問題牽引的匯編語言教學實踐

許向陽 王元珍

摘要:沒有問題就是最大的問題。培養學生發現問題、提出問題、解決問題的能力是教學改革的重要內容。本文介紹了匯編語言教學活動中提出的系列問題,通過教師的示范、引導和鼓勵,在輕松和諧的師生交流環境中將知識學習和思維能力培養有機的統一起來。

關鍵詞:匯編語言;寄存器;思維能力;建構主義

中圖分類號:G642文獻標識碼:B

1引言

沒有問題就是最大的問題。沒有問題的安逸如同沒有引爆的地雷一樣危險。在滿堂灌輸、不與學生交流和溝通的教學模式下,學生只是被動的接收知識,其發現問題的能力、提出問題的勇氣、解決問題的追求、尋根問底的態度在悄無聲息的受到摧殘。久而久之,學生成為了一個無所思無所想的機械,失去了思維的活力、想象的活力、創造的活力。

問題的提出是解決問題的開始。圍繞某一知識點提出一系列的問題,在師生互動中解決這些問題,能夠將知識學習和能力培養有機的結合在一起。這種教學方法是建構主義理論實踐的具體體現。建構主義認為認識是一種以主體已有的知識、經驗、認知結構、心理結構等為基礎的主動建構過程,堅信知識是由認知主體主動建構的結果,學習是認知主體的一個意義建構的過程,教學是培養學生主體性的創造活動,是引導學生從原有的知識經驗中生長出新的知識經驗的過程,教師應是學生主動建構意義的促進者、合作者和指導者。

本文以匯編語言的最基礎內容——寄存器教學實踐為例,介紹教學過程中提出的一系列問題。通過問題的牽引,教師與學生、學生與學生之間的互動,將有關知識組織組成網絡,開闊學生的眼界,培養學生主動求知的技能、態度與習慣。

2數據寄存器教學中問的問題

數據寄存器是學習匯編語言時學生最早接觸的內容,單純的介紹有哪些寄存器(名稱、大小),各個寄存器的含義(常用用法),學生們會覺得寄存器很抽象,既不知道寄存器有何實際用途,也不知道如何使用寄存器。我們通過系列問題的牽引,從不同角度不同側面來解讀寄存器,將新知識和已有知識組織成一個網絡。

(1) 為什么要設置寄存器?

通過“CPU執行一個加法指令”的具體應用場景來引導學生回答。CPU要執行一個加法操作,就需要從內存取兩個操作數,CPU能夠一次性地取來兩個操作數嗎?答案是不能,地址總線、數據總線上一次只能加載一個單元的地址和數據。先取到的數據放在何處呢?類比生活中車站、超市的寄存處,學生能自然而然的接受寄存器的概念。

(2)CPU的執行部件中有哪些寄存器呢?32位的寄存器是什么含義?

這些問題的回答是寄存器教學的基本內容,在匯編語言教材上都有較詳細的介紹。但是我們在教學時對有些內容進行了簡化,避免一次性引入過多的概念。

(3) 寄存器為何能記住0、1呢?

直接回答該問題已超出了本門課程的范疇。但為了激發同學們的好奇心,有必要提出該問題。同時指出計算機組成原理將會回答該問題,使學生感受課程間的一些聯系。

(4) 如何使用寄存器?

用一個指令實例說明一種給寄存器賦值的方法。例如:MOV EAX, 12345678H。之后,一個接著一個地提出寫完成某功能的指令問題。遵循循序漸進、由淺入深的原則,使學生能夠模仿實踐(學生自己寫指令)、能夠在和已有知識關聯中給出答案,在問答互動和鼓勵中,建立信心,鞏固所學知識、開啟靈活應用之門,開闊思路和眼界。

① 如何將EAX的低16位全部置成0?

② 如何將EAX的低8~15位全部置成1?

③ 有無其他將EAX的低16位全部置成0的方法?

④ 如何將EAX的高16位全部置成0?

⑤ 如何將EAX的第30位置成0?

⑥ 如何將EAX的第30位置成1?

在此過程中,一方面使學生記牢32位寄存器、16位寄存器、8位寄存器之間的相互關系,另一方面調動學生積極性,思考實現各功能的辦法。教師作為引導者只是進行必要的啟發提醒。與此同時,同學們看到了算術運算(減法)、邏輯運算(XOR、AND、OR)、移位操作、數據傳送(借助其他寄存器)等方法的指令。建立實現某一種功能的指令多樣性概念,破除指令寫法僵化單一的迷信。在應用中熟悉了指令的功能和寫法,在寫指令的過程中強化了記憶。

(5) 通用寄存器又為何給予特定含義的名稱?

我們以一個生活場景來進行類比,講解通用性與常用性的關系。飲水的杯子作為一種容器,它可以用來裝可樂、裝牛奶、葡萄酒,這就是容器的通用性,但我們一般只有它來喝水,即常用性。“葡萄美酒夜光杯”,用茶杯喝紅葡萄酒就難顯現品酒的情趣和情調。類比CPU里要計算一組連續數的和,涉及到和、加法的次數、加數的位置等信息的存放,需要不同的寄存器。各種信息分別存放到什么寄存器中?從寄存器的通用性角度來看,可用累加器EAX來保存計數值,用計數器ECX來保存和等。同時指出不需要這樣標新立異,而要注重約定俗成,注意程序的可讀性和可理解性。當然,也可以指出在某些指令中是要專用某些寄存器的。

計算機作為人類史上的杰出人造產物,其設計之中有很多優美的地方,值得我們品味和欣賞、借鑒和學習,其中寄存器的命名、指令的命名都能很好地表達“望文生義”的理念。解讀這些理念是對學生欣賞能力的一個熏陶,也是人文和科技和諧統一的具體體現。

(6) 寄存器在什么時候使用呢?

雖然前面已從原理上分析了寄存器存在的必要性,但在一般的C語言程序中并沒有直接使用到寄存器。因此,我們使用VC++6.0環境下的調試工具顯示一個C語言程序及其對應的機器碼,如圖1所示,很清楚地展現寄存器在被不停地使用著,寄存器這些程序運行必不可少的幕后英雄走上了前臺。學生能夠初步看到編譯器的杰作。

在閱讀“z=x+y; a[x]=100”等語句對應的機器指令時,請同學猜測各指令的功能。在機器指令的單步執行中,觀察寄存器的變化,在互動中鞏固前面所學知識,極大地消除了對匯編語言、指令、寄存器等的神秘感。

(7) 能否現在動手體會一下所學內容呢?

從學習寄存器開始就可以使用調試工具來寫一些指令,然后執行這些指令,觀察指令的執行結果,并不需要有完整的程序才能使用調試工具。調試器TD的用法在文獻[5]中有較詳細的介紹。

(8) 如何理解寄存器中0、1的含義?

學生在前面課程的學習中,從宏觀的角度建立了計算機程序復雜、應用靈活、表象豐富的概念。而在匯編語言課程中,將從微觀的角度揭示計算機工作簡單、呆板的一面。在學習匯編語言之時,學生要轉變觀點,以機器的角度去考慮問題,把自己當成一個CPU,理解計算機工作的本質。這會引發許多值得深思的問題。

首先,讓學生牢固建立計算機世界是0、1世界的觀點,認識計算機是一個編碼的世界,人世間的萬事萬物映射到計算機中都是0、1,就如豐富多彩的物質世界只由有限化學元素組成一樣。復雜的對象由簡單的元素排列組合而成。其次,建立計算機(CPU)是機械工作的觀點,它是按部就班的處理指令,當根據CS:EIP取出指令后,才依序確定指令各成份的含義,進行解釋和操作,改變EIP,就會看到指令都發生了變化。這也就是說,0和1代表的含義和作用是在程序運行時才體現出來的,具有動態性和角色轉換性,例如對于文件拷貝程序、病毒程序而言,被拷貝或感染的程序只是作為一個數據對象;而在運行時,指令的各組成成份依其位置起到操作碼、地址碼、操作數等作用。第三,計算機并不關心0、1串對應現實世界對象的含義,而只是機械的處理;而對于編程者和程序閱讀者,他們會關心各對象代表的含義,他們達成一致性的理解是得益于對象出現的場景和雙方的約定,這也是人們編寫和閱讀程序的基礎。

3其他寄存器教學中問的問題

與數據寄存器教學一樣,我們也通過一系列問題來引導學生思考,學生在思考中尋求問題的答案,逐步加深對計算機工作基本原理的理解。

(1) 指令的地址放在何處?

(2) 改變EIP的值,TD代碼區有何變化?TD的數據區有無變化?

(3)C語言程序變量的定義和處理語句是混在一起的,在其對應的機器語言程序中,它們所占空間在一起嗎?

從取指令、EIP自動更新的方法、計算機基本的工作過程分析,不難給出其答案。將數據所占的存儲空間與指令所占的存儲空間分開,又是編譯器編譯時的功勞。該問題的解答自然會引出分段的概念。

(4) 在指令中出現的地址能夠是物理地址嗎?有必要是物理地址嗎?

(5) 在調度程序運行時,指令之間的相對位置會發生變化嗎?

(6) 能用16位的寄存器存放20位的段開始位置的物理地址嗎?

(7) 段從內存的何處開始?段的首地址放在何處?

教學實踐表明,學生在一個一個問題中受到了啟發,問問題和解答問題的能力和習慣逐步得到了強化,課堂充滿了活力和生機,激發了探究式學習的熱情。

4結束語

學習過程中最大的問題是沒有問題。一個無所思無所想的機械是沒有創造活力的。興趣是最好的老師,而體現興趣的一個重要方面就是心中存有“為什么、是什么、怎么樣、行不行、可以嗎”等問題。示范、引導、鼓勵學生從多角度多視野來問問題,培養學生細致入微的觀察能力,深刻全面的分析能力,使學生逐步養成主動求知的態度與習慣,這都將為創新活動奠定良好的基礎。

參考文獻:

[1] 江珊. 沒有問題就是最大的問題[M]. 北京:新華出版社,2009.

[2] 張建偉,陳琦. 從認知主義到建構主義[J]. 北京師范大學學報:社會科學版,1996(4):75-82.

[3] 王曉茜. 建構主義教學論探析[J]. 科學探索,2006(11):30-31.

[4] 陳威. 建構主義學習理論綜述[J]. 學術交流,2007(3):175-177.

[5] 許向陽. 80X86匯編語言程序設計上機指南[M]. 武漢:華中科技大學出版社,2007.