微機原理課程改革探索

張力　蔡茂國　錢恭斌

摘 要 文章針對信息工程學院電子信息工程和通信工程兩個本科專業的微機原理教學中存在的問題，探討了對該課程進行教學改革的初步嘗試。首先在內容上增加計算機組成與構成部分章節作為課程的導入，一開始就消除學生對微機的神秘感。另外，對教材內容進行大膽裁剪，保留8088最核心最基礎的部分，又注入了新鮮的現代計算機的元素。此外，提出了激發學習熱情、注重知識銜接，增加設計性實驗的教學方法，以全面提升微機原理的教學質量。

關鍵詞 微機原理 計算機組成與結構 課程改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.038

Abstract In view of the problems existing in the teaching of Microcomputer Principles for two undergraduate majors in electronic information engineering and communication engineering of Information Engineering College， this paper probes into the teaching reform of the course. First of all， to increase the content of the computer components and components of the chapter as an introduction to the course， the beginning of the students to eliminate the mystery of the computer. In addition， the content of teaching materials bold cut， retain 8088 of the core， the most basic part， but also injected new elements of modern computers. In addition， the teaching methods of stimulating learning enthusiasm， emphasizing knowledge connection and increasing designing experiment are put forward， so as to improve the teaching quality of microcomputer principle.

Keywords microcomputer principal； computer composition and structure； course reform

微機原理是工科非計算機專業類的重要專業基礎課之一，其主要教學任務是使學生從理論和實踐方面掌握微機的基本組成、工作原理、匯編語言程序設計方法、接口電路及硬件電路的連接，建立微機系統的整體概念。由于該課程的教學內容十分豐富，對于非計算機本科專業的學生而言，這門課程實際上包含了微機原理、匯編語言程序設計和微機接口技術等計算機專業技術基礎課程的內容，加上課程概念多、專有名詞多、接口芯片多，內容抽象，對于初學者來說較難，因此長期以來被同學列為學習困難的課程之一，甚至有同學私下稱之為“危機原理”。針對微機原理目前存在的教師教授辛苦，學生學習效果欠佳的現狀，必要的課程教學改革迫在眉睫。

總體而言，我們整個微機課程主要圍繞Intel的微處理器8088展開，這款CPU是第一臺IBM PC機使用的中央處理器，必須承認該CPU的強大和代表性。雖然只有40個引腳，和目前大量使用的51單片機的引腳數和封裝相同，但在近40年前8088是劃時代的CPU，因為它支撐了第一代IBM PC機及IBM PC/XT商用機，直到1984年，在IBM PC/AT機上采用了Intel新的80286 CPU，8088才退出了歷史的舞臺。當然目前的計算機技術遠遠超越了第一臺商用個人電腦的水平，計算機的內核大都采用雙核或多核構造，其復雜度也是數量級的增加，但任何一個大學不可能開設最新計算機硬件的課程，作為授課，8088反而更適合。因為縱觀PC機的發展，其系統結構的許多方面變化并非一定是全新的，更多的是吸收引進了中小型機的特點，如中小型機上采用復雜的尋址方式、虛擬存儲器、Cache存儲器、各種復雜的數據表示以及中央處理器的流水并行處理技術，都已逐步出現在最新PC機的系統結構中。因此以8088為核心講授微機原理到今天仍然不失很強的基礎性，學生有了堅實的基礎再自學感興趣的現代計算機體系結構也不會有困難。

本文主要針對目前所在學院學生的學習現狀，從課程內容和教學方法兩方面對微機原理課程進行了有益的教學改革嘗試，取得了良好的教學效果。

1 課程改革的探索與實踐

1.1 課程內容的調整

（1）增加計算機組成與結構的內容，消除學生對課程的神秘感。長期教學發現，一開始接觸微機原理，學生對這門課是既好奇又敬畏，好奇是因為覺得自己有機會了解微機的工作原理，敬畏是因為總有微機課難的傳言。針對這種情況，課程組大膽嘗試，增加了計算機組成與結構的內容作為微機課程的導入，總共為3個課時。第一個課時概述計算機硬件的五個功能部件，計算機軟件的分類及計算機系統的層次結構，并重點交代核心運算器部件的構成，所能進行的運算和ALU的線路。第二個課時首先以4位運算器Am2901為例，講述該運算器的工作原理，即如何完成3種算術運算和5種邏輯運算，接著講控制器的功能和基本組成。然后比較微指令和指令的區別，并給出微程序的概念，以加法指令ADD為例，分析了ADD指令的執行步驟。第三個課時重點剖析TEC-2000微程序控制器的工作原理，仍以ADD指令為例，解釋指令的詳細執行過程。通過加入這三個課時，使學生一開始就能接觸到CPU內部部件，而且主要是用到了先修課程數字電路設計的知識，理解起來并沒有太大障礙。了解了微指令的工作過程，就可以消除學生對微機的神秘感，為進行后面的教學內容做好鋪墊，課程設計遵循從整體到局部，再到總體的主線，脈絡清晰。而且學生能夠了解到作為CPU核心的運算器的設計，為其以后做硬件方面的設計樹立了自信心。endprint

（2）與時俱進，對教材內容進行大膽裁剪和擴展。目前微機原理教材存在的普遍問題是有些內容陳舊，比如中斷控制器8259A在中斷章節占用了很多課時。在8088系統中采用兩片8259A芯片級聯的工作方式進行中斷管理，但是從奔騰3開始PC機的中斷管理采用了I/O高級可編程控制器（I/O APIC）的新組件，與8259A的IRQ引腳不同，中斷優先級并不與引腳號相關聯，中斷重定向表中的每一項都可以被單獨編程以指明中斷向量和優先級、目標處理器及選擇處理器的方式。重定向表中的信息用于把每個外部IRQ信號轉換為一條消息，然后通過APIC總線把消息發送給一個或多個本地APIC單元。另外，中斷請求的兩種方式靜態分發和動態分發也不同于8088的機制。鑒于這種變化，課程組在中斷章節不再詳細講解8259A的工作原理和方式，而只強調中斷的概念和CPU對中斷的響應機制，并將奔騰處理中斷的思路滲透到課程中，重點讓學生建立起中斷的概念即可。

類似的設想是在有限的教學時間內重點突出，減少對過時芯片的講解，增加現代計算機的較新元素，如高速緩存Cache，指令流水線，PCI總線接口，IEEE 1394，USB總線等，使學生對現代微機的了解更全面。

1.2 授課方法的改進提高

（1）激發學生的學習熱情，調動學習積極性，注重課程的趣味性。對知識的渴求是督促學生認真投入學習的最好源動力。針對學生對微機原理普遍的好奇與敬畏的矛盾心理，從第一堂課上課就注重調動學生的興趣，比如說“想不想走進我們常用的PC機的內部看看它是怎么工作的？”以此勾起學生的求知欲，接著鼓勵學生，建立其自信心。課程中注重在每個知識點導入時啟發學生自己先思考，并隨機點同學起來談自己的觀點，順著同學的觀點繼續下面的講解，更容易讓學生接受。這樣學生也參與到課堂中，其積極性和學習熱情會提高，教學效果自然會好。

同時要注意發掘課程的趣味性，比如講中斷的時候，往往一開始學生不好理解，可以舉簡單的例子幫助其理解。例如可以舉例老師正在電腦前寫文章時接到學院電話談工作的事，接電話就是CPU以前正在進行的工作被中斷，處理了中斷請求，掛了電話繼續寫文章就是CPU中斷返回繼續以前的工作。講內存的時候，可以帶一個舊的內存條到教室給同學看，然后講內存的分類，工作方式，內存地址的譯碼，和CPU對內存的訪問。這樣比直接上課講內存給學生的感覺要生動一些，覺得自己可以看到真實的內存，從看到到了解其工作原理更有趣味性。

（2）注重知識銜接，由淺入深地重復重要知識點。微機原理課程的一個明顯特點是各部分知識點銜接緊密，一環扣一環，而且記憶的東西較多。比如一開始寄存器要是沒有掌握，接下來的尋址方式就比較困難，尋址方式學不好，學指令就很吃力。課程組強調要注重知識點的銜接，防止學生學習中某一環掉鏈子而影響到后面的學習，學生就會因為聽不懂而慢慢放棄學習。筆者課堂教學采用的方法是不斷由淺入深地重復重要知識點。開始講寄存器時為了加強學生的理解及幫助其記憶，每個寄存器都舉了匯編指令的例子，雖然還沒有開始學指令，像MOV， ADD之類的指令告訴學生是做什么的還是很容易接受。講7種尋址方式時，不斷復習之前學過的寄存器，強化寄存器的配合使用，如SP和BP是與SS寄存器搭配使用，BX、SI、DI寄存器是和DS寄存器配合使用。之后講指令時又借機不斷練習指令中操作數的尋址方式，采用這種不斷重復的方法，發現學生對這些零碎的知識點掌握更輕松，不知不覺就記住了、理解了，這正是我們想要的教學效果。

（3）實驗環節中增加設計性編程的比例。微機原理課程不僅理論性強，也非常強調實踐環節，課程的總學時為72學時，其中實驗占18學時。以前實驗主要為驗證性實驗，基本上給出了實驗流程圖及參考的匯編源代碼，學生去實驗室只是按實驗手冊step by step敲進去代碼驗證實驗結果。驗證性實驗的優點是能保證大部分同學做出實驗，保守地達到教學目的，但缺點是學生很被動，這樣導致其編程能力難以提高，增加設計性實驗可以達到完全不一樣的效果。筆者首先在實驗開始前的一次課堂上公布實驗題目，讓同學提前去思考，并且為減少障礙，只讓同學編寫核心代碼部分，匯編的編程框架給出來，甚至一開始可以給點程序讓學生改寫，這樣調動了學生編程的積極性，而且經過編程，學生對指令熟悉了，經過調試等環節最終看到程序運行結果時，能明顯感覺到學生的成就感，這樣以設計為導向的實驗使學生不懼怕編程，從而促使其學習進入良性循環。

2 總結

微機原理屬于信息工程學院的專業核心課程，而學生對該門課有比較嚴重的畏難心理，制約了課程的教學效果。針對此現狀，課程組在最近兩年做了課程改革的有益探索，首先增加了計算機組成與結構的部分內容作為課程的導入，消除學生對計算機的神秘感。另外，針對部分教材內容陳舊的問題，進行大膽裁剪，保留8088最核心最基礎的部分，又給課堂注入了新鮮的現代計算機的元素。除此之外，充分利用課程組平臺，經常組織課程組任課老師的內部交流會，切磋教學心得，切實提高和改進授課方式，并多讓經驗豐富的老師帶動年輕老師，促進該課程的教學上一個新的臺階。從這兩年學生的反饋看，雖然增加了不少教學內容，學生更有興趣了，到課率大大提高，期末考試不及格率也大幅下降，表明教學改革初見成效。我們下一步的工作是強化所取得的成績，充分利用實驗箱，設計更多學生可以動手的實驗，讓學生能近距離觸摸和應用硬件芯片，為學生的硬件理解及設計能力打下堅實的基礎，這樣學生畢業才有信心應對各種新知識、新技術的挑戰。

參考文獻

[1] 龔尚福.微機原理與接口技術（第2版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[2] 鐘國輝.以設計性實驗為牽引的微機原理課程教學[J].高等工程教育研究，2013（3）：154-158.

[3] 王鼎君. 《微機原理與接口技術》課程教學改革研究初探[J].福建電腦，2012（10）：43-45，42.

[4] 葛桂萍，李云，史庭俊.《微機原理及應用》精品課程建設的探索與研究[J].科技創新導報，2014（30）：151-152.

[5] 吳寧.微機原理與接口技術課程混合教學模式探索[J].計算機教育，2014（19）：17-20.endprint