人工智能時(shí)代“微機(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)探討

馬義德 張紅娟 張?jiān)诜?陸福相 湯書森

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 蘭州 730000)

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是教育部規(guī)定的綜合性大學(xué)電子信息方向的專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)主干課,也是信息學(xué)科相關(guān)專業(yè),如信息與通信工程、電氣工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的必修課程,是后續(xù)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)多門課程的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟硬件學(xué)習(xí)的重要紐帶和橋梁。

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是一門面向應(yīng)用的、具有很強(qiáng)實(shí)踐性與綜合性的課程,具有以下特點(diǎn):工作原理與編程方法、接口技術(shù)并重;軟件與硬件結(jié)合;理論與實(shí)踐結(jié)合。課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具備一定的軟硬件基礎(chǔ),并能夠在課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,融會(huì)貫通,舉一反三,為后續(xù)專業(yè)課程的深入學(xué)習(xí)和微型計(jì)算機(jī)新技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。

隨著計(jì)算機(jī)新技術(shù),特別是集成電路技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,與“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程相關(guān)的新知識、新概念、新技術(shù)層出不窮,如何在講授課程基本知識的同時(shí),擴(kuò)展新技術(shù)、新概念與新理論的延伸學(xué)習(xí),如何用開放的思路進(jìn)行課程的教學(xué)實(shí)踐與研究,使得該課程的教學(xué)與人工智能相關(guān)新技術(shù)緊密結(jié)合,并延伸和擴(kuò)展到GPU技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新理論新技術(shù)的開放性、探究性教學(xué)實(shí)踐中,培養(yǎng)學(xué)生興趣、吸引學(xué)生熱情、引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思維和自主學(xué)習(xí),要求學(xué)生在掌握課程關(guān)鍵知識單元和基本模塊的基礎(chǔ)上,通過線上線下結(jié)合,課堂翻轉(zhuǎn)等手段,主動(dòng)探究和學(xué)習(xí)人工智能領(lǐng)域的相關(guān)新知識,是新形勢下我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)面臨的新任務(wù)。結(jié)合十多年來對該課程的教學(xué)實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累,我們嘗試進(jìn)行了多項(xiàng)教學(xué)改革與研究。

1 掌握關(guān)鍵知識模塊

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是信息學(xué)科相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)工作原理和應(yīng)用的重要課程,也是嵌入式系統(tǒng)相關(guān)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的重要紐帶和橋梁。課程面向應(yīng)用,具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與綜合性,主要講述微型計(jì)算機(jī)硬件電路體系結(jié)構(gòu)和工作原理、微型計(jì)算機(jī)匯編語言編程原理和常用接口芯片使用方法、中斷控制、DMA訪問和程序控制的輸入輸出技術(shù)等的基本原理、對應(yīng)芯片及其應(yīng)用技巧。

如何在傳授“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程關(guān)鍵知識模塊后,引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)其他基本知識單元,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力,是重點(diǎn)要解決的問題。通過多年的教學(xué)實(shí)踐,課程的關(guān)鍵知識模塊主要總結(jié)為如圖1、圖2和圖3所示的知識單元。

圖1 關(guān)鍵知識單元模塊一

圖2 關(guān)鍵知識單元模塊二

圖3 四個(gè)關(guān)鍵知識單元模塊及其關(guān)系

圖1所示關(guān)鍵知識模塊一包括:CPU相關(guān)知識單元、存儲(chǔ)器相關(guān)知識單元和I/O 接口相關(guān)知識單元。

在講解CPU知識單元時(shí),要講透8086 CPU的編程結(jié)構(gòu)、尋址方式與指令系統(tǒng)、匯編語言程序簡單設(shè)計(jì)技巧等內(nèi)容。

在講解存儲(chǔ)器技術(shù)知識單元時(shí),要講透8086 CPU對存儲(chǔ)器的分段管理機(jī)制及訪問、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器刷新、全地址譯碼與部分地址譯碼等主要內(nèi)容。

在講解I/O 接口技術(shù)知識單元時(shí),要講透8086 CPU對I/O接口的獨(dú)立地址編碼與統(tǒng)一地址編碼、中斷技術(shù)、DMA訪問技術(shù)和程序控制的輸入輸出方法等內(nèi)容。

圖2所示為關(guān)鍵知識單元總結(jié)模塊二,主要是8086 CPU編程結(jié)構(gòu)知識單元的進(jìn)一步細(xì)化,重點(diǎn)講透CPU的執(zhí)行單元EU、總線接口單元BIU(包括通用寄存器和專用寄存器組)、對存儲(chǔ)器RAM的奇、偶地址體的分塊訪問、對I/O接口的讀寫訪問等知識點(diǎn)。

圖3總結(jié)了課程四個(gè)關(guān)鍵知識單元模塊及其關(guān)系的總結(jié),描述了8086 CPU如何通過系統(tǒng)總線對內(nèi)存和I/O接口進(jìn)行訪問。

2 建好線上平臺,培養(yǎng)探究學(xué)習(xí)

受到疫情影響,線上學(xué)習(xí)和教學(xué)研究是未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)高等教育教學(xué)與科研活動(dòng)發(fā)展的大趨勢。為此,線上教學(xué)環(huán)境建設(shè)、軟件操作、平臺持續(xù)升級、線上資源的豐富與持續(xù)更新非常重要。鼓勵(lì)學(xué)生線上聽課,培養(yǎng)學(xué)生基于網(wǎng)絡(luò)平臺課程信息資源的主動(dòng)學(xué)習(xí),是未來教學(xué)中最重要的途徑之一,更利于在新形勢下的高等教育教學(xué)質(zhì)量的不斷提高。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源逐步豐富,學(xué)生們可以通過多種通道獲取知識,同時(shí),教師線上教學(xué)可以采用多種網(wǎng)絡(luò)在線平臺提供的線上資源[2],把傳統(tǒng)的課堂講授通過視頻或課件上線前移,學(xué)生通過碎片化時(shí)間的個(gè)性化學(xué)習(xí),然后帶著知識基礎(chǔ)走進(jìn)課堂,線上和線下教學(xué)模式相結(jié)合,利于課程教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于超星平臺完成了課程教學(xué)資源信息化建設(shè),上傳了“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程教學(xué)課件,錄制了相關(guān)知識單元的視頻錄像,實(shí)踐了線下教學(xué)和線上線下混合式教學(xué)模式,學(xué)生與教師之間可以通過騰訊會(huì)議、超星學(xué)習(xí)通app、微信、郵件進(jìn)行互動(dòng)交流。學(xué)生們通過各種線上終端可以預(yù)先學(xué)習(xí)[3-4]如圖3所示的課程相關(guān)基本知識單元內(nèi)容;線上線下結(jié)合,線下教師在講透圖1、圖2的相關(guān)關(guān)鍵知識單元模塊的基礎(chǔ)上,學(xué)生課后再通過網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)和查閱相關(guān)文獻(xiàn),進(jìn)行相關(guān)知識單元的擴(kuò)展延伸,從而逐步引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí),提高協(xié)作學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生可以提高綜合學(xué)習(xí)能力,基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可以扎實(shí)地學(xué)習(xí)基礎(chǔ)內(nèi)容[5-9]。

3 實(shí)施課程思政,講好新故事

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極按照《蘭州大學(xué)關(guān)于課程思政建設(shè)的指導(dǎo)意見》要求,深入發(fā)掘和提煉課程思政內(nèi)容,并進(jìn)行總結(jié)融入和教學(xué)設(shè)計(jì)。

通過對當(dāng)前國家對卡脖子技術(shù)發(fā)展的政策學(xué)習(xí)和移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及相關(guān)操作系統(tǒng)發(fā)展需求調(diào)研,結(jié)合課程具體單元,課程團(tuán)隊(duì)成員積極討論,深入分析,進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),將愛國情懷、法制意識、社會(huì)責(zé)任、人文精神、仁愛之心等思政要素深入融合到課堂教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中,激發(fā)學(xué)生認(rèn)知、情感和行為的認(rèn)同,實(shí)現(xiàn)知識傳授與價(jià)值引領(lǐng)相統(tǒng)一、教書與育人相統(tǒng)一。培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷,培養(yǎng)學(xué)生積極探索、自力更生、刻苦鉆研、奮進(jìn)求是的科學(xué)精神?？偨Y(jié)起來,形成的課程思政教育內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容如表1所示。

表1 課程思政內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)

4 結(jié)合AI技術(shù),鼓勵(lì)學(xué)習(xí)新知識

在講清講透關(guān)鍵基本知識模塊的同時(shí),如何結(jié)合最新的人工智能相關(guān)科研動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展,引領(lǐng)學(xué)生對相應(yīng)新知識的擴(kuò)展和延伸學(xué)習(xí),是培養(yǎng)學(xué)生對“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程學(xué)習(xí)興趣的重要環(huán)節(jié)。

4.1 CPU技術(shù)的發(fā)展與GPU的誕生

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心技術(shù),是專門研究計(jì)算機(jī)如何模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為,以便獲得新的知識或技能,或者重組已有知識使之更加完善的一門技術(shù)。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展離不開高性能高速度的CPU芯片,更需要大容量高速訪問的內(nèi)存技術(shù)的支持。

8086 CPU的數(shù)據(jù)線寬度、尋址能力及時(shí)鐘頻率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)海量圖像信息的傳輸與處理,尤其是目前快速圖像處理環(huán)境的應(yīng)用需求。GPU是專門設(shè)計(jì)用來處理圖形圖像的處理器,其時(shí)鐘頻率一般以GHz計(jì),由上千個(gè)能同時(shí)進(jìn)行類似乘加運(yùn)算的高速多核處理器組成,允許128GB以上的存儲(chǔ)空間訪問,迎合了深度學(xué)習(xí)矩陣運(yùn)算、權(quán)值與偏置的更新存儲(chǔ)?；谟ミ_(dá)多種型號GPU的深度學(xué)習(xí)軟件平臺加速了多種深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的產(chǎn)生,是我們應(yīng)該關(guān)注的熱點(diǎn),也是CPU模塊單元學(xué)習(xí)應(yīng)該延伸和擴(kuò)展的知識點(diǎn),我們在線上網(wǎng)絡(luò)資源提供了多種基于深度學(xué)習(xí)圖像處理的各種熱點(diǎn)文獻(xiàn),吸引和鼓勵(lì)學(xué)生自主探究和學(xué)習(xí)努力。

4.2 高速多核CPU與深度學(xué)習(xí)

目前的CPU一般是4～8核,對應(yīng)有多核的操作系統(tǒng)延伸,是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心單元,是系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、I/O接口進(jìn)行信息交換的管理者,是數(shù)據(jù)運(yùn)算的執(zhí)行者。深度學(xué)習(xí)模型是從淺層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)展而來的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)可以多達(dá)幾百的多神經(jīng)元連接的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,需要同時(shí)進(jìn)行上萬個(gè)高速乘加運(yùn)算,其權(quán)值、偏置的數(shù)量達(dá)億,而經(jīng)典的8086 CPU的指令系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的乘/除法指令是其所有指令中字節(jié)數(shù)最多,執(zhí)行時(shí)間最長的指令,根本不適合深度學(xué)習(xí)的這種大量高速簡單并行的乘加運(yùn)算需求,深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練中的反向傳播算法,對存儲(chǔ)器空間的需求更大,并要求在有限的時(shí)間內(nèi)完成對龐大數(shù)量的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。通過GPU的并行處理,充分發(fā)揮其高速、多核、并行、超大存儲(chǔ)空間的訪問等優(yōu)勢,比常規(guī)的CPU快幾十倍以上,特別適合連續(xù)訪問內(nèi)存且不包含分支條件計(jì)算的強(qiáng)大算力要求。以GPU為中心的并行計(jì)算系統(tǒng)獲得快速增長。例如,英偉達(dá)研發(fā)的以其GPU為主的大型圖形圖像處理系統(tǒng)占據(jù)了深度學(xué)習(xí)研發(fā)平臺的主要軟硬件市場份額,其GTX10系列顯卡相對于GTX9系列就有巨大進(jìn)步,尤其顯存越來越大,可以支撐的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也越來越大;而RTX30系列顯卡相對RTX20系列則在核心處理器上有了很大的提升,可以加快深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練速度[10],特別是深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖形圖像處理中的應(yīng)用,例如:醫(yī)學(xué)圖像病灶分析監(jiān)測與分割,腫瘤圖像良惡性的判定與分類等等,都是龐大的矩陣運(yùn)算過程,特別適合GPU的優(yōu)勢發(fā)揮。在我們的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程線上資源平臺,專門提供了一些矩陣運(yùn)算的相關(guān)圖像處理應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)熱點(diǎn)文獻(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生對課程衍生學(xué)習(xí)的熱情與興趣,擴(kuò)展知識面,并與人工智能的發(fā)展應(yīng)用相結(jié)合。學(xué)生們通過自主探究學(xué)習(xí),可以進(jìn)一步了解和掌握基于GPU的數(shù)據(jù)處理的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用過程。

4.3 匯編語言與Python語言

匯編語言是基于8086 CPU指令系統(tǒng)產(chǎn)生的低級程序編寫語言,具有占有內(nèi)存空間小、CPU資源少、執(zhí)行效率高的優(yōu)勢,但缺點(diǎn)是編程繁瑣,尤其對于大量數(shù)據(jù)處理的環(huán)境,匯編調(diào)試實(shí)現(xiàn)效率低下。匯編語言切合了CPU的指令系統(tǒng),是與硬件結(jié)合最緊密的編程語言。人工智能時(shí)代,需要對海量數(shù)據(jù)及多種采集圖像的高速處理,需要大量的簡單乘加快速運(yùn)算。Python語言是一種解釋性的高級語言,經(jīng)過20多年的發(fā)展,包含了功能完備的標(biāo)準(zhǔn)庫和第三方庫,直觀性強(qiáng),針對圖形圖像處理、大數(shù)據(jù)處理的用戶編程需求,其數(shù)據(jù)處理軟件包NumPy擅長矢量、張量、矩陣運(yùn)算,適合應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)的圖像處理研究。其擁有的龐大的C語言編寫的數(shù)學(xué)函數(shù)庫,執(zhí)行效率高。另外,圖表繪制和圖像顯示外掛模塊Matplotlib能完成圖表繪制、散點(diǎn)圖和圖象顯示、簡單動(dòng)畫制作等。

作為電子信息工程類專業(yè),多種信號、數(shù)字圖像處理學(xué)習(xí),離不開Python語言的編程實(shí)現(xiàn)。

Python語言是進(jìn)行基于GPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的編程基本工具,是學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)的知識單元、開展機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)編程,必須掌握的必備的知識模塊。

4.4 I/O接口芯片與深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程學(xué)習(xí)中,可編程I/O接口芯片是首次遇到的集成電路工作模式可改變的電路,之前學(xué)習(xí)的各種模擬(集成運(yùn)算放大器)或數(shù)字集成電路(數(shù)字門電路或觸發(fā)器)芯片其工作模式都是固定的,結(jié)合可編程技術(shù)發(fā)展,基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的硬件實(shí)現(xiàn)是人工智能時(shí)代應(yīng)用非常重要的問題,集成在FPGA內(nèi)部的多種乘加運(yùn)算模塊和DSP、CPU軟核模塊等都是基于硬件平臺實(shí)現(xiàn)輕量化深度學(xué)習(xí)的多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的最佳軟硬件學(xué)習(xí)平臺,是結(jié)合人工智能發(fā)展的可編程硬件技術(shù)學(xué)習(xí)的重要的知識單元,“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程團(tuán)隊(duì)在線上資源建設(shè)平臺上提供了多個(gè)基于FPGA的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)鏈接,供學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),積極探索實(shí)踐。

4.5 翻轉(zhuǎn)課堂,培養(yǎng)主動(dòng)探索與研學(xué)能力

翻轉(zhuǎn)課堂是一種師生混合的學(xué)習(xí)模式,要求學(xué)生理解課程內(nèi)容,并通過自主學(xué)習(xí)知識單元或搜索文獻(xiàn)學(xué)習(xí),將問題和想法帶入課堂,然后進(jìn)行師生互動(dòng)討論,教師提供更加個(gè)性化的指導(dǎo)[11]。課程團(tuán)隊(duì)積極進(jìn)行課堂反轉(zhuǎn)實(shí)踐,結(jié)合微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中相關(guān)芯片技術(shù)難點(diǎn)和我國人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的熱點(diǎn)問題研究,學(xué)生通過分組學(xué)習(xí),進(jìn)行相關(guān)新技術(shù)、新概念以及深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新算法的熱點(diǎn)文獻(xiàn)搜集與學(xué)習(xí),總結(jié)制作PPT,自主上臺講解,教師點(diǎn)評,一起分析討論,在培養(yǎng)學(xué)生的信息檢索能力、文獻(xiàn)閱讀能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及自我表達(dá)能力的同時(shí),學(xué)生掌握了技術(shù)前沿動(dòng)態(tài)發(fā)展。將深度學(xué)習(xí)與“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程知識單元的學(xué)習(xí)相結(jié)合,這種實(shí)踐互動(dòng),使學(xué)生們可以對微機(jī)原理相關(guān)的最新知識進(jìn)行探究展望,主動(dòng)研學(xué)擴(kuò)展。

5 結(jié)語

人工智能技術(shù)是我國“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱要指定的重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域,人工智能相關(guān)技術(shù)熱點(diǎn)是電子信息工程類專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本知識單元,而“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程內(nèi)容繁多、概念瑣碎、要記憶的知識點(diǎn)多,同時(shí)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展快,新技術(shù)與新概念大量涌現(xiàn),特別是在人工智能飛速發(fā)展的新形勢下,如何結(jié)合課程關(guān)鍵知識單元的講解,擴(kuò)展延伸新的知識單元,培養(yǎng)和吸引學(xué)生對“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情、進(jìn)行對人工智能知識點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)和積極探究,如何在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的線上線下混合教學(xué)過程中,滲透和衍生擴(kuò)展相關(guān)人工智能的知識單元,是我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)正在積極探索的課題,這對于我們培養(yǎng)具有自主創(chuàng)新的科學(xué)探索精神的高素質(zhì)專業(yè)人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。