“微機(jī)原理與接口技術(shù)”項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)

劉 娟，黃 忠

（安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246133）

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是我校物理與電氣工程學(xué)院的自動(dòng)化、電信、機(jī)械和微電子學(xué)等專業(yè)的必修課程，該課程要求學(xué)生掌握微機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理、匯編語(yǔ)言編程方法和各種可編程接口芯片的應(yīng)用，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性[1]。該課程既能培養(yǎng)學(xué)生微機(jī)軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力及工程素養(yǎng)，又為學(xué)生今后從事智能控制和微機(jī)開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程重點(diǎn)內(nèi)容包括微型計(jì)算機(jī)組成及工作原理、尋址方式、指令和偽指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)輸入輸出、總線操作和時(shí)序、中斷控制方式和很多接口芯片使用方法。這些內(nèi)容大多枯燥乏味、抽象難懂。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行鞏固和加深理解，但我校物電學(xué)院只有4次上機(jī)實(shí)驗(yàn)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量明顯不足。同時(shí)硬件接口電路的控制實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備高度集成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更多側(cè)重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行受到時(shí)間和空間的限制[2]。針對(duì)課程教學(xué)現(xiàn)狀和鑒于該課程具有應(yīng)用性、操作性和綜合性強(qiáng)的特征，將課程中的內(nèi)容融于到項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中。挑選具有代表性、綜合性和趣味性的項(xiàng)目用于課程驅(qū)動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效學(xué)習(xí)。

1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)任務(wù)

項(xiàng)目教學(xué)是針對(duì)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)項(xiàng)目，將所要學(xué)的知識(shí)、技能轉(zhuǎn)化為若干個(gè)典型項(xiàng)目，以學(xué)生為主體，教師僅僅是引導(dǎo)者，當(dāng)項(xiàng)目完成時(shí)，學(xué)生能理解課程相關(guān)理論知識(shí)、獲得相應(yīng)技能。項(xiàng)目化教學(xué)方式對(duì)教師和學(xué)生各有任務(wù)與要求，教師的任務(wù)是根據(jù)課程的教學(xué)大綱設(shè)計(jì)若干個(gè)綜合性的項(xiàng)目，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)扣住一個(gè)“重心”（即CPU內(nèi)部架構(gòu)和工作原理），兩個(gè)“基本點(diǎn)”（即CPU與存儲(chǔ)器和CPU與外設(shè)進(jìn)行信息交換），由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步理解本課程的知識(shí)體系，同時(shí)在完成項(xiàng)目的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力，要求項(xiàng)目?jī)?nèi)容不僅包含微機(jī)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)，也可以包含電傳動(dòng)與控制、電工電子學(xué)專業(yè)必修課程的知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生的任務(wù)是自行組隊(duì)完成項(xiàng)目、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、仿真微機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到項(xiàng)目要求并撰寫(xiě)報(bào)告，鍛煉學(xué)生靈活應(yīng)用微機(jī)知識(shí)處理復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力及實(shí)際動(dòng)手能力。

2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方案設(shè)計(jì)

2.1 基本項(xiàng)目設(shè)計(jì)

微機(jī)原理與接口技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，選取基本項(xiàng)目來(lái)串聯(lián)課程基本知識(shí)點(diǎn)，以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，選擇的基本項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)覆蓋課程核心內(nèi)容，難度適中、易于理解[3]。鑒于此，選擇“基于8086CPU的十字路口交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”作為貫穿本課程的基本項(xiàng)目。為了引發(fā)學(xué)生的求知欲望和讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，教師在第一次課就安排基本項(xiàng)目。

圖1 微機(jī)原理與接口技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖

利用8086 CPU芯片以及可編程并行接口芯片8255A、可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片8253、可編程的中斷控制器芯片8259A及數(shù)碼管等輔助硬件電路，進(jìn)行數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅包含基本的交通燈功能如8255A I/O口擴(kuò)展系統(tǒng)、交通信號(hào)燈狀態(tài)顯示系統(tǒng)和LED數(shù)碼顯示時(shí)間系統(tǒng)，還包括倒計(jì)時(shí)、緊急情況處理等功能。為了讓基本項(xiàng)目串接整個(gè)教材知識(shí)體系，把基本項(xiàng)目分為9個(gè)子項(xiàng)目，如圖2所示。

以周荷琴等編著的《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)（第5版）》為例，子項(xiàng)目一涉及第1章緒論中計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法，子項(xiàng)目二涉及第2章8086CPU，子項(xiàng)目三涉及第3章8086的尋址方式和指令系統(tǒng)以及第4章匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)兩章內(nèi)容，子項(xiàng)目四涉及第5章存儲(chǔ)器，子項(xiàng)目五、六、七涉及第6章I/O接口和并行接口芯片8255A，子項(xiàng)目八涉及第7章可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253/8254及其應(yīng)用，子項(xiàng)目九涉及第8章中斷和可編程中斷控制器8259A。該課程的核心內(nèi)容融合于各子項(xiàng)目中，并通過(guò)子項(xiàng)目將它們串聯(lián)起來(lái)。規(guī)模較大是項(xiàng)目課題的顯著特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生分組，考慮到項(xiàng)目主要包括硬件與軟件兩個(gè)部分，因此每個(gè)小組最多3～5名學(xué)生，否則多余的學(xué)生基本得不到相應(yīng)的鍛煉，選一名同學(xué)作為組長(zhǎng)。1～2人主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試等工作，另2～3人主要進(jìn)行相關(guān)軟件設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試。

圖2 基本項(xiàng)目的9個(gè)子項(xiàng)目劃分

2.2 拓展項(xiàng)目設(shè)計(jì)

拓展項(xiàng)目的選擇側(cè)重于常用接口芯片和外圍設(shè)備的運(yùn)用，包括整體設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案的提出、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的仿真與調(diào)試等一系列步驟。拓展項(xiàng)目的設(shè)計(jì)能夠訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散思維和設(shè)計(jì)思路，充分調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)他們的創(chuàng)造成就感和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而提升他們的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力[4]。拓展項(xiàng)目選題如下：(1)無(wú)刷直流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測(cè)量與調(diào)節(jié)；（2）汽車玻璃總成工裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（3）液晶顯示器與鍵盤系統(tǒng)；（4）數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫顯示系統(tǒng)；（5）步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；（6）教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)；（7）智能電動(dòng)百葉窗；（8）LED點(diǎn)陣廣告牌設(shè)計(jì)；（9）多功能電子鬧鐘；（10）遠(yuǎn)程運(yùn)算器設(shè)計(jì)；（11）電子賀卡設(shè)計(jì)；（12）火災(zāi)報(bào)警器。

3 Proteus軟件仿真項(xiàng)目

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”知識(shí)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)，可以通過(guò)實(shí)踐將該課程中理論知識(shí)由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，加深到理論知識(shí)的理解，因此必須重視不可或缺的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[5]。鑒于以上在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行硬件接口電路實(shí)驗(yàn)的缺陷，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，將Proteus軟件仿真引入到該課程實(shí)踐教學(xué)中。項(xiàng)目仿真電路圖的繪制要求學(xué)生自己參與整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生對(duì)芯片的工作原理和結(jié)構(gòu)有充分的了解。Proteus軟件能夠輕易地模擬器件運(yùn)行，演示芯片引腳電平和信號(hào)時(shí)序改變等，從而明確指令執(zhí)行過(guò)程對(duì)硬件電路的影響，因此讓抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)工作原理形象化、簡(jiǎn)單化[6]。學(xué)生能夠在自己計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，突破了以往硬件電路實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的時(shí)間和空間限制。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的實(shí)施，項(xiàng)目由簡(jiǎn)到繁引導(dǎo)學(xué)生參與設(shè)計(jì)實(shí)施的全過(guò)程，首先激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而充分提高他們學(xué)習(xí)的自覺(jué)性；其次，提高學(xué)生微機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和綜合開(kāi)發(fā)能力；最后，增強(qiáng)了他們運(yùn)用微機(jī)軟硬件知識(shí)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信心，為學(xué)生后期課程如“單片機(jī)原理及應(yīng)用”和“嵌入式系統(tǒng)”提供良好的基礎(chǔ)。