電子專業(yè)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程改革

趙健

摘 要

本文根據(jù)電子專業(yè)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的特點，結(jié)合新工科背景下對學(xué)生實踐能力的要求，提出了課程教學(xué)改革的方案。文中結(jié)合新技術(shù)和實際應(yīng)用，詳細(xì)介紹了課程理論教學(xué)的各個部分;針對實踐教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)，專門設(shè)計了課內(nèi)實驗和課外實驗的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞

微機(jī)原理;課程改革;能力培養(yǎng)

中圖分類號： TP3-4;G712 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 06 . 24

0 引言

電子專業(yè)的核心課程中有三門相互聯(lián)系的課程，按照授課的先后順序分別是：“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)”。三門課程教學(xué)內(nèi)容相互貫通，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”起到承上啟下的作用，對“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的延伸，也是對“嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)”課程的鋪墊。課程主要講授：微型計算機(jī)工作原理、微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計、存儲器原理和微處理器外圍接口設(shè)計等內(nèi)容。針對課程特點和性質(zhì)，結(jié)合當(dāng)下新工科建設(shè)的要求，本文對課程教學(xué)內(nèi)容和方法提出了改革方案。

1 教材選擇

課程教材選用由李珍香主編，清華大學(xué)出版社出版的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》。該教材可以作為計算機(jī)專業(yè)、電子專業(yè)、自動化專業(yè)的教材，其具有以下特點：在注重基礎(chǔ)知識的同時，突出了實用性，貼合實際;重視科技前沿的介紹，計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，增加前沿知識的講授，保證了教材的先進(jìn)性;采用了實例驅(qū)動和啟發(fā)式教學(xué)，將枯燥、乏味、難理解但又是重點的內(nèi)容，通過形象的比喻和聯(lián)系實際，讓學(xué)生通俗易懂;教材通過大量的實例來介紹程序設(shè)計和接口電路，讓學(xué)生在實例的基礎(chǔ)上進(jìn)行舉一反三，自己動手設(shè)計程序和電路，增強(qiáng)了動手實踐能力。

2 課程的理論教學(xué)

根據(jù)本校電子專業(yè)教學(xué)大綱，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程理論教學(xué)48學(xué)時，主要講授：微型計算機(jī)工作原理、微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計、存儲器原理和微處理器外圍接口設(shè)計等內(nèi)容。為了滿足新工科建設(shè)對學(xué)生能力的要求和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對每一個理論教學(xué)部分做了精心設(shè)計。課程以Intel公司16位微處理器8086構(gòu)成的計算機(jī)作為主體來講解課程內(nèi)容。由于8086構(gòu)成的計算機(jī)早已淘汰不用，所以課程中的一些芯片和電路已經(jīng)沒有實際應(yīng)用。但是，芯片和電路的設(shè)計思想在現(xiàn)在的新型計算機(jī)中仍然在沿用或者在其基礎(chǔ)上加以更新使用。所以，在教學(xué)過程中注重講解芯片和電路的設(shè)計思想。

2.1 微型計算機(jī)工作原理

首先，介紹微型計算機(jī)的發(fā)展過程，從微型計算機(jī)的誕生講到最新的計算機(jī)，重點介紹現(xiàn)階段最新微型計算機(jī)的技術(shù)狀況和性能指標(biāo)。然后，講解微型計算機(jī)的組成和工作原理。微型計算機(jī)采用了“馮諾依曼”的存儲結(jié)構(gòu)，前期課程“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”中8051單片機(jī)采用了“哈弗結(jié)構(gòu)”的存儲結(jié)構(gòu)，將兩種設(shè)計思想做對比，讓學(xué)生深入體會微處理器訪問存儲器的過程，從而理解微型計算機(jī)的工作過程。最后，講解微型計算機(jī)中常用計數(shù)制和編碼。詳細(xì)說明二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制的表示方法和相互轉(zhuǎn)換的過程;理解ASCII碼的內(nèi)容構(gòu)成。

2.2 微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

微處理器以Intel公司具有劃時代意義的16位CPU 8086為例進(jìn)行講解，重點介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、寄存器組織、外部引腳和總線操作與時序。該CPU結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)生容易理解和掌握。將8086 CPU和前期課程“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”中8051單片機(jī)作詳細(xì)對比，重點比較流水線工作過程和存儲器的分段管理。讓學(xué)生對兩款CPU的設(shè)計思想做深入了解。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將最新的計算機(jī)技術(shù)：超線程、多核處理器、磁處理器等進(jìn)行介紹。

2.3 匯編語言程序設(shè)計

匯編語言程序設(shè)計部分講解8086 CPU指令系統(tǒng)、尋址方式、程序結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和程序調(diào)試方法。本部分內(nèi)容理解和記憶比較困難，但卻是課程的重點。所以，在講解過程中增加實際例子的分析，詳細(xì)說明程序的設(shè)計思路和設(shè)計過程。任課教師在多媒體計算機(jī)上演示程序編寫和調(diào)試的每一個步驟，“手把手”的教給學(xué)生程序設(shè)計的方法和調(diào)試的方法。配合學(xué)生實驗讓學(xué)生掌握如何進(jìn)行匯編語言編程。

2.4 存儲器原理

本部分講解存儲器體系結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展方法和高速緩存技術(shù)。存儲器體系結(jié)構(gòu)重點說明寄存器、高速緩存、內(nèi)存、輔助存儲器的速度和容量的關(guān)系。介紹最新微型計算機(jī)中存儲器的性能指標(biāo)和選購指南，讓學(xué)生在選購個人計算機(jī)的時候提供理論依據(jù)。這樣既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也加深了知識的理解。存儲器的擴(kuò)展方法講授并行存儲器的擴(kuò)展電路，重點講解存儲器地址的分配方法。高速緩存技術(shù)解決了CPU和內(nèi)存之間的速度匹配問題，這一技術(shù)和思想一直沿用至今，因此需要特別詳細(xì)的介紹高速緩存的映射方式和替換策略，讓學(xué)生深入掌握。

2.5 微處理器外圍接口

微處理器的外圍接口包括：中斷管理芯片8259、并行接口芯片8255、定時器8253、DMA控制器8237、AD轉(zhuǎn)換芯片0809和DA轉(zhuǎn)換芯片0832。這些接口芯片都是以并行通信方式和微處理器通信的，控制方法和程序設(shè)計方法類似，并且現(xiàn)在已經(jīng)大多不在直接使用，不需要全部詳細(xì)介紹。并行接口芯片8255、定時器技術(shù)、AD轉(zhuǎn)換芯片0809和DA轉(zhuǎn)換芯片0832，在前期課程“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”中已有學(xué)習(xí)，本課程中只介紹微處理器和它們的連接關(guān)系，并與8051單片機(jī)做比較。中斷管理芯片8259的電路結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在新型微型計算機(jī)中已不存在，但是它對于中斷的管理方式沿用至今，因此，需要對8259的工作過程做詳細(xì)講解。此外，DMA控制器8237對內(nèi)存和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)高速大量傳輸?shù)目刂品绞揭惭赜弥两瘢残枰攸c介紹。同時，后續(xù)課程“嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)”中也需要DMA技術(shù)的使用，可以作為鋪墊。

3 課程的實驗教學(xué)

根據(jù)本校電子專業(yè)教學(xué)大綱，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程課內(nèi)實驗教學(xué)16學(xué)時，學(xué)生利用課余時間自主進(jìn)行課外實驗。

3.1 課內(nèi)實驗

課內(nèi)實驗分為軟件實驗和硬件實驗兩個部分。軟件實驗包括：debug調(diào)試、DOS系統(tǒng)功能調(diào)用、順序程序設(shè)計、循環(huán)程序設(shè)計、分支程序設(shè)計，其操作完全在微型計算機(jī)的DOS環(huán)境下進(jìn)行，使學(xué)生的程序編寫和調(diào)試能力得到充分鍛煉。硬件實驗包括：8255輸入和輸出、8255控制交通燈、8253定時器、8259中斷、8237 DMA控制，其操作在啟東公司生產(chǎn)的“DICE-8086型微機(jī)原理與接口實驗儀”上進(jìn)行，使學(xué)生對微處理器外圍硬件接口的程序控制得到充分練習(xí)。

3.2 課外實驗

由于課內(nèi)實驗時間有限，無法使學(xué)生得到充分的鍛煉?！拔C(jī)原理與接口技術(shù)”又是一門實踐性很強(qiáng)的課程，需要學(xué)生進(jìn)行大量的程序編寫和調(diào)試，因此，每周老師布置一次大作業(yè)，要求學(xué)生在仿真軟件“emu8086”上完成。“emu8086”是一款非常優(yōu)秀的仿真軟件，既能夠?qū)崿F(xiàn)軟件調(diào)試又能夠仿真硬件運(yùn)行。

4 結(jié)束語

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，技術(shù)內(nèi)容陳舊，抽象難理解，但是對于學(xué)生學(xué)習(xí)微型計算機(jī)的原理和工作過程又是必不可少的，所以它是電子專業(yè)的核心課程。雖然課程的技術(shù)內(nèi)容陳舊，部分電路和芯片不再使用，但是工作原理和設(shè)計思想還在沿用。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實踐能力，本文對課程的改革提出了一些方案，在近年來的教學(xué)過程中取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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