基于３２位結構的微機原理教學方案

摘要:本文結合教學實踐介紹了一個基于32位結構“微機原理”課程的教學方案,選擇IA-32處理器、32位匯編語言作為課程的主體教學內容,也說明了進行接口硬件實驗的實驗系統特點,以及基于32位教學內容的取舍原則。

關鍵詞:微機原理;教學方案;32位

中圖分類號:G642文獻標識碼:B

“微機原理”是我國高等院校電子、自控、機電、計算機等電類專業的基礎課。該課程包括本科、專科層次,有多種名稱,但主體內容則是微型計算機基本工作原理、匯編語言及接口技術三大部分,并配置匯編語言軟件上機和接口技術硬件實驗的實踐環節。從上世紀80年代開始,我國高等院校陸續以16位結構實施“微機原理”教學,主體內容是16位8086/8088處理器、DOS平臺的16位匯編語言和16位IBM PC系列機接口技術。

隨著微型計算機技術的飛速發展,越來越多的“微機原理”課程融入了32位教學內容,甚至直接以32位結構為主體。但是,如何基于32位結構、展開這三部分教學內容,以及如何將這三部分內容銜接貫穿整個課程卻是一個需要解決好的問題。本文結合作者主編的教材和具體的教學實踐,給出一個可行的教學方案。

1基于IA-32處理器

“微機原理”課程是圍繞典型處理器(即中央處理單元CPU、微處理器)為核心展開其教學內容的。基于32位結構的“微機原理”課程中,選擇什么處理器也就至關重要。通用微型計算機上使用過80386、80486、奔騰(Pentium)系列處理器,現在是酷睿(Core)系列處理器,似乎哪一種都不完全適合課程要求。事實上,我們沒有必要考慮具體采用哪一種處理器,英特爾公司已經給出了名稱,即英特爾32位結構(32-bit Intel Architecture)的處理器,簡稱IA-32處理器。

IA-32處理器是32位80x86結構處理器的總稱。在側重基本工作原理的“微機原理”課程中,我們應該更多地講授32位結構處理器的共性內容,而不是某個具體處理器的個性特征。所以,基于32位結構的微機原理教學方案中,“IA-32處理器”是一個很自然的選擇,也揭示了我們課程的重點:是共性的原理,不是技術細節。

教學內容中,我們可以介紹各代IA-32處理器,以便讓學生了解處理器技術發展情況,也完全有必要給學生引出最新進展。但是,處理器的寄存器結構、存儲器組織、引腳信號等都是基于IA-32處理器共性內容。尤其是處理器引腳信號,各代各款IA-32處理器都不相同,所以我們重點講授數據總線、地址總線和基本讀寫控制總線的作用,給出有代表性的處理器(例如8086、Pentium)引腳,沒有必要詳細展開某個處理器所有的引腳信號。

2基于32位匯編語言

確立了32位結構的處理器,也就確立了32位的指令系統。在“匯編語言”部分的教學中,我們可以自然地講解IA-32處理器的32位通用寄存器、常用32位指令及編程。然而,我們面臨了一個操作系統平臺的選擇問題。

通用微型計算機主要采用32位Windows操作系統,但匯編程序(例如MASM等)卻不能很好地支持Windows應用程序開發。另一方面,匯編程序沒有標準函數(子程序)等資源,必須調用操作系統功能才能實現鍵盤輸入和顯示器輸出。而Windows系統功能的調用是按照C/C++高級語言語法定義的,匯編語言很難調用,尤其對初學者來說是不可能掌握的。

好在Windows操作系統利用IA-32處理器的虛擬8086方式提供了模擬MS-DOS的環境(即COMMAND.COM程序),使得我們的實踐環節可以仍然基于DOS平臺、采用簡單的DOS功能調用。雖然這只是一個16位平臺,但是卻可以實踐32位通用指令編程,也可以與后續接口技術部分內容相互銜接。所以這種折中方式是一種可行的教學方案,尤其對于水平較低的普通本科、或者專科層次的學生來說是較好的選擇。在作者主編的清華版《微型計算機原理及應用》教材、以及我們的成人教育學生就采用這個教學方案。

當然,能夠在IA-32處理器保護方式實踐32位匯編語言就更加理想。目前,我們可以采用32位Windows控制臺(即CMD.EXE程序),它的使用與MS-DOS一樣,但卻是一個真正的32位操作系統平臺。為了避免一開始就讓學生熟悉難于掌握的Windows系統函數調用,我們可以事先編寫一個實現基本鍵盤輸入和顯示器輸出的子程序庫。國內外不少32位匯編語言教材都采用了這個思路。更進一步,我們可以利用子程序庫打造一個平臺無關的、統一的、簡單的調用方法,讓學生避開繁瑣的功能調用而輕松入門。這樣也同時解決了接口技術部分又需要學習DOS系統調用的問題。在作者主編的機工版《微機原理與接口技術——基于IA-32處理器和32位匯編語言》教材、以及我們的統招本科學生就采用這個教學方案。

鑒于目前國內外匯編語言的教學現狀,我們認為有必要建立一套系統I/O的統一調用規則,它的作用相當于高級語言的標準函數。這也是我們提出并實踐著的“匯編語言多元化教學方案”中一個關鍵思路。

3基于32位PC機的接口實驗

盡管微型計算機的軟硬件平臺都進入了32位環境,但是微機接口技術部分的教學內容并沒有改變。一方面,這是因為基本的接口技術并沒有改變。并行接口、定時接口、模擬接口等內容仍然基于傳統的8位結構,在16位結構的“微機原理”課程中也是如此。另一方面,32位Windows操作系統限制應用程序進行直接的外設I/O操作,也使得這部分教學內容難有改變。

那么,在32位微機軟硬件平臺如何實踐微機接口的硬件實驗呢?目前,這個問題也有了比較滿意的教學方案,例如清華大學的TPC通用微機接口實驗系統、西安唐都的TD-PIT實驗及開發系統等。我們學院的“微機原理及接口技術”課程配置清華大學的TPC-USB通用微機接口實驗系統。該系統可以進行存儲器讀寫、中斷、8255、8253、ADC和DAC等驗證性實驗和綜合實驗,也支持開展課程設計。TPC-USB系統的硬件主體是一個實驗臺,它以USB接口形式連接主機。該系統同時提供一個基于Windows操作系統的集成開發軟件,并模擬一個MS-DOS環境(不是Windows本身的DOS環境)進行硬件接口實驗。我們開發的I/O子程序也可以在該系統中使用,很好地解決了32位Windows控制臺和16位MS-DOS環境匯編語言的一致性問題。

4基于32位結構的教學內容取舍

基于32位結構的“微機原理”課程要在原16位結構教學內容的基礎上進行適當取舍,刪除過時的陳舊技術,保留核心的基本原理,增添最新的先進知識。

不管是早期基于8位Z80和TPC801單板機,或現在基于16位8086和IBM PC系列機,還是基于32位IA-32處理器和32位PC機,“微機原理”課程的教學目標沒有根本改變,其反映基本工作原理的核心內容也應該繼承。例如,微型計算機組成、尋址方式、常用指令、匯編語言程序設計、處理器引腳和時序、總線技術、存儲器芯片、外設數據傳送方式、常用接口芯片等都是必不可少的知識單元。雖然在具體的平臺結構上,細節的教學內容會有所不同。

基于32位結構的“微機原理”課程,在教學內容的編排上應該直接以32位教學內容為起點,不宜將32位內容作為16位內容的補充,安排在各章最后或課程最后。硬件上,要以IA-32處理器和32位PC機為主體介紹微型機工作原理;軟件上,要以32位指令系統展開匯編語言編程。這樣,教學內容可以很自然地摒棄陳舊的8位和16位技術,也便于引出最新的32位、甚至64位技術。例如,匯編語言的32位Windows編程、與Visual C++的混合編程,高速緩沖存儲器和存儲管理,精簡指令集計算機思想、浮點處理和多媒體指令,以及指令流水線、多線程、多核等技術。

在強調基本工作原理的基礎上,需要在教學過程中淡化不必要的技術細節。例如,重點講解存儲器地址譯碼原理,不展開存儲器芯片的連接細節。再如,抓住基本讀寫控制信號和基本讀寫總線周期,不詳細介紹所有引腳功能和時序。特別需要關注的是匯編語言編程,指令繁多、規則凌亂是這部分內容的突出問題。我們只選擇所有指令系統都具有的、核心的處理器指令,只引出所有匯編程序都支持的、基本的偽指令。我們通過程序片段(或對比高級語言)掌握常用數據處理指令,結合簡單的程序框架、并通過程序結構學習控制轉移指令和編程方法。這樣,重點突出、課時減少,還能夠滿足實踐環節的應用需求。

總之,基于32位結構進行“微機原理”課程的教學改革是必然的趨勢。教學改革過程中也必然會遇到各種各樣的問題。本文作者結合教學實踐介紹了一個可行的教學方案,歡迎大家閱讀我們的教材、也可以訪問我們的教學網站(http://www2.zzu.edu.cn/qwfw),批評指正、探討交流。

參考文獻:

[1] 錢曉捷. 微機原理與接口技術——基于IA-32處理器和32位匯編語言[M].4版. 北京:機械工業出版社,2008.

[2] 錢曉捷. 微型計算機原理及應用[M]. 北京:清華大學出版社,2006.

[3] 穆玲玲,錢曉捷. 32位匯編語言程序設計[M]. 北京:電子工業出版社,2007.

[4] Kip R. Irvine. Intel匯編語言程序設計[M]. 4版. 溫玉杰,等譯.北京:電子工業出版社,2004.

[5] 錢曉捷. 匯編語言多元化教學方案初探[C]// 河南省計算機學會.計算機研究新進展(河南省計算機學會2008年學術年會論文集). 北京:電子工業出版社, 2008: 282-285.

[6] 唐祎玲,毛月東. 32位微機原理與接口技術實驗教程[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2003.

[7] 馬旭東. 32位環境下微機原理與接口實驗教學改革探討[J]. 電氣電子教學學報,2006,28(4):5-9.

[8] 錢曉捷. 重新認識匯編語言[J]. 中國大學教學,2004(7):47-49.