微機(jī)原理課程改革探索

張力　蔡茂國　錢恭斌

摘 要 文章針對(duì)信息工程學(xué)院電子信息工程和通信工程兩個(gè)本科專業(yè)的微機(jī)原理教學(xué)中存在的問題，探討了對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革的初步嘗試。首先在內(nèi)容上增加計(jì)算機(jī)組成與構(gòu)成部分章節(jié)作為課程的導(dǎo)入，一開始就消除學(xué)生對(duì)微機(jī)的神秘感。另外，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行大膽裁剪，保留8088最核心最基礎(chǔ)的部分，又注入了新鮮的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的元素。此外，提出了激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、注重知識(shí)銜接，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，以全面提升微機(jī)原理的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 微機(jī)原理 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu) 課程改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.038

Abstract In view of the problems existing in the teaching of Microcomputer Principles for two undergraduate majors in electronic information engineering and communication engineering of Information Engineering College， this paper probes into the teaching reform of the course. First of all， to increase the content of the computer components and components of the chapter as an introduction to the course， the beginning of the students to eliminate the mystery of the computer. In addition， the content of teaching materials bold cut， retain 8088 of the core， the most basic part， but also injected new elements of modern computers. In addition， the teaching methods of stimulating learning enthusiasm， emphasizing knowledge connection and increasing designing experiment are put forward， so as to improve the teaching quality of microcomputer principle.

Keywords microcomputer principal； computer composition and structure； course reform

微機(jī)原理是工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)類的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，其主要教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生從理論和實(shí)踐方面掌握微機(jī)的基本組成、工作原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)方法、接口電路及硬件電路的連接，建立微機(jī)系統(tǒng)的整體概念。由于該課程的教學(xué)內(nèi)容十分豐富，對(duì)于非計(jì)算機(jī)本科專業(yè)的學(xué)生而言，這門課程實(shí)際上包含了微機(jī)原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)和微機(jī)接口技術(shù)等計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，加上課程概念多、專有名詞多、接口芯片多，內(nèi)容抽象，對(duì)于初學(xué)者來說較難，因此長期以來被同學(xué)列為學(xué)習(xí)困難的課程之一，甚至有同學(xué)私下稱之為“危機(jī)原理”。針對(duì)微機(jī)原理目前存在的教師教授辛苦，學(xué)生學(xué)習(xí)效果欠佳的現(xiàn)狀，必要的課程教學(xué)改革迫在眉睫。

總體而言，我們整個(gè)微機(jī)課程主要圍繞Intel的微處理器8088展開，這款CPU是第一臺(tái)IBM PC機(jī)使用的中央處理器，必須承認(rèn)該CPU的強(qiáng)大和代表性。雖然只有40個(gè)引腳，和目前大量使用的51單片機(jī)的引腳數(shù)和封裝相同，但在近40年前8088是劃時(shí)代的CPU，因?yàn)樗瘟说谝淮鶬BM PC機(jī)及IBM PC/XT商用機(jī)，直到1984年，在IBM PC/AT機(jī)上采用了Intel新的80286 CPU，8088才退出了歷史的舞臺(tái)。當(dāng)然目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了第一臺(tái)商用個(gè)人電腦的水平，計(jì)算機(jī)的內(nèi)核大都采用雙核或多核構(gòu)造，其復(fù)雜度也是數(shù)量級(jí)的增加，但任何一個(gè)大學(xué)不可能開設(shè)最新計(jì)算機(jī)硬件的課程，作為授課，8088反而更適合。因?yàn)榭v觀PC機(jī)的發(fā)展，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的許多方面變化并非一定是全新的，更多的是吸收引進(jìn)了中小型機(jī)的特點(diǎn)，如中小型機(jī)上采用復(fù)雜的尋址方式、虛擬存儲(chǔ)器、Cache存儲(chǔ)器、各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)表示以及中央處理器的流水并行處理技術(shù)，都已逐步出現(xiàn)在最新PC機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。因此以8088為核心講授微機(jī)原理到今天仍然不失很強(qiáng)的基礎(chǔ)性，學(xué)生有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)再自學(xué)感興趣的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)也不會(huì)有困難。

本文主要針對(duì)目前所在學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，從課程內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面對(duì)微機(jī)原理課程進(jìn)行了有益的教學(xué)改革嘗試，取得了良好的教學(xué)效果。

1 課程改革的探索與實(shí)踐

1.1 課程內(nèi)容的調(diào)整

（1）增加計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，消除學(xué)生對(duì)課程的神秘感。長期教學(xué)發(fā)現(xiàn)，一開始接觸微機(jī)原理，學(xué)生對(duì)這門課是既好奇又敬畏，好奇是因?yàn)橛X得自己有機(jī)會(huì)了解微機(jī)的工作原理，敬畏是因?yàn)榭傆形C(jī)課難的傳言。針對(duì)這種情況，課程組大膽嘗試，增加了計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的內(nèi)容作為微機(jī)課程的導(dǎo)入，總共為3個(gè)課時(shí)。第一個(gè)課時(shí)概述計(jì)算機(jī)硬件的五個(gè)功能部件，計(jì)算機(jī)軟件的分類及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)交代核心運(yùn)算器部件的構(gòu)成，所能進(jìn)行的運(yùn)算和ALU的線路。第二個(gè)課時(shí)首先以4位運(yùn)算器Am2901為例，講述該運(yùn)算器的工作原理，即如何完成3種算術(shù)運(yùn)算和5種邏輯運(yùn)算，接著講控制器的功能和基本組成。然后比較微指令和指令的區(qū)別，并給出微程序的概念，以加法指令A(yù)DD為例，分析了ADD指令的執(zhí)行步驟。第三個(gè)課時(shí)重點(diǎn)剖析TEC-2000微程序控制器的工作原理，仍以ADD指令為例，解釋指令的詳細(xì)執(zhí)行過程。通過加入這三個(gè)課時(shí)，使學(xué)生一開始就能接觸到CPU內(nèi)部部件，而且主要是用到了先修課程數(shù)字電路設(shè)計(jì)的知識(shí)，理解起來并沒有太大障礙。了解了微指令的工作過程，就可以消除學(xué)生對(duì)微機(jī)的神秘感，為進(jìn)行后面的教學(xué)內(nèi)容做好鋪墊，課程設(shè)計(jì)遵循從整體到局部，再到總體的主線，脈絡(luò)清晰。而且學(xué)生能夠了解到作為CPU核心的運(yùn)算器的設(shè)計(jì)，為其以后做硬件方面的設(shè)計(jì)樹立了自信心。endprint

（2）與時(shí)俱進(jìn)，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行大膽裁剪和擴(kuò)展。目前微機(jī)原理教材存在的普遍問題是有些內(nèi)容陳舊，比如中斷控制器8259A在中斷章節(jié)占用了很多課時(shí)。在8088系統(tǒng)中采用兩片8259A芯片級(jí)聯(lián)的工作方式進(jìn)行中斷管理，但是從奔騰3開始PC機(jī)的中斷管理采用了I/O高級(jí)可編程控制器（I/O APIC）的新組件，與8259A的IRQ引腳不同，中斷優(yōu)先級(jí)并不與引腳號(hào)相關(guān)聯(lián)，中斷重定向表中的每一項(xiàng)都可以被單獨(dú)編程以指明中斷向量和優(yōu)先級(jí)、目標(biāo)處理器及選擇處理器的方式。重定向表中的信息用于把每個(gè)外部IRQ信號(hào)轉(zhuǎn)換為一條消息，然后通過APIC總線把消息發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)本地APIC單元。另外，中斷請(qǐng)求的兩種方式靜態(tài)分發(fā)和動(dòng)態(tài)分發(fā)也不同于8088的機(jī)制。鑒于這種變化，課程組在中斷章節(jié)不再詳細(xì)講解8259A的工作原理和方式，而只強(qiáng)調(diào)中斷的概念和CPU對(duì)中斷的響應(yīng)機(jī)制，并將奔騰處理中斷的思路滲透到課程中，重點(diǎn)讓學(xué)生建立起中斷的概念即可。

類似的設(shè)想是在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)重點(diǎn)突出，減少對(duì)過時(shí)芯片的講解，增加現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的較新元素，如高速緩存Cache，指令流水線，PCI總線接口，IEEE 1394，USB總線等，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代微機(jī)的了解更全面。

1.2 授課方法的改進(jìn)提高

（1）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，注重課程的趣味性。對(duì)知識(shí)的渴求是督促學(xué)生認(rèn)真投入學(xué)習(xí)的最好源動(dòng)力。針對(duì)學(xué)生對(duì)微機(jī)原理普遍的好奇與敬畏的矛盾心理，從第一堂課上課就注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，比如說“想不想走進(jìn)我們常用的PC機(jī)的內(nèi)部看看它是怎么工作的？”以此勾起學(xué)生的求知欲，接著鼓勵(lì)學(xué)生，建立其自信心。課程中注重在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)入時(shí)啟發(fā)學(xué)生自己先思考，并隨機(jī)點(diǎn)同學(xué)起來談自己的觀點(diǎn)，順著同學(xué)的觀點(diǎn)繼續(xù)下面的講解，更容易讓學(xué)生接受。這樣學(xué)生也參與到課堂中，其積極性和學(xué)習(xí)熱情會(huì)提高，教學(xué)效果自然會(huì)好。

同時(shí)要注意發(fā)掘課程的趣味性，比如講中斷的時(shí)候，往往一開始學(xué)生不好理解，可以舉簡單的例子幫助其理解。例如可以舉例老師正在電腦前寫文章時(shí)接到學(xué)院電話談工作的事，接電話就是CPU以前正在進(jìn)行的工作被中斷，處理了中斷請(qǐng)求，掛了電話繼續(xù)寫文章就是CPU中斷返回繼續(xù)以前的工作。講內(nèi)存的時(shí)候，可以帶一個(gè)舊的內(nèi)存條到教室給同學(xué)看，然后講內(nèi)存的分類，工作方式，內(nèi)存地址的譯碼，和CPU對(duì)內(nèi)存的訪問。這樣比直接上課講內(nèi)存給學(xué)生的感覺要生動(dòng)一些，覺得自己可以看到真實(shí)的內(nèi)存，從看到到了解其工作原理更有趣味性。

（2）注重知識(shí)銜接，由淺入深地重復(fù)重要知識(shí)點(diǎn)。微機(jī)原理課程的一個(gè)明顯特點(diǎn)是各部分知識(shí)點(diǎn)銜接緊密，一環(huán)扣一環(huán)，而且記憶的東西較多。比如一開始寄存器要是沒有掌握，接下來的尋址方式就比較困難，尋址方式學(xué)不好，學(xué)指令就很吃力。課程組強(qiáng)調(diào)要注重知識(shí)點(diǎn)的銜接，防止學(xué)生學(xué)習(xí)中某一環(huán)掉鏈子而影響到后面的學(xué)習(xí)，學(xué)生就會(huì)因?yàn)槁牪欢艞墝W(xué)習(xí)。筆者課堂教學(xué)采用的方法是不斷由淺入深地重復(fù)重要知識(shí)點(diǎn)。開始講寄存器時(shí)為了加強(qiáng)學(xué)生的理解及幫助其記憶，每個(gè)寄存器都舉了匯編指令的例子，雖然還沒有開始學(xué)指令，像MOV， ADD之類的指令告訴學(xué)生是做什么的還是很容易接受。講7種尋址方式時(shí)，不斷復(fù)習(xí)之前學(xué)過的寄存器，強(qiáng)化寄存器的配合使用，如SP和BP是與SS寄存器搭配使用，BX、SI、DI寄存器是和DS寄存器配合使用。之后講指令時(shí)又借機(jī)不斷練習(xí)指令中操作數(shù)的尋址方式，采用這種不斷重復(fù)的方法，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)這些零碎的知識(shí)點(diǎn)掌握更輕松，不知不覺就記住了、理解了，這正是我們想要的教學(xué)效果。

（3）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中增加設(shè)計(jì)性編程的比例。微機(jī)原理課程不僅理論性強(qiáng)，也非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程的總學(xué)時(shí)為72學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)占18學(xué)時(shí)。以前實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，基本上給出了實(shí)驗(yàn)流程圖及參考的匯編源代碼，學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室只是按實(shí)驗(yàn)手冊(cè)step by step敲進(jìn)去代碼驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是能保證大部分同學(xué)做出實(shí)驗(yàn)，保守地達(dá)到教學(xué)目的，但缺點(diǎn)是學(xué)生很被動(dòng)，這樣導(dǎo)致其編程能力難以提高，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到完全不一樣的效果。筆者首先在實(shí)驗(yàn)開始前的一次課堂上公布實(shí)驗(yàn)題目，讓同學(xué)提前去思考，并且為減少障礙，只讓同學(xué)編寫核心代碼部分，匯編的編程框架給出來，甚至一開始可以給點(diǎn)程序讓學(xué)生改寫，這樣調(diào)動(dòng)了學(xué)生編程的積極性，而且經(jīng)過編程，學(xué)生對(duì)指令熟悉了，經(jīng)過調(diào)試等環(huán)節(jié)最終看到程序運(yùn)行結(jié)果時(shí)，能明顯感覺到學(xué)生的成就感，這樣以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)使學(xué)生不懼怕編程，從而促使其學(xué)習(xí)進(jìn)入良性循環(huán)。

2 總結(jié)

微機(jī)原理屬于信息工程學(xué)院的專業(yè)核心課程，而學(xué)生對(duì)該門課有比較嚴(yán)重的畏難心理，制約了課程的教學(xué)效果。針對(duì)此現(xiàn)狀，課程組在最近兩年做了課程改革的有益探索，首先增加了計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的部分內(nèi)容作為課程的導(dǎo)入，消除學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的神秘感。另外，針對(duì)部分教材內(nèi)容陳舊的問題，進(jìn)行大膽裁剪，保留8088最核心最基礎(chǔ)的部分，又給課堂注入了新鮮的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的元素。除此之外，充分利用課程組平臺(tái)，經(jīng)常組織課程組任課老師的內(nèi)部交流會(huì)，切磋教學(xué)心得，切實(shí)提高和改進(jìn)授課方式，并多讓經(jīng)驗(yàn)豐富的老師帶動(dòng)年輕老師，促進(jìn)該課程的教學(xué)上一個(gè)新的臺(tái)階。從這兩年學(xué)生的反饋看，雖然增加了不少教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更有興趣了，到課率大大提高，期末考試不及格率也大幅下降，表明教學(xué)改革初見成效。我們下一步的工作是強(qiáng)化所取得的成績，充分利用實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)計(jì)更多學(xué)生可以動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能近距離觸摸和應(yīng)用硬件芯片，為學(xué)生的硬件理解及設(shè)計(jì)能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這樣學(xué)生畢業(yè)才有信心應(yīng)對(duì)各種新知識(shí)、新技術(shù)的挑戰(zhàn)。

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