匯編與接口技術課程的研究型實驗探索

趙宏智，李清勇

（北京交通大學計算機與信息技術學院，北京100044）

1 背景

為更好地培養出具有創新與實踐能力的工程技術人才，達到國際工程認證畢業要求，就要有相應的課程體系予以配合，并使課程體系中的每一課程都要對認證畢業要求有明確貢獻。匯編與接口技術是一門綜合性、實踐性很強的課程，主要介紹計算機組成和工作原理、匯編程序設計以及接口技術，是計算機學院的必修課程之一。學習該課程有助于學生理解計算機應用系統中的基本工程知識，但該課程知識點較多，軟硬件并重，具有較強的理論性、實踐性與應用性。

國防科技大學的陳立剛[1]、南京郵電大學的周寧寧[2]等所在的國內一流高校的類似課程建設都未面向工程教育認證體系進行專門的建設；海軍工程大學的昆朝群[3]結合軍隊院校教學實際深入推進微機原理與接口技術課程改革,為軍隊院校微機原理與接口技術課程建設和教學改革提供有力的技術支撐，與普通高等教育培養方向的不同和軍隊院校的特殊性導致該課程改革不太適合進行國際工程教育認證。這些都未從整個專業教育體系的高度梳理該課程對學生具體能力的培養。北京交通大學計算機學院在實施工程教育認證的過程中，要求學生通過對匯編與接口技術課程的學習，能夠具有兩點基本能力：理解與掌握計算機科學與技術的基本理論與方法，并從科學技術方法論上理解本專業的基本研究方法；掌握計算機科學與技術應用工程問題的基本設計原理與方法，能夠針對相關工程問題設計合理的解決方案。這兩點基本能力可以通過課堂講授和常規的接口實驗如定時器接口實驗、中斷控制器接口實驗等獲得。除此之外，還要求學生具備3點比較高級的能力：①能夠應用數學與自然科學、工程基礎和專業知識分析與識別相關實際工程應用問題的復雜性，解決計算機系統及應用中的復雜工程問題，設計出合理的解決方案；②理解與掌握一般工程項目規劃與管理、工程決策與經濟的基本知識與方法；③自主學習和終身學習意識，在復雜工程問題的解決方案中體現出一定的自主學習和終身學習的能力。

2 研究型實驗所采用的實驗箱的基本情況

實驗箱采用清華大學生產的TPC-386EX實驗箱，其上的接口集成電路采用堆積木模塊形式設計，電路主要包括總線電路、中斷控制器8259、DMA控制器8237、可編程定時器/計數器（8253）、可編程并行接口（8255）、串行通信接口16550、數/模轉換器（DAC0832）、模/數轉換器（ADC0809）等。外圍電路包括：邏輯電平開關，LED顯示、七段數碼管顯示、8*8點陣及驅動電路、直流電機，步進電機及驅動電路、繼電器及驅動電路、喇叭及驅動電路，PS2電路，LCD128X64字符，圖形顯示模塊，4*4鍵盤實驗模塊等（見圖1）。

圖1 TPC-386EX實驗系統

這些接口電路和外圍電路之間的連接由兩部分組成，一部分是廠家已經固化的線路，另一部分是讓學生手動地在電路模塊旁邊的插孔中插入導線進行連接，這就為學生靈活組合不同的電路模塊以進行研究型實驗奠定了良好的基礎。

3 研究型實驗的組織方法

這種研究型實驗方法立足于面向常規實驗的實驗箱，充分發揮學生的想象力，不限題目，在教師的幫助和審核下，自行擬定好玩且有一定工程量的實驗題目，從而可以讓學生以較高的興趣來體驗產品設計理念和產品化的設計過程。這樣做的考慮是：①工程量比較大，需要多個學生合作才能完成。對學生進行分組，每組2～3人，確定小組長；研究小組的任務包括查閱資料、應用構思、小組討論、規劃設計方案、硬件實現和軟件實現、成果展示、實驗報告等。這種分組的方式有利于培養學生的團隊合作意識，也有利于培養學生的工程項目規劃與管理以及工程決策的能力。為了避免小組內吃大鍋飯的現象，每個組員的得分可能是不同的，得分有兩個依據：一是各人在本實驗中的角色、分工和任務量；二是教師根據各人的任務隨機地提問，相關組員的答題質量。②學生自擬題目可以發揮學生自己的想象力，同時讓其保持較高的興趣；另外，教師嚴格控制題目，不同的小組不能有相同的題目，避免抄襲現象出現。③題目要好玩，一方面可以讓學生保持較高的興趣，另一方面就意味著題目必須有一定的應用意義，應當是面向應用任務來有機組合實驗箱上的多種接口電路，不能是為了組合而組合。為了達到該目的，僅僅依靠教師在課堂上講授的內容是遠遠不夠的。學生必須自行查閱應用相關的知識，從而鍛煉其自主學習和終身學習的能力。

在各組同學自擬題目的過程中，題目若不好玩并且工程量不足，則會被反復打回，直至滿足上述要求。當通過教師審核之后，每組學生應提交一個實驗任務書，包括：①實驗需求的詳細描述，包括應用功能描述、輸入輸出內容、控制方式；②實驗總體設計，包括大概需要用到的接口電路和需要的應用設計；③每組人員名單以及組長、組員的分工。當教師審核通過該任務書之后，學生們就可以正式實施該研究型實驗了。

可以看出，該研究型實驗教學方法與需要教師給出實驗目的、實驗內容、參考原理圖或程序框圖的常規性實驗有著很大的不同，可以為培養學生的前述3點高級能力提供一個較好的鍛煉機會。

4 自擬題目和任務書的案例

4.1 點陣舞動小人實驗

利用8*8點陣模擬信號燈上的小人走動和靜止，當按下脈沖產生器PLUS后，點陣上的小人轉變運動狀態，即由靜止變為走動或由走動變為靜止。

在該實驗中需要使用可編程并行接口（8255），8*8點陣及驅動電路以及中斷控制器（8259）。點陣中小人形狀模型的設計到初步進行實驗小人行走時動作的設計，需要解決一系列的問題，比如怎樣控制小人的行走速度，怎樣讓小人在舞動行走的時候有規律地擺臂，并保證動作好看，在控制小人行走速度的時候，方案是分別讓小人的左腿右臂和右腿左臂各擺動1000次，以此達到讓走動的小人清晰顯示的效果。

4.2 小鍵盤實現電子琴串行通信實驗

利用兩個實驗箱進行串行通信，其中一個實驗箱A利用小鍵盤按鍵1、2、3、4、5、6、7通過串口線給另一個實驗箱B發送信號，使得實驗箱B接收到相應的信號后發出對應do、re、mi、fa、so、la、si的音符。實驗箱A按鍵的同時，在其數碼管上會相應地顯示數字1、2、3、4、5、6、7。

在實驗中，B實驗箱上的8254可編程定時/計數器，用于實驗箱B揚聲器發聲；A實驗箱上的8255并行接口芯片，控制B實驗箱上的揚聲器的啟動/關閉，與小鍵盤連接；16550串行通信接口，用來連接兩臺實驗箱，從而實現兩個實驗箱的通信。每個音階都有其固定的頻率，電子琴音階頻率設計見表1。

表1 電子琴音階頻率設計

4.3 競賽搶答器設計實驗

設計一個七路搶答器，以模擬競賽中的搶答器功能。當主持人按開始鍵后，選手才可搶答，否則違規。該搶答器具有如下功能：①該搶答器有一個開始鍵，由撥動開關控制，由主持人使用；②該搶答器可供7人同時搶答，由撥動開關控制，選手使用；③當選手違規時，違規選手的燈亮和揚聲器報警，數碼管顯示最先違規的選手號碼；④當選手搶答成功，成功搶答選手的燈亮和揚聲器鳴叫，數碼管顯示最先搶答到選手號碼；⑤搶答前，所有的波動開關必須撥到下方，新一輪的搶答才可以開始。

實驗所需器材為可編程并行接口芯片8255、可編程定時器／計數器8254、8個發光二極管、揚聲器，、LED八段數碼管和8個撥動開關。8個撥動開關中，K7作為開始鍵，K0～K6等7個撥動開關用作7位選手的搶答按鍵。揚聲器的功能主要是提示，搶答成功時揚聲器鳴叫，搶答違規時揚聲報警。LED數碼管的功能為顯示的內容與選手號對應，搶答成功或違規都要顯示。二極管的功能定義為：第1到第7個二極管對應相應的選手，當有選手搶答成功或違規時，對應的二極管發光；第8個二極管顯示搶答是否開始。

4.4 猜數實驗

裁判員先在小鍵盤的0-9之間選中1個數，每一次游戲選手有3次機會，當選手選出1個數后，程序會在點陣顯示屏上顯示提示語言，如：該數與裁判員選定的數相比是“大”“小”還是“√”。在游戲過程中還需要采用定時計算器進行計時，以確定選手猜準數據的時間，用數碼管顯示秒數。若時間超過16秒，則游戲結束，數碼管顯示“F”。若3次未猜對，數碼管顯示當前秒數。

在該實驗中，使用小鍵盤作為外設，實現選數功能。利用8255的A、B口對鍵盤進行掃描捕捉按鍵的位置。使用8253定時器與8259中斷結合進行計時，并在中斷服務程序里對時間進行更新，以達到計時的目的。在8*8點陣上顯示選手輸入的數與裁判輸入數的大小關系。

5 教學反饋

從教師的角度來說，本次實驗教學的經驗可總結為3點：①工作量大，課后花大量時間查閱資料，進行應用層面的設計，對單個接口電路的控制反而花的時間不多；②學生間需要積極交流，否則難以獨自完成；③教師的提問考察有效杜絕了大鍋飯的現象。

從學生的角度來說，實驗課增強了學生的動手實踐能力，理論與實踐相結合讓學生對課堂上理論知識的理解更加清晰深刻；常規型實驗給最后一次研究性實驗打下了良好的基礎，能在最后的研究性實驗中把總結到的經驗與知識融會貫通，應用于實際實驗設計中，從而設計出有趣的研究性實驗；在思考實驗創意、設計實驗思路、解決實驗中遇到的問題到最后完成實驗的過程收獲了很多，也體會到了實驗成功、利用自己所學的知識創新實踐以及與隊友互相配合集思廣益所帶來的喜悅。

需要說明的是，學生們并不知曉什么是工程教育專業認證，但是從學生的反饋來看，學生們確實達到了工程教育專業認證的3點高級能力的培養要求。

6 結語

以工程教育專業認證為導向，立足于已有的實驗箱和常規性實驗，從教師需要給出實驗目的、實驗內容、參考原理圖或程序框圖的常規性實驗教學方法轉變為以學生自由發揮為主、教師指引和評價為輔的研究型教學方法，能夠培養學生具備工程教育專業認證中要求的3點高級能力，正是工程教育專業認證在本課程中加以實施的目的和意義所在。

[1]陳立剛,鄒逢興,徐曉紅,等.新編教材“微型計算機原理與接口技術”之探索[J].電氣電子教學學報,2016,38(4):148-150.

[2]周寧寧,王偉,成衛青.微機原理與接口技術課程教學模式研究[J].實驗科學與技術,2011,9(4):117-119.

[3]昆朝群,陳修亮,梁英杰.軍隊院校微機原理與接口技術課程教學改革研究[J].計算機教育,2017(4):19-22.