基于螺旋式的“微機(jī)原理與應(yīng)用”教學(xué)體系研究和探索

李小立　王榮輝

摘要:隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)出來,使肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和應(yīng)用的微機(jī)原理與應(yīng)用課程面臨巨大挑戰(zhàn)。作者經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐,探索出突出基本原理、理解實(shí)現(xiàn)技術(shù)、掌握應(yīng)用方法和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)體系。本文對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)閘述。

關(guān)鍵詞:螺旋式;模型計(jì)算機(jī);系統(tǒng)結(jié)構(gòu);總線;CPU

中圖分類號(hào):G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

人們認(rèn)識(shí)事物總是由表及里,由局部到整體,由具體到抽象,由低級(jí)到高級(jí)循環(huán)往復(fù)逐步提高的螺旋式過程。在“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”的教學(xué)實(shí)踐中,面對(duì)著僅僅學(xué)過“C語言程序設(shè)計(jì)”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”的當(dāng)代學(xué)生,以及伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用不斷涌現(xiàn)出來的新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用領(lǐng)域,如何激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,培養(yǎng)其綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的能力和創(chuàng)新能力,一直是大家努力摸索的主題。本文基于多年的教學(xué)實(shí)踐,總結(jié)出突出基本原理、理解實(shí)現(xiàn)技術(shù)、貼近現(xiàn)實(shí)、掌握應(yīng)用方法的螺旋式教學(xué)體系。

2理清課程主線、突出基本原理

2.1從具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)中增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)

圍繞計(jì)算機(jī)的兩個(gè)本質(zhì)特征---存儲(chǔ)程序和自動(dòng)運(yùn)行,構(gòu)建一個(gè)簡化的模型計(jì)算機(jī)。詳細(xì)分析其存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)單元地址碼、字節(jié)(Byte)、字(Word)、存儲(chǔ)器分配等概念,分析CPU的基本組成、結(jié)構(gòu)和工作過程,展示如何 由程序計(jì)數(shù)器PC的值從存儲(chǔ)器(ROM)中取出一條指令,將其中的操作碼放到指令寄存器(IR)中,由指令譯碼器(ID)譯碼后經(jīng)控制部件(CON)產(chǎn)生控制字,對(duì)指令中的操作數(shù)完成具體的操作;突出強(qiáng)調(diào)存儲(chǔ)程序和通過程序計(jì)數(shù)器PC自動(dòng)指向下一條要執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的地址,從而程序啟動(dòng)后就自動(dòng)地由第一條指令執(zhí)行到最后一條停機(jī)指令。結(jié)合其工作過程的分析,說明了連接CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口的總線概念;以建立完整的微型計(jì)算結(jié)構(gòu)、組成和工作原理的概念視圖;進(jìn)一步深入分析控制部件(CON)的組成、工作原理,說明指令譯碼器(ID)如何將不同的指令操作碼譯為不同的高、低電平信號(hào),在機(jī)器節(jié)拍的配合下經(jīng)控制矩陣產(chǎn)生出所需的控制字。

隨后給出幾個(gè)程序設(shè)計(jì)示例,全面、直觀、具體地認(rèn)識(shí)微機(jī)系統(tǒng)的硬件組成、工作原理和應(yīng)用程序設(shè)計(jì);并自然地從提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的角度引入流水線技術(shù)、高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)(Cache)、虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)在微機(jī)中的應(yīng)用,完成螺旋式認(rèn)知過程的第一輪循環(huán)。實(shí)踐表明:在此模型計(jì)算機(jī)硬件和指令系統(tǒng)的分析應(yīng)用過程中,很好的消除了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)概念抽象、工作原理神秘感,達(dá)到了激發(fā)學(xué)生探究知識(shí)的興趣和增強(qiáng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性的目的。

2. 2 適時(shí)引入典型內(nèi)容、做好跨越準(zhǔn)備

以8086CPU為代表的16位微機(jī)系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面對(duì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)32位機(jī)系統(tǒng)提供了技術(shù)踏腳石:

(1) 大容量(1MB)內(nèi)存儲(chǔ)器管理,引入分段技術(shù)

由220 = 1M可知需要20位的地址才能尋址1MB存儲(chǔ)空間,而CPU內(nèi)的段寄存器都是16位的,無法直接存儲(chǔ)這20位地址;為此將1MB的內(nèi)存空間分成16個(gè)段,每段64KB,這樣就可以在段內(nèi)用16位地址尋址了。

(2) 中斷系統(tǒng),引入了中斷向量表

通過設(shè)置中斷向量表,使得由中斷類型號(hào)可以方便地獲得中斷向量。

(3)I/O接口系統(tǒng)

引入16位端口地址,使系統(tǒng)可以管理216 = 64K個(gè)I/O端口。

有前面的學(xué)習(xí)內(nèi)容作基礎(chǔ),配合這部分的詳盡原理圖,多數(shù)同學(xué)都能順利完成對(duì)微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、I/O接口設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力的再一次提高;通過分析程序存儲(chǔ)器,提出了該系統(tǒng)難以對(duì)用戶的應(yīng)用程序提供保護(hù)功能;內(nèi)存容量的進(jìn)一步增大受到限制;一次只能進(jìn)行一個(gè)用戶的一個(gè)任務(wù);系統(tǒng)吞吐量(每秒執(zhí)行指令數(shù))的提高受到限制等,自然引入以Pentium系列微處理器為代表的32位微處理器。

2.3順利過渡、貼近現(xiàn)代技術(shù)水平

以介紹解決上述問題的各種技術(shù)探索為契機(jī),自然地引入32位微處理器Pentium從體系結(jié)構(gòu)上的概念性的改變和革新。如先進(jìn)的CISC和RISC相結(jié)合的技術(shù)、超標(biāo)量流水線技術(shù)和分支預(yù)測技術(shù),普遍采用流水線和指令重疊執(zhí)行技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)技術(shù)、片內(nèi)二級(jí)存儲(chǔ)管理技術(shù)。

詳細(xì)介紹Pentium的實(shí)地址方式、保護(hù)方式、虛擬8086方式的特征和它們之間轉(zhuǎn)換過程,以及Pentium的保護(hù)技術(shù),充分體現(xiàn)現(xiàn)代微處理器如何實(shí)現(xiàn)向上兼容、對(duì)多用戶多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)和對(duì)各級(jí)程序的保護(hù)等核心技術(shù)。

在其實(shí)現(xiàn)技術(shù)上,通過段寄存器和描述符以及保護(hù)方式的尋址機(jī)制的介紹,深刻理解和掌握Pentium微處理器的分段、分頁技術(shù);對(duì)四個(gè)特權(quán)級(jí)的描述,進(jìn)一步從整體上全面認(rèn)識(shí)現(xiàn)代微處理器保護(hù)技術(shù)。

為了增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能力,對(duì)總線技術(shù)的學(xué)習(xí)是必不可少的。在眾多的各類總線技術(shù)中,選擇現(xiàn)在廣泛流行的PCI總線,從其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)、命令類型、中斷及響應(yīng)、編址及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等方面展開學(xué)習(xí);再簡單介紹外部總線如IDE、EIDE和SCSI及RS—232C等內(nèi)容,使同學(xué)們面對(duì)電腦能夠有條理地進(jìn)行分析和解決一些實(shí)際應(yīng)用問題,完成螺旋式認(rèn)識(shí)過程的又一次飛躍,也為進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平和能力打好基礎(chǔ)。

3理解實(shí)現(xiàn)技術(shù),突出工程技術(shù)特點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域,長期存在著教育的發(fā)展滯后于現(xiàn)實(shí)需求的現(xiàn)象,理論是高高在上的思辨,而經(jīng)驗(yàn)則是最基本的實(shí)踐規(guī)則。理論不足以說明經(jīng)驗(yàn),經(jīng)驗(yàn)也無法凝聚于理論結(jié)構(gòu)之中。

為了走出這一困境,應(yīng)該在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computer Architecture)、計(jì)算機(jī)組成(Computer Organization)、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computer Implementation)這三個(gè)層次建立有機(jī)的聯(lián)系。

在以8086/8088為CPU的微型機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,其組成原理相對(duì)經(jīng)典和簡單,在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)中的核心是各類部件間的接口設(shè)計(jì);通過分析其工作時(shí)序圖,結(jié)合有關(guān)器件的工作原理尤其是I/O特性、負(fù)載特性等,不難設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn),如針對(duì)8086CPU的 和16位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線,由工作時(shí)序圖就可看出需要由地址鎖存允許信號(hào)ALE控制鎖存器對(duì)其進(jìn)行鎖存。

在以Pentium為CPU的微型機(jī)系統(tǒng)中,其實(shí)現(xiàn)技術(shù)就復(fù)雜得多。只有從各種總線技術(shù)、總線標(biāo)準(zhǔn)和控制芯片組等方面著手,才能清楚地說明Pentium微型計(jì)算機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

4深化課程改革,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力

長期以來,“微機(jī)原理與應(yīng)用”課程相對(duì)于有些課程而言,一直有“老師難教,學(xué)生難學(xué)”的說法。經(jīng)過多年的探索和交流,我們逐步清晰地認(rèn)識(shí)到產(chǎn)生這種結(jié)果的方方面面,除了日新月異的各種微機(jī)新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)推動(dòng)、“老師講得多,學(xué)生理解的少”外,最主要的就是老師希冀以包辦的方式來傳授知識(shí),忽視了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性的培養(yǎng);日積月累,直接導(dǎo)致了教學(xué)效果與目的的背離、壓抑了學(xué)生的創(chuàng)新能力并損害了他們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。只有在現(xiàn)代教育理念指導(dǎo)下,對(duì)教學(xué)體系進(jìn)行切合實(shí)際的改革,才能走出困境。

通過對(duì)課程自身進(jìn)行縱向和橫向的分析,確定重點(diǎn)和難點(diǎn)。充分應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段,建設(shè)網(wǎng)上精品課程,在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上向?qū)W生提供教學(xué)大綱、電子教案、網(wǎng)上答疑、并推薦網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源;利用網(wǎng)絡(luò)這一現(xiàn)代教學(xué)手段,打破傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制;鼓勵(lì)學(xué)生提出問題、提出解決方案,課堂上大家進(jìn)行交流。

通過加大綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重,增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫;對(duì)教學(xué)計(jì)劃中安排有課程設(shè)計(jì)的專業(yè),還通過對(duì)設(shè)計(jì)題目、內(nèi)容、方案的開放,對(duì)實(shí)驗(yàn)室的開放,營造一個(gè)激發(fā)同學(xué)們創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的環(huán)境;如本院電氣專業(yè)一位同學(xué)提出了計(jì)算機(jī)在餐飲業(yè)的新應(yīng)用設(shè)計(jì)方案;

Intel公司的創(chuàng)始人之一Gordon Moore曾預(yù)言:“電子計(jì)算機(jī)CPU的性能每18個(gè)月就會(huì)翻一番”。面對(duì)這樣裂變式的知識(shí)爆炸時(shí)代,優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法、豐富教學(xué)手段無疑是所有可采取措施中的首選。

在全方位研究各基本概念和過程的本質(zhì)特征后,設(shè)計(jì)直觀、簡明和有深刻印象的方法將它們介紹給學(xué)生,并用類比、演繹、歸納等方法使兩者間建立直觀聯(lián)系,是達(dá)到良好教學(xué)效果的有效途徑;如介紹中斷系統(tǒng)時(shí),將中斷信號(hào)的異步特性比做手機(jī)的鈴聲,何時(shí)會(huì)響鈴聲事先一般是不知道的,一旦響了,就提出了中斷請(qǐng)求,能否響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求是受允許位控制的;若允許響應(yīng),就可暫停當(dāng)前的工作去接聽電話,聽完后再自動(dòng)回來接著做原來的工作;若不允許響應(yīng),就不能夠接聽,該中斷請(qǐng)求就被屏蔽了。

5結(jié)束語

人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)規(guī)律總是由低級(jí)到高級(jí),由局部到整體,由表象到本質(zhì)循環(huán)往復(fù)、螺旋式上升的;“微機(jī)原理與應(yīng)用”課程直接面對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的新技術(shù)、新產(chǎn)品和新應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)充,如何在安排的課時(shí)內(nèi)使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)、應(yīng)用能力,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力并貼近現(xiàn)實(shí),迫切需要有符合認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)體系來協(xié)同支持。

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