(lái)改變[4]。圖2和圖3是EMU8086 窗口界面功能模塊和內(nèi)存單元信息圖。由圖可知，程序可以單步執(zhí)行或全速執(zhí)行，每步執(zhí)行過(guò)程中，各寄存器內(nèi)容變化一目了然，學(xué)生可以設(shè)置觀察窗口觀察變量與堆棧變化等，形象具體，容易理解。學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)均可在EMU8086 仿真軟件上完成，無(wú)需在指定實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)箱上操作，十分方便。

2) Proteus仿真設(shè)計(jì)軟件的使用

傳統(tǒng)的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)大部分在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行。在操作實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樯险n時(shí)間有限，學(xué)生沒(méi)有足夠時(shí)間對(duì)一些異?，F(xiàn)象或預(yù)期之外的情況進(jìn)行仔細(xì)觀測(cè)、研究和試驗(yàn)。加之由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大部分連線已經(jīng)固定，學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)操作過(guò)少，只需要連接少量引線即可完成，實(shí)驗(yàn)未能使學(xué)生對(duì)理論課程內(nèi)容有深刻的感性理解。甚至由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口的頻繁插拔，造成設(shè)備的損壞而一時(shí)難以修復(fù)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了先進(jìn)的虛擬儀器仿真技術(shù)Proteus，來(lái)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的缺陷，增加實(shí)驗(yàn)的靈活性，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。

Proteus是一款嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真軟件，可以分析、仿真各種模擬器件和集成電路，同時(shí)提供示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等虛擬儀器儀表。在Proteus7.5SP3 版本中，已經(jīng)開始提供對(duì)8086芯片及相關(guān)接口的支持，可以用于微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真[5]。

圖2 Emulator 窗口界面功能模塊

圖3 Emulator 內(nèi)存單元查看方法圖

圖4給出了一個(gè)利用 8086 CPU、8255A進(jìn)行開關(guān)實(shí)驗(yàn)的仿真原理圖，加上相應(yīng)匯編程序，則可實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制LED亮滅的仿真。同樣地，我們可以利用 Proteus 實(shí)現(xiàn)微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的內(nèi)存擴(kuò)展、并行接口、串行接口、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換、中斷等實(shí)驗(yàn)[6]。同時(shí)，也可以利用 Proteus仿真軟件進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的綜合知識(shí)應(yīng)用能力。

圖4 Proteus仿真開關(guān)控制LED實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)的整合優(yōu)化，該課和后續(xù)課程之間的銜接以及課程本身的重點(diǎn)更加明顯，教學(xué)效率更高。在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入EMU8086和Proteus后，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性有了明顯提高，課堂氣氛活躍，參與度高，上課和實(shí)驗(yàn)效果更好。對(duì)相關(guān)后續(xù)課程和設(shè)計(jì)的跟蹤調(diào)查也表明，學(xué)生在此課程中普遍提高了知識(shí)綜合和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

(何永玲等文)

[1] 鄭學(xué)堅(jiān),周斌.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].第3版.北京:清華大學(xué)出版社,2007:421-422.

[2] 陳治明.微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)優(yōu)化[J]. 北京: 計(jì)算機(jī)教育,2011(11):78-81.

[3] 王志軍,王克義，楊延軍.微機(jī)原理教學(xué)中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J]. 北京:計(jì)算機(jī)教育,2010(7):64-66.

[4] 谷兆麟.基于 EMU8086 的微機(jī)系統(tǒng)的輔助學(xué)習(xí)方法[J]. 天津:天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006,16(4):26-28.

[5] 喬建華,李臨生,田啟川. Proteus 在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2008,30(3):70-73.

[6] 吉向東, 李新鄂. 基于Proteus的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)仿真[J]. 哈爾濱:信息技術(shù), 2010(2):36-39.

Comprehensive Reform of Microcomputer Principle and Interface Technology Course

HE Yong-ling, YU Hua-fang

(CollegeofMedicalInformationEngineering,GuangdongPharmaceuticalUniversity,Guangzhou510006,China)

The characteristics of Microcomputer Principle and Interface Technology course are analyzed. Aimed at the curriculum settings and training target on the specialty of electronic information engineering in our school, the content and structure of this course are optimized and the advanced simulation softwares of EMU8086 and Proteus are introduced in teaching practice. The reformation practice indicated that the connections between this course and others are more closely, the emphasis of the course is more highlighted and the teaching efficiency is remarkably improved.

microcomputer principle and interface technology；EMU8086；Proteus

2016-07-22;

2016-09- 30

廣東藥學(xué)院教改項(xiàng)目(GYJGYB201511);廣東藥學(xué)院“微機(jī)原理與接口技術(shù)”優(yōu)質(zhì)課程項(xiàng)目

何永玲(1981-)，女，碩士，講師，主要從事微型機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)和研究工作，E-mail：524932995@qq.com

G420

A

1008-0686(2017)03-0098-04