對比式教學法在計算機專業(yè)課程教學中的應用

朱貴憲

（安陽工學院，河南 安陽 455000）

計算機組成原理是計算機專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，單片機原理及應用是計算機專業(yè)的專業(yè)核心課程，前者是后者的先修課程，后者是前者的后續(xù)課程，兩門課程既有很多的相似性，也有很多的不同點。在計算機組成原理課程教學過程中，要注意和后續(xù)課程單片機原理及應用知識點的銜接問題，并有意識地向單片機原理及應用課程進行適當?shù)难由欤辉趩纹瑱C原理及應用課程教學過程中，要引導學生回顧計算機組成原理中的相關(guān)知識，做足鋪墊，再在此基礎(chǔ)上引出本課程相關(guān)知識點，做到知識點有序銜接，層層遞進，逐步深入，分辨異同。

1 兩門課程知識點的區(qū)別與聯(lián)系

通過摘取和對比計算機組成原理和單片機原理及應用兩門課程的知識點，來找出兩門課程之間知識點的支撐、銜接與異同之處，為以后開展課程教學時對教學內(nèi)容的取舍與選定提供依據(jù)。下面分7個模塊對計算機組成原理和單片機原理及應用課程進行比較分析。

1.1 計算機與單片機的基本概念

單片機是計算機發(fā)展過程中的一個重要分支，所以又稱單片機為單片微型計算機，可見單片機與計算機關(guān)聯(lián)度是非常高的。從系統(tǒng)架構(gòu)上來講，目前的計算機系統(tǒng)普遍采用的是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，這是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置。而單片機的系統(tǒng)架構(gòu)分為兩類，一類是采用前面所提到的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，還有一類是采用哈佛體系結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)，中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，經(jīng)指令分析后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，最后完成指令的執(zhí)行。

計算機的主要應用領(lǐng)域包括科學計算，數(shù)據(jù)處理，自動控制（過程控制、實時控制），計算機輔助設(shè)計，人工智能，多媒體應用，數(shù)據(jù)庫應用和網(wǎng)絡(luò)應用。單片機的應用領(lǐng)域包括智能儀器儀表，機電一體化產(chǎn)品，實時工業(yè)控制，家用電器，分布系統(tǒng)的前端模塊。由于單片機是在一塊微小晶片上集成了具有一定規(guī)模的微型計算機的基本電路，與通用微型計算機比較，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上非常適合做嵌入式應用，具有較高的性價比和良好的控制性能，在自動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

計算機硬件性能指標主要包括機器字長，總線寬度，主頻，運算速度，存儲器容量和讀寫速度（存取周期），緩存容量，輸入/輸出傳輸速率。單片機的性能指標包括單片機位數(shù)（8位、16位、32位單片機），CPU時鐘頻率（時鐘周期、指令周期），內(nèi)部RAM和ROM大小，片上外設(shè)（如定時器，串口，ADC，WDT，PWM，CCP等）的多少，工作電壓，功耗的大小，I/O口及驅(qū)動能力等。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，衡量一臺計算機性能的優(yōu)劣主要看處理速度和存儲容量，而單片機除了關(guān)注上述指標外，還要考慮片上外設(shè)和I/O的多少等其他因素。

1.2 CPU部分

CPU是計算機和單片機的核心或大腦，通過對比計算機組成原理和單片機原理及應用中對CPU的組成及功能描述，找出兩門課程在論述CPU時的相似點和不同點[1]。對比發(fā)現(xiàn)，兩門課程在講述CPU時，功能基本相似，組成略有不同。但是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是來說，計算機的CPU是一個獨立的芯片，而單片機的CPU是與存儲器、I/O接口以及連接它們的總線集成在一塊芯片上的。

1.3 總線部分

總線是系統(tǒng)內(nèi)外連接各個部件的信息傳輸線，無論是計算機還是單片機，各部件之間的連接都是靠總線完成。

通過對比可以看出，與復雜的計算機系統(tǒng)的總線相比，單片機的總線相對簡單。關(guān)于總線的一些性能指標，如總線寬度、波特率等，既適用于計算機，也適用于單片機。

1.4 存儲器部分

計算機組成原理中關(guān)于存儲器的論述：從功能上講，存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。按照存儲介質(zhì)分類，分為半導體存儲器、磁表面存儲器、光盤存儲器；按存取方式進行分類，分為RAM、ROM和順序訪問存儲器（又分為串行訪問存儲器和直接存取存儲器）；按照在計算機系統(tǒng)中的作用不同，分為主存、緩存和輔助存儲器。

單片機原理及應用中關(guān)于存儲器的論述，從功能上來說，存儲器是單片機的信息倉庫，用來存放程序和數(shù)據(jù)。按照不同角度對單片機存儲器分類結(jié)果為，按照單片機中存儲器保存信息的不同，可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，其中程序存儲器用于保存將要執(zhí)行的程序代碼，大多數(shù)單片機的程序存儲器采用Flash工藝，少數(shù)采用OTP工藝，數(shù)據(jù)存儲器用于保存在程序執(zhí)行中所需要用到的數(shù)據(jù)，一般由RAM組成。從單片機的存儲結(jié)構(gòu)上進行劃分，可分為程序Flash存儲器、數(shù)據(jù)Flash存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。

與單片機相比，計算機的存儲容量更大，存儲器帶寬更寬，讀寫速度更快。

1.5 指令系統(tǒng)

計算機組成原理中指令的相關(guān)概念、分類和尋址方式：指令是要求計算機完成某個基本操作的命令，指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼用來指明該指令所要完成的操作，地址碼用來指出該指令的源操作數(shù)的地址、結(jié)果的地址以及下一條指令的地址。一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)傳送類指令，運算類指令（包括算術(shù)運算指令、邏輯運算指令和移位操作類指令），程序控制類指令（主要用于控制程序的流向）輸入/輸出類指令（簡稱I/O指令，這類指令用于主機與外設(shè)之間交換信息），其他指令（包括停機指令、等待指令、空操作指令）等。尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法，尋址方式分為指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式兩大類，數(shù)據(jù)尋址方式又分為立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址、變址尋址、相對尋址、堆棧尋址、隱含尋址、復合型尋址等。計算機的指令系統(tǒng)逐步發(fā)展和優(yōu)化，從過去的復雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）逐漸過渡為精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC），并且采用流水線技術(shù)更進一步提高計算機的處理速度。

單片機原理及應用中指令的相關(guān)概念：單片機的指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成，操作碼用來確定CPU運行本條指令完成何種操作，操作數(shù)有目的操作數(shù)和源操作數(shù)兩類，它們?yōu)椴僮鞔a提供操作對象，在單片機中，這些被操作的對象可以保存在CPU的內(nèi)部寄存器中或者存儲器中，將CPU尋找操作對象（操作數(shù)）所保存位置的方式稱為尋址方式，單片機的尋址方式大致有7種，分別是立即尋址、寄存器尋址、直接尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對尋址和位尋址[2]。目前單片機普遍采用流水線RISC結(jié)構(gòu)，極大地提高了執(zhí)行速度。

無論計算機還是單片機，其CPU的指令系統(tǒng)反映了CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)與硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，不同類型的計算機其尋址方式也不相同，與單片機相比較，計算機的尋址方式要比單片機更為多樣，尋址方式更為靈活，也間接反映出計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復雜。

1.6 輸入輸出系統(tǒng)

計算機組成原理中有關(guān)輸入輸出系統(tǒng)的描述：I/O系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，實現(xiàn)計算機系統(tǒng)中主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，其中輸入系統(tǒng)用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機器能識別的信息形式輸入到計算機中，輸出系統(tǒng)將機器運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式輸出到顯示器等輸出設(shè)備上。I/O系統(tǒng)由I/O軟件和I/O硬件組成，I/O硬件又分為I/O接口和I/O設(shè)備，I/O接口實現(xiàn)I/O設(shè)備與主機的連接，建立數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，I/O設(shè)備種類繁多，功能各異，大致可以分為人機交互設(shè)備、計算機信息存儲設(shè)備（輔存、閃存）和機-機通信設(shè)備。I/O設(shè)備與主機信息傳送的控制方式主要有五種，分別是程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式、I/O通道方式和I/O處理機方式。

在單片機原理及應用課程中更多的是對I/O引腳的描述，單片機按照類型和封裝形式的不同，I/O口的數(shù)量也不盡相同，但都留有足夠數(shù)量的I/O引腳以便開發(fā)應用，以LQFP44封裝的IAP15W4K58S4為例，該類型單片機共有42個I/O端口線可用作準雙向I/O口，其中，大多數(shù)I/O口線還具有2個以上其他功能，每個I/O的工作模式由工作模式寄存器中相應的位進行控制，因此，單片機只需加少量的I/O設(shè)備，就可以構(gòu)成一個簡單的單片機應用系統(tǒng)。

1.7 中斷系統(tǒng)

計算機組成原理中關(guān)于中斷的論述：計算機在執(zhí)行程序的過程中，當出現(xiàn)異常情況或特殊請求時，計算機停止現(xiàn)行程序的運行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，這個過程就是“中斷”。通常將能夠引發(fā)處理器中斷的各種緊急事件稱為中斷源，中斷源可分為兩大類，一類是不可屏蔽中斷源，另一類是可屏蔽中斷源。中斷系統(tǒng)是計算機的重要組成部分，實時控制、故障處理、計算機與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送往往都用到中斷系統(tǒng)。一個完整的中斷過程包含中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應、中斷服務(wù)和中斷返回5個環(huán)節(jié)。

單片機原理及應用中關(guān)于中斷的論述：單片機正在正常的執(zhí)行一段程序代碼時，發(fā)生緊急事件，該緊急事件通過單片機的外部引腳或內(nèi)部信號送給單片機的CPU，CPU需要做出判斷是不是立即處理這個事件，如果允許立即處理該緊急事件，則暫時停止當前正在執(zhí)行的程序代碼，而跳轉(zhuǎn)到用于處理緊急事件的程序代碼，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完緊急事件后，再回頭繼續(xù)執(zhí)行前面所被打斷的正常執(zhí)行的程序代碼，這個過程稱為中斷。此外，單片機中提到與中斷相關(guān)的一些術(shù)語還有中斷系統(tǒng)、中斷源、中斷優(yōu)先級、中斷嵌套等，這些概念與計算機組成原理中的描述是一致的，單片機提供了多個中斷源，多數(shù)中斷具有2個中斷優(yōu)先級，可以實現(xiàn)2級中斷嵌套，與中斷系統(tǒng)有關(guān)的寄存器有中斷允許寄存器IE，定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON，中斷優(yōu)先級控制寄存器IP等，通過正確設(shè)置這些寄存器的功能位，來實現(xiàn)單片機的中斷功能。

2 對比式教學法在教學過程中的積極作用

對比式教學不是指對各課程知識點的羅列，其目的是通過比較，找出其內(nèi)在知識點的承接關(guān)系，從而在教學上做到有的放矢，使課程教學目標更加明確、教學內(nèi)容安排更加合理，先修課程和后續(xù)課程更好地進行銜接，更好地搭建專業(yè)知識體系，避免知識點的孤立化、碎片化。在教學過程中，講解先修課程時要有意識向后續(xù)課程做適當延展，為后續(xù)課程的學習做好鋪墊，在講解后續(xù)課程時要有意識對先修課程做回顧復習，讓學生認識到每個知識點并非孤立存在，而是有來由的，這樣就實現(xiàn)了各課程知識點之間更好的銜接。

此外，該教學方式同時也較好地解決了學生學習專業(yè)基礎(chǔ)課時積極性不高，學習目的不明確，等到學習專業(yè)課程時積極性很高，但前期基礎(chǔ)沒有鋪墊好，原理性的東西搞不明白，只知其然不知道其所以然，影響學習效果和教學質(zhì)量。這里作一個比喻來說明各類課程之間的關(guān)系，基礎(chǔ)課的學習應該是優(yōu)化土壤或者叫育苗期，專業(yè)基礎(chǔ)課程的學習應該是成長壯大期，專業(yè)課程的學習應該是開花結(jié)果期，只有每一個環(huán)節(jié)都做好，才能結(jié)出豐碩的果實，對比式教學法也是讓學生明白這樣一個道理，從而提高學生學習專業(yè)基礎(chǔ)課程的積極性。

3 結(jié)語

通過對計算機組成原理與單片機原理及應用兩門課程知識點的比較，論述了對比式教學法在教學過程中所起的積極作用，為更好地開展課程教學，提出了一個新的思路。對比式教學是建立在對整個專業(yè)課程體系有充分認知的基礎(chǔ)上，是建立在對基礎(chǔ)課和專業(yè)課有豐富教學經(jīng)驗上的一種教學方法。該教學方法的有效實施，對教學質(zhì)量的提高有較大的促進作用。