“微機(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容改革探討

左冬紅，張 林

(華中科技大學(xué)電子與信息工程系，湖北 武漢 430074)

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已深入到社會的各個領(lǐng)域，其表現(xiàn)形態(tài)各異。如何有效地組織“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的教學(xué)，讓高校電氣信息學(xué)科類專業(yè)培養(yǎng)的人才能夠快速適應(yīng)社會各行業(yè)對計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的需求，成為該課程教學(xué)改革面臨的問題。

1 國內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程相關(guān)教材包括國家精品課程的教學(xué)內(nèi)容，該課程可以分為三類:①以8086/88 16位微處理器為主組織內(nèi)容［1-3］;②以32位x86微處理器為主組織內(nèi)容，除介紹32位微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)［4］、32位指令系統(tǒng)以及win32匯編編程［5］之外，還較詳細(xì)地講解32位計算機(jī)系統(tǒng)所采用的不同于16位機(jī)的新技術(shù)如保護(hù)模式的軟件體系結(jié)構(gòu)［6］、虛擬存儲、超標(biāo)量設(shè)計、流水線作業(yè)及MMX技術(shù)等;③以嵌入式處理器為主組織內(nèi)容［7-8］，采用單片機(jī)或嵌入式處理器進(jìn)行教學(xué)。

這三類教學(xué)內(nèi)容具有共同的特點是:①都是以某個微處理器為主線介紹計算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理;②軟件部分都是介紹該處理器的匯編語言指令及匯編語言程序設(shè)計方法;③硬件部分則是基于該處理器的存儲器擴(kuò)展和IO接口設(shè)計，采用具體的簡單的芯片進(jìn)行相關(guān)原理的學(xué)習(xí)。

2 存在的問題

國內(nèi)大部分高校的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)方式存在以下四個問題。

(1)對計算機(jī)軟件與硬件之間的接口原理學(xué)習(xí)幾乎是個缺口。學(xué)習(xí)計算機(jī)原理必須學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)中軟件和硬件之間的接口，了解軟件如何有效控制硬件工作的原理。此外，目前該課程中軟件是學(xué)習(xí)匯編指令以及匯編程序設(shè)計，最多不過通過匯編語言來講述一些復(fù)雜算法的匯編程序?qū)崿F(xiàn)。然而實際應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)很少利用匯編語言，而是利用高級語言如C和Java等。

(2)目前大部分高校在教學(xué)內(nèi)容組織上基本上都是針對某個處理器來進(jìn)行學(xué)習(xí)的，讓學(xué)生僅學(xué)習(xí)該微處理器以及其他常用芯片的使用，而對通用計算系統(tǒng)設(shè)計的基本原理掌握不夠。

(3)課程體系中同系列課程之間的銜接不夠緊密。“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程在電氣信息類整個課程體系中向下銜接“數(shù)字邏輯與電路設(shè)計”課程，向上銜接計算機(jī)軟件相關(guān)課程，應(yīng)該幫助學(xué)生建立這些相關(guān)課程的體系結(jié)構(gòu)。

(4)同系列課程之間的教學(xué)內(nèi)容層次區(qū)別不清楚，主要表現(xiàn)在與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的層次區(qū)分上。“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程是“嵌入式系統(tǒng)”課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，因此該課程應(yīng)該強調(diào)通用計算系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)，并介紹不同體系結(jié)構(gòu)的計算系統(tǒng)工作原理及其特點。而不僅僅是某個具體的CPU為核心的計算系統(tǒng)。

3 美國高校相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀

針對以上問題，我們調(diào)研了美國USNews排名前三位的麻省理工學(xué)院EECS系、斯坦福大學(xué)EE系和伊利諾伊大學(xué)厄本那—香檳分校ECE系相關(guān)課程設(shè)置，發(fā)現(xiàn)有以下特點。

(1)微機(jī)原理課程理論部分不是以某個微處理器來進(jìn)行教學(xué)，而是講解通用計算機(jī)系統(tǒng)的基本原理，在具體的實驗中安排學(xué)生通過自學(xué)不同的微處理器使用手冊去完成實驗。

(2)數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)課程中都有結(jié)合計算機(jī)的工作原理來講解C語言的實現(xiàn)機(jī)理。

(3)數(shù)字系統(tǒng)類相關(guān)課程的分界不明顯，通常一門課程既涵蓋數(shù)字邏輯的內(nèi)容也涵蓋計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，甚至還包含嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)容。

(4)工程類理論課往往都帶有實驗甚至設(shè)計性項目，利用實驗配合理論課教學(xué)，加深學(xué)生對基礎(chǔ)內(nèi)容的理解。

4 改革思路

1)加強“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程與同課程體系中具有直接關(guān)聯(lián)的其他課程教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系。這種聯(lián)系如圖1所示。

圖1 與“微機(jī)原理與接口技術(shù)”具有直接關(guān)聯(lián)的課程

高級語言程序如C程序經(jīng)過編譯之后形成匯編語言程序，匯編語言經(jīng)過匯編則變成可以直接被微處理器執(zhí)行的機(jī)器指令，而微處理器內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)原理是“數(shù)字邏輯與電路”課程傳授的知識。匯編語言與微處理器是“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的重要內(nèi)容。因此，后者的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該加強與“高級語言程序”課程以及“數(shù)字邏輯與電路”設(shè)計課程的聯(lián)系。一方面通過增加C語言典型數(shù)據(jù)類型以及語句在匯編語言級別的實現(xiàn)，增強該課程與“高級語言程序”課程之間的聯(lián)系，更好地達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生理解計算機(jī)軟件工作原理的目標(biāo)。另一方面通過增加簡單指令集微處理器設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，增強該課程與“數(shù)字邏輯與電路”課程之間的聯(lián)系，以便學(xué)生更好地理解計算機(jī)硬件的基本工作原理。

2)隨著編譯技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代計算系統(tǒng)中的軟件很少采用匯編語言編寫，一般僅少量引導(dǎo)代碼采用匯編語言編寫。因此，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中，匯編語言程序設(shè)計的教學(xué)就顯得不那么重要了。匯編語言的教學(xué)只需要服務(wù)于幫助學(xué)生理解高級語言程序的相關(guān)原理以及理解計算機(jī)的基本工作原理就夠了，而不再需要講述匯編語言程序設(shè)計思想。同樣對微處理器匯編指令的學(xué)習(xí)也可以縮減，由于不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜算法及復(fù)雜的指令。

3)突出與基礎(chǔ)原理相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，拚棄使用說明書式教學(xué)，將具體芯片的應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)移到實驗課程。一方面表現(xiàn)在講述計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計基本原理的基礎(chǔ)上，介紹多種不同體系架構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，并對比分析其不同設(shè)計思路和性能優(yōu)劣。這樣能夠更有效地幫助學(xué)生理解計算機(jī)系統(tǒng)的工作原理。另一方面表現(xiàn)在講述接口設(shè)計時強調(diào)基本原理，如微處理器與外設(shè)進(jìn)行通信的基本原理以及外設(shè)與計算機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送方式等，而不是直接講述某個具體的接口芯片與微處理器的連接以及如何實現(xiàn)微處理器對該接口芯片的控制。

(4)增加計算機(jī)外部總線技術(shù)的教學(xué)，內(nèi)容如PCI總線，并行總線，各類串行總線等總線規(guī)范等。一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，另一方面可以增強學(xué)生對接口技術(shù)的理解。

(5)增加計算機(jī)系統(tǒng)最新技術(shù)介紹，以便學(xué)生了解計算機(jī)發(fā)展的新技術(shù)。如多核處理器的實現(xiàn)原理，微處理器如何支持現(xiàn)代操作系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)等。

5 實施現(xiàn)狀

本系在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”相關(guān)課程教學(xué)中進(jìn)行了教學(xué)改革的嘗試。以微機(jī)原理和嵌入式系統(tǒng)的理論教學(xué)為基礎(chǔ)，帶動微機(jī)接口、ARM處理器及應(yīng)用、Altera可編程片上系統(tǒng)及應(yīng)用、Xilinx FPGA及應(yīng)用、MSP430單片機(jī)及應(yīng)用、Freescale單片機(jī)及應(yīng)用、8051系列單片機(jī)及應(yīng)用和DSP處理器及應(yīng)用等實驗課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)完微機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)理論必修課的基礎(chǔ)之后，通過選修后續(xù)任何一門實驗課程，就可以充分理解通用計算機(jī)系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)的工作原理，并能在此基礎(chǔ)上完成基于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。而且只需要選修其中的一門實驗課程，就可以通過自學(xué)的方式完成基于其他微處理器的系統(tǒng)設(shè)計，達(dá)到舉一反三的目的。這樣有效地提高了教學(xué)效果，并且培養(yǎng)的學(xué)生能快速適應(yīng)現(xiàn)代計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計對專業(yè)人才的需求。

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