對(duì)比式教學(xué)法在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

朱貴憲

（安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000）

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，單片機(jī)原理及應(yīng)用是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)核心課程，前者是后者的先修課程，后者是前者的后續(xù)課程，兩門課程既有很多的相似性，也有很多的不同點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)過程中，要注意和后續(xù)課程單片機(jī)原理及應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)的銜接問題，并有意識(shí)地向單片機(jī)原理及應(yīng)用課程進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由欤辉趩纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)過程中，要引導(dǎo)學(xué)生回顧計(jì)算機(jī)組成原理中的相關(guān)知識(shí)，做足鋪墊，再在此基礎(chǔ)上引出本課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，做到知識(shí)點(diǎn)有序銜接，層層遞進(jìn)，逐步深入，分辨異同。

1 兩門課程知識(shí)點(diǎn)的區(qū)別與聯(lián)系

通過摘取和對(duì)比計(jì)算機(jī)組成原理和單片機(jī)原理及應(yīng)用兩門課程的知識(shí)點(diǎn)，來找出兩門課程之間知識(shí)點(diǎn)的支撐、銜接與異同之處，為以后開展課程教學(xué)時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的取舍與選定提供依據(jù)。下面分7個(gè)模塊對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理和單片機(jī)原理及應(yīng)用課程進(jìn)行比較分析。

1.1 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的基本概念

單片機(jī)是計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的一個(gè)重要分支，所以又稱單片機(jī)為單片微型計(jì)算機(jī)，可見單片機(jī)與計(jì)算機(jī)關(guān)聯(lián)度是非常高的。從系統(tǒng)架構(gòu)上來講，目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)普遍采用的是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，這是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置。而單片機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)分為兩類，一類是采用前面所提到的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，還有一類是采用哈佛體系結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，經(jīng)指令分析后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，最后完成指令的執(zhí)行。

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括科學(xué)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)控制（過程控制、實(shí)時(shí)控制），計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，人工智能，多媒體應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域包括智能儀器儀表，機(jī)電一體化產(chǎn)品，實(shí)時(shí)工業(yè)控制，家用電器，分布系統(tǒng)的前端模塊。由于單片機(jī)是在一塊微小晶片上集成了具有一定規(guī)模的微型計(jì)算機(jī)的基本電路，與通用微型計(jì)算機(jī)比較，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上非常適合做嵌入式應(yīng)用，具有較高的性價(jià)比和良好的控制性能，在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)硬件性能指標(biāo)主要包括機(jī)器字長(zhǎng)，總線寬度，主頻，運(yùn)算速度，存儲(chǔ)器容量和讀寫速度（存取周期），緩存容量，輸入/輸出傳輸速率。單片機(jī)的性能指標(biāo)包括單片機(jī)位數(shù)（8位、16位、32位單片機(jī)），CPU時(shí)鐘頻率（時(shí)鐘周期、指令周期），內(nèi)部RAM和ROM大小，片上外設(shè)（如定時(shí)器，串口，ADC，WDT，PWM，CCP等）的多少，工作電壓，功耗的大小，I/O口及驅(qū)動(dòng)能力等。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的優(yōu)劣主要看處理速度和存儲(chǔ)容量，而單片機(jī)除了關(guān)注上述指標(biāo)外，還要考慮片上外設(shè)和I/O的多少等其他因素。

1.2 CPU部分

CPU是計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的核心或大腦，通過對(duì)比計(jì)算機(jī)組成原理和單片機(jī)原理及應(yīng)用中對(duì)CPU的組成及功能描述，找出兩門課程在論述CPU時(shí)的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)[1]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩門課程在講述CPU時(shí)，功能基本相似，組成略有不同。但是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是來說，計(jì)算機(jī)的CPU是一個(gè)獨(dú)立的芯片，而單片機(jī)的CPU是與存儲(chǔ)器、I/O接口以及連接它們的總線集成在一塊芯片上的。

1.3 總線部分

總線是系統(tǒng)內(nèi)外連接各個(gè)部件的信息傳輸線，無論是計(jì)算機(jī)還是單片機(jī)，各部件之間的連接都是靠總線完成。

通過對(duì)比可以看出，與復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線相比，單片機(jī)的總線相對(duì)簡(jiǎn)單。關(guān)于總線的一些性能指標(biāo)，如總線寬度、波特率等，既適用于計(jì)算機(jī)，也適用于單片機(jī)。

1.4 存儲(chǔ)器部分

計(jì)算機(jī)組成原理中關(guān)于存儲(chǔ)器的論述：從功能上講，存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。按照存儲(chǔ)介質(zhì)分類，分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器；按存取方式進(jìn)行分類，分為RAM、ROM和順序訪問存儲(chǔ)器（又分為串行訪問存儲(chǔ)器和直接存取存儲(chǔ)器）；按照在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用不同，分為主存、緩存和輔助存儲(chǔ)器。

單片機(jī)原理及應(yīng)用中關(guān)于存儲(chǔ)器的論述，從功能上來說，存儲(chǔ)器是單片機(jī)的信息倉庫，用來存放程序和數(shù)據(jù)。按照不同角度對(duì)單片機(jī)存儲(chǔ)器分類結(jié)果為，按照單片機(jī)中存儲(chǔ)器保存信息的不同，可分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中程序存儲(chǔ)器用于保存將要執(zhí)行的程序代碼，大多數(shù)單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器采用Flash工藝，少數(shù)采用OTP工藝，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于保存在程序執(zhí)行中所需要用到的數(shù)據(jù)，一般由RAM組成。從單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行劃分，可分為程序Flash存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

與單片機(jī)相比，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量更大，存儲(chǔ)器帶寬更寬，讀寫速度更快。

1.5 指令系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)組成原理中指令的相關(guān)概念、分類和尋址方式：指令是要求計(jì)算機(jī)完成某個(gè)基本操作的命令，指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼用來指明該指令所要完成的操作，地址碼用來指出該指令的源操作數(shù)的地址、結(jié)果的地址以及下一條指令的地址。一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)傳送類指令，運(yùn)算類指令（包括算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令和移位操作類指令），程序控制類指令（主要用于控制程序的流向）輸入/輸出類指令（簡(jiǎn)稱I/O指令，這類指令用于主機(jī)與外設(shè)之間交換信息），其他指令（包括停機(jī)指令、等待指令、空操作指令）等。尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法，尋址方式分為指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式兩大類，數(shù)據(jù)尋址方式又分為立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址、變址尋址、相對(duì)尋址、堆棧尋址、隱含尋址、復(fù)合型尋址等。計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)逐步發(fā)展和優(yōu)化，從過去的復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）逐漸過渡為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC），并且采用流水線技術(shù)更進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的處理速度。

單片機(jī)原理及應(yīng)用中指令的相關(guān)概念：?jiǎn)纹瑱C(jī)的指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成，操作碼用來確定CPU運(yùn)行本條指令完成何種操作，操作數(shù)有目的操作數(shù)和源操作數(shù)兩類，它們?yōu)椴僮鞔a提供操作對(duì)象，在單片機(jī)中，這些被操作的對(duì)象可以保存在CPU的內(nèi)部寄存器中或者存儲(chǔ)器中，將CPU尋找操作對(duì)象（操作數(shù)）所保存位置的方式稱為尋址方式，單片機(jī)的尋址方式大致有7種，分別是立即尋址、寄存器尋址、直接尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對(duì)尋址和位尋址[2]。目前單片機(jī)普遍采用流水線RISC結(jié)構(gòu)，極大地提高了執(zhí)行速度。

無論計(jì)算機(jī)還是單片機(jī)，其CPU的指令系統(tǒng)反映了CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)與硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，不同類型的計(jì)算機(jī)其尋址方式也不相同，與單片機(jī)相比較，計(jì)算機(jī)的尋址方式要比單片機(jī)更為多樣，尋址方式更為靈活，也間接反映出計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

1.6 輸入輸出系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)組成原理中有關(guān)輸入輸出系統(tǒng)的描述：I/O系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，其中輸入系統(tǒng)用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識(shí)別的信息形式輸入到計(jì)算機(jī)中，輸出系統(tǒng)將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式輸出到顯示器等輸出設(shè)備上。I/O系統(tǒng)由I/O軟件和I/O硬件組成，I/O硬件又分為I/O接口和I/O設(shè)備，I/O接口實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與主機(jī)的連接，建立數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，I/O設(shè)備種類繁多，功能各異，大致可以分為人機(jī)交互設(shè)備、計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)設(shè)備（輔存、閃存）和機(jī)-機(jī)通信設(shè)備。I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式主要有五種，分別是程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式、I/O通道方式和I/O處理機(jī)方式。

在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中更多的是對(duì)I/O引腳的描述，單片機(jī)按照類型和封裝形式的不同，I/O口的數(shù)量也不盡相同，但都留有足夠數(shù)量的I/O引腳以便開發(fā)應(yīng)用，以LQFP44封裝的IAP15W4K58S4為例，該類型單片機(jī)共有42個(gè)I/O端口線可用作準(zhǔn)雙向I/O口，其中，大多數(shù)I/O口線還具有2個(gè)以上其他功能，每個(gè)I/O的工作模式由工作模式寄存器中相應(yīng)的位進(jìn)行控制，因此，單片機(jī)只需加少量的I/O設(shè)備，就可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

1.7 中斷系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)組成原理中關(guān)于中斷的論述：計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請(qǐng)求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，這個(gè)過程就是“中斷”。通常將能夠引發(fā)處理器中斷的各種緊急事件稱為中斷源，中斷源可分為兩大類，一類是不可屏蔽中斷源，另一類是可屏蔽中斷源。中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，實(shí)時(shí)控制、故障處理、計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送往往都用到中斷系統(tǒng)。一個(gè)完整的中斷過程包含中斷請(qǐng)求、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)和中斷返回5個(gè)環(huán)節(jié)。

單片機(jī)原理及應(yīng)用中關(guān)于中斷的論述：?jiǎn)纹瑱C(jī)正在正常的執(zhí)行一段程序代碼時(shí)，發(fā)生緊急事件，該緊急事件通過單片機(jī)的外部引腳或內(nèi)部信號(hào)送給單片機(jī)的CPU，CPU需要做出判斷是不是立即處理這個(gè)事件，如果允許立即處理該緊急事件，則暫時(shí)停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序代碼，而跳轉(zhuǎn)到用于處理緊急事件的程序代碼，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完緊急事件后，再回頭繼續(xù)執(zhí)行前面所被打斷的正常執(zhí)行的程序代碼，這個(gè)過程稱為中斷。此外，單片機(jī)中提到與中斷相關(guān)的一些術(shù)語還有中斷系統(tǒng)、中斷源、中斷優(yōu)先級(jí)、中斷嵌套等，這些概念與計(jì)算機(jī)組成原理中的描述是一致的，單片機(jī)提供了多個(gè)中斷源，多數(shù)中斷具有2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)2級(jí)中斷嵌套，與中斷系統(tǒng)有關(guān)的寄存器有中斷允許寄存器IE，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON，中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP等，通過正確設(shè)置這些寄存器的功能位，來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的中斷功能。

2 對(duì)比式教學(xué)法在教學(xué)過程中的積極作用

對(duì)比式教學(xué)不是指對(duì)各課程知識(shí)點(diǎn)的羅列，其目的是通過比較，找出其內(nèi)在知識(shí)點(diǎn)的承接關(guān)系，從而在教學(xué)上做到有的放矢，使課程教學(xué)目標(biāo)更加明確、教學(xué)內(nèi)容安排更加合理，先修課程和后續(xù)課程更好地進(jìn)行銜接，更好地搭建專業(yè)知識(shí)體系，避免知識(shí)點(diǎn)的孤立化、碎片化。在教學(xué)過程中，講解先修課程時(shí)要有意識(shí)向后續(xù)課程做適當(dāng)延展，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好鋪墊，在講解后續(xù)課程時(shí)要有意識(shí)對(duì)先修課程做回顧復(fù)習(xí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到每個(gè)知識(shí)點(diǎn)并非孤立存在，而是有來由的，這樣就實(shí)現(xiàn)了各課程知識(shí)點(diǎn)之間更好的銜接。

此外，該教學(xué)方式同時(shí)也較好地解決了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課時(shí)積極性不高，學(xué)習(xí)目的不明確，等到學(xué)習(xí)專業(yè)課程時(shí)積極性很高，但前期基礎(chǔ)沒有鋪墊好，原理性的東西搞不明白，只知其然不知道其所以然，影響學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。這里作一個(gè)比喻來說明各類課程之間的關(guān)系，基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)應(yīng)該是優(yōu)化土壤或者叫育苗期，專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)應(yīng)該是成長(zhǎng)壯大期，專業(yè)課程的學(xué)習(xí)應(yīng)該是開花結(jié)果期，只有每一個(gè)環(huán)節(jié)都做好，才能結(jié)出豐碩的果實(shí)，對(duì)比式教學(xué)法也是讓學(xué)生明白這樣一個(gè)道理，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程的積極性。

3 結(jié)語

通過對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理與單片機(jī)原理及應(yīng)用兩門課程知識(shí)點(diǎn)的比較，論述了對(duì)比式教學(xué)法在教學(xué)過程中所起的積極作用，為更好地開展課程教學(xué)，提出了一個(gè)新的思路。對(duì)比式教學(xué)是建立在對(duì)整個(gè)專業(yè)課程體系有充分認(rèn)知的基礎(chǔ)上，是建立在對(duì)基礎(chǔ)課和專業(yè)課有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)上的一種教學(xué)方法。該教學(xué)方法的有效實(shí)施，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高有較大的促進(jìn)作用。