以單片機為核心的計算機組成原理教學研究

姚剛 歐陽中輝 齊玉東 喬勇軍

摘 要：計算機組成原理課程主要介紹計算機的硬件系統組成，是本科階段計算機相關專業的必修課。針對本課程知識點多、理論性強、實踐少等特點，探討課程教學內容的設計安排，設計一種利用單片機開展教學的新方法。教學過程中，理論內容著重于計算機組成的基本知識和單片機的基本概念;實驗內容分為基礎實驗和自主設計實驗兩部分。理論講解和實驗實做相結合，將抽象的理論通過單片機應用于實踐中，使學生做到融會貫通。課程實踐表明，該教學方法的教學效果明顯，學生對理論知識的理解深度和動手實踐能力得到了較大提高。

關鍵詞：89S51單片機;計算機組成原理;教學設計;基礎實驗;自主設計;實驗實做

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-0-02

0 引 言

計算機組成原理課程是計算機相關專業本科階段的必修課，具有理論性強、知識面涉及廣、信息量大等特點。與其他計算機類課程相比，其知識點繁雜且前后聯系緊密。該課程雖然是以講解硬件部件為主的課程，但課程內容包括較多抽象內容，如數據流、指令流等。

實際教學中存在的問題為：繁多的知識使學生感覺學習吃力，難以構成一個體系;課程所學的理論知識無法與實踐相聯系。

針對以上問題，結合本課程的特點，本文以89S51單片機為背景，介紹計算機的基本組成、基本概述及工作原理，使學生從理論與實踐上掌握計算機的基本概念與工作原理，建立起計算機系統的整體概念，掌握計算機軟、硬件的基本知識，具備分析、設計微型計算機系統的基本能力。

1 設計思路

以單片機為核心的計算機組成原理教學需要圍繞基礎性與應用性展開，突出硬件與軟件相結合的特點，通過適當的課堂教學，幫助學生搭建計算機系統的核心知識體系，引導學生建立完善的計算機系統基礎理論體系，初步具備自主開展實驗的能力。

在基礎知識教學部分，以課堂講授為主，采用以知識點為中心的教學模式，使學生掌握計算機的基本原理與相關知識;在工程應用教學部分，以上機實驗為主，采用案例式教學和啟發式教學相結合的教學模式。通過上機實驗，使學生實現課程內容理論與實踐的結合，培養學生的動手實做能力，進一步引導學生自主進行實驗設計，提高理論運用于實踐的能力。

在教學過程中，應注意營造利于學生自主學習的氣氛，培養學生從圖書館和網上查找相關資料的能力，利用自學拓展知識面，通過實驗設計加深對計算機應用領域新技術的掌握。

2 理論內容教學設計

根據教學大綱的要求，將計算機組成原理課程的內容分為理論與實驗實做兩部分。理論知識部分包括：計算機組成的基礎知識、單片微型計算機的硬件結構、指令系統、匯編語言程序設計、中斷系統、定時/計數器和串行接口、單片微型計算機總線與存儲器的擴展、I/O接口擴展、單片機的C語言編程等。

理論授課時，從計算機的發展過程出發，逐步引入計算機的基本組成、基本原理，以及計算機執行指令的過程。教師通過課堂授課歸納總結，培養學生學習計算機硬件知識的興趣，激發學生的學習熱情。

學習了基本的計算機組成后，利用現實生活中的實例引入89S51單片機，并主要從以下幾個方面講解。

（1）89S51單片機的內部結構、引腳功能、存儲器空間的配置和功能，時鐘電路、復位電路和內部時序。

（2）89S51單片機的指令系統。

（3）匯編語言程序設計方法。

（4）89S51單片機內部并行口P0，P1，P2，P3的特點和使用方法。

（5）89S51中斷系統結構、中斷響應過程及中斷程序設計。

（6）定時/計數器的工作原理、工作方式、初值確定及初始化方法。

（7）89S51串行口的工作原理、工作方式及編程使用方法。

（8）89S51擴展外接數據存儲器、程序存儲器的原理和方法。

（9）單片機并行接口的擴展方法。

（10）C51的編程方法。

系統地學習了單片機的相關知識后，學生可以更好地理解計算機的體系結構，并能夠將抽象的計算機組成原理知識與具體的51單片機相聯系，從而對于重點知識的理解更加透徹。

3 實驗實做內容設計

通過課堂授課，使學生掌握基本的理論知識;通過實驗實做，使學生掌握單片機的基本使用方法。通過理論與實踐相結合的教學模式，使學生初步具備獨立編寫單片機程序的能力，從而更好地理解計算機組成原理。在實驗過程中，需要對實驗內容進行優化，嚴格要求學生完成實驗內容。

（1）實驗內容

實驗內容的安排不但要考慮鞏固所學的理論知識，而且要以提高學生的動手創新能力為目的。依據理論知識點開設基本實驗，在相關理論課結束后立刻進行實驗。基本實驗內容包括：匯編語言程序設計、并行接口實驗、中斷系統實驗、定時/計數器實驗、串行接口實驗、外圍接口實驗。基礎實驗完成后，安排學生完成自主設計實驗，主要鍛煉學生獨立分析設計的能力，需要學生自主選題、自主設計、自主測試、自主講解。

（2）實驗要求

實驗時，要求學生獨立完成實驗內容，并形成相應文檔，培養學生獨立分析與解決問題的能力。在第一次實驗前，教師按照教學計劃，規定學生何時提交相應材料，包括特定的文檔與實驗結果，并給出相關文檔的模板。

在實驗過程中，教師定時檢查指導學生設計中遇到的問題，并適時進行評判，指出易錯與共性問題。在學生整個實驗過程中，教師扮演引領者的角色，對學生進行啟發與引導，不干涉學生的設計思路。當學生請教問題時，以計算機組成原理課程的理論知識為主體，聯系其他相關課程進行講解。

在進行基礎實驗時，教師針對課堂上精講的理論要點對學生進行重難點指導;在學生進行自主設計實驗時，教師要把握設計的難易程序、工作量等，避免某些學生偷懶。在自主設計實驗時，鼓勵學生以實際生活使用或學科競賽的方式開展，使學生體會獨立完成一件設計的艱辛與樂趣。

4 結 語

計算機組成原理課程在計算機相關專業的課程體系中占有重要地位，與許多門專業課程存在聯系。針對課程特點，以單片機為核心開展教學，便于學生加深對本門課程的認識，形成完整的計算機系統概念，具備獨立解決問題的能力。四年的教學實踐經驗表明，與傳統以理論教學為主的教學相比，采用該方法的學生能夠更好地理解計算機的組成，動手能力更強。

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