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改革計算機硬件系列課程新思考研究論文
我校早在2009 年教學(xué)計劃中，便對非電專(zhuān)業(yè)“計算機硬件技術(shù)基礎A”課程教學(xué)時(shí)數進(jìn)行大幅縮減。依據高校計算機基礎課程教學(xué)指導委員會(huì )關(guān)于該課程教學(xué)基本要求和實(shí)施方案，在突出計算機接口及應用技術(shù)這條主線(xiàn)前提下，以能力培養，特別是計算思維能力培養為目的，對該課程教學(xué)內容進(jìn)行改革，建立了基于C 語(yǔ)言開(kāi)展硬件編程教學(xué)的理論和實(shí)踐教學(xué)體系，滿(mǎn)足了教學(xué)時(shí)數減少的教學(xué)需求。這為我們新一輪淡化接口背景機，兼顧PC和單片機接口及應用技術(shù)的教學(xué)改革提供了基礎。我校在2012 年教學(xué)計劃中，又針對以電為主專(zhuān)業(yè)的計算機硬件系列課程，在總教學(xué)時(shí)數略有減少情況下，就如何完善課程教學(xué)體系，兼顧PC 技術(shù)、單片機技術(shù)和嵌入式系統教學(xué)，與主流應用技術(shù)保持一致，進(jìn)行了一些行之有效的改革與探索。
1 課程教學(xué)體系改革
早先，我校以電為主專(zhuān)業(yè)開(kāi)設的計算機硬件系列課程主要包括如下三門(mén)課程: ①計算機硬件技術(shù)基礎B( 62 + 18 學(xué)時(shí)) ; ②單片機系統設計( 8 + 20學(xué)時(shí)) ; ③微機接口與應用綜合設計( 2 周) 。系列課程的主體是一門(mén)以PC 為背景機的“計算機硬件技術(shù)基礎B”課程。 “單片機系統設計”是在學(xué)完“計算機硬件技術(shù)基礎B”課程后開(kāi)設的一門(mén)以實(shí)踐為主的課程�！拔C接口與應用綜合設計”是以培養學(xué)生使用單片機及其應用技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題能力而開(kāi)設的實(shí)踐課。上述課程體系基于匯編語(yǔ)言講授編程技術(shù)，這有利于對底層硬件原理的理解，引導學(xué)生編寫(xiě)高質(zhì)量的硬件驅動(dòng)程序和掌握底層硬件調試技術(shù); 主要不足是，占用學(xué)時(shí)較多，且受總學(xué)時(shí)限制未開(kāi)設嵌入式系統技術(shù)相關(guān)課程，這與當前主流應用技術(shù)有些脫節。
正如引言所述，借鑒2009 計劃對非電專(zhuān)業(yè)的“計算機硬件技術(shù)基礎A”課程改革取得的經(jīng)驗，采用PC 機介紹計算機硬件及應用技術(shù)，有利于講清現代微型計算機采用的先進(jìn)技術(shù)，但隨著(zhù)PC 技術(shù)的飛速發(fā)展，其內部結構越來(lái)越復雜，而從非計算機專(zhuān)業(yè)應用計算機的特點(diǎn)看，一些先進(jìn)技術(shù)又并非課程重點(diǎn)，往往受課時(shí)的限制而淡化其內部原理介紹。教學(xué)重點(diǎn)實(shí)際放在微處理器與存儲器、I /O 設備實(shí)現連接的外部接口特性上，而在總線(xiàn)接口層面，擴展存儲器和I /O 接口芯片，主要是基于微機的基本信息總線(xiàn): 地址總線(xiàn)( AB) 、數據總線(xiàn)( DB) 和讀/寫(xiě)控制線(xiàn)，即從硬件上各種微機擴展外設接口的基本原理是相同的。在采用高級語(yǔ)言開(kāi)展硬件編程教學(xué)情況下，軟件的思想和編程方法也大同小異，這樣微機的編程結構( 內部寄存器及使用) 也可淡化，甚至不講。這就給了我們一種改革思路上的啟示: 在淡化微機內部原理基礎上，可進(jìn)一步淡化接口背景機，將“計算機硬件技術(shù)基礎B”與“單片機系統設計”合并，建立新的課程教學(xué)體系，新課程教學(xué)體系也是由三門(mén)課程組成: ①微機原理與接口技術(shù)B( 52 + 18學(xué)時(shí)) ; ②嵌入式系統設計( 8 + 20 學(xué)時(shí)) ; ③數字化武器裝備接口綜合設計( 2 周) 。
原“單片機系統設計”改為“嵌入式系統設計”，綜合性課程設計則改為更加具有軍事應用背景的“數字化武器裝備接口綜合設計”。新的教學(xué)課程體系在總的教學(xué)時(shí)數略有減少情況下，兼顧了PC、單片機和嵌入式系統技術(shù)，與當前微機主流應用技術(shù)相一致，更加貼近我校人才培養目標。
2 “微機原理與接口技術(shù)B”課程改革
2. 1 課程內容改革
在新的課程體系內，“微機原理與接口技術(shù)B”課程教學(xué)時(shí)數比原有課程減少了10 學(xué)時(shí)。但內容上強調的是: 一要遵循“培養學(xué)生利用計算機硬件( 主要是接口技術(shù)) 為主技術(shù)、掌握從硬件與軟件的結合上處理問(wèn)題的意識和分析、解決本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域實(shí)際問(wèn)題的能力”這一教學(xué)目標，二要體現PC 技術(shù)和單片機技術(shù)應用的統一。
通過(guò)與“高級語(yǔ)言程序設計”課程銜接，代之以C 語(yǔ)言開(kāi)展硬件編程教學(xué)，節省的課時(shí)用于加強微機接口及應用技術(shù)的教學(xué)，突出課程主線(xiàn)，這也有利于淡化接口背景機、突出通用接口原理。但仍保留指令尋址方式章節，并要求學(xué)生通過(guò)自學(xué)，輔以研討達到能閱讀、編寫(xiě)簡(jiǎn)單的匯編驅動(dòng)程序的能力目標。二是取消基本人機交互接口章節和相關(guān)內容，如鍵盤(pán)與LED 顯示器接口作為PC 并行接口和MCS-51 并口的應用案例并入并行接口章節。
具體內容( 知識點(diǎn)) 的組織，總體上仍以PC 技術(shù)為主，同時(shí)兼顧單片機技術(shù):( 1) 不拘泥于單一CPU 介紹接口及應用技術(shù)角度，淡化微處理器內部原理( 含編程結構) 介紹，把重點(diǎn)放到其外部接口特性上。PC 擴展基于標準總線(xiàn)( 如ISA) ，MCS-51 單片機外擴則通過(guò)P0、P2 和P3 口產(chǎn)生的外部總線(xiàn)D0 ～ D7、A0 ～ A15和RD、WR進(jìn)行。這樣，兩者外擴存儲器和I /O 接口的原理基本相同，主要差別在于用C 語(yǔ)言編寫(xiě)硬件驅動(dòng)程序時(shí)，兩種處理器對端口的訪(fǎng)問(wèn)方式有所不同。因此，在相應章節上增加了PC 和單片機C 語(yǔ)言訪(fǎng)問(wèn)端口的方法。
( 2) 對MCS-51 單片機內部接口，如定時(shí)器/計數器、串口等，可分解到相應章節，在介紹完對應可編程接口后，用對比的方式、加以研討介紹。各種接口應用案例的講解，要兼顧PC 和單片機方案，充分體現接口基本原理不因背景機改變而改變的思想。
( 3) 相應的課程實(shí)驗也要兼顧單片機實(shí)際應用，增加單片機中斷機理實(shí)驗、并行接口應用實(shí)驗和基于并口擴展ADC 構成數據采集系統的應用實(shí)驗，并鼓勵學(xué)生課外用單片機完成原有基于PC 設計的實(shí)驗。
2. 2 重難點(diǎn)教學(xué)的探索
本課程內容多課時(shí)少矛盾突出，教學(xué)應把握好課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對重點(diǎn)內容的難點(diǎn)要特別重視、加強教學(xué)，盡可能調動(dòng)多種教學(xué)手段，運用多種教學(xué)環(huán)節幫助學(xué)生理解、掌握; 對一般內容的難點(diǎn)則應根據需要適度處理，不主張深鉆。
1) 關(guān)于存儲器和I /O 接口教學(xué)存儲器和I /O 接口是微機系統不可或缺的基本組成部分，其擴展設計是課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
但兩者從功能、結構和與CPU 的連接特性上基本相同( 或相似)。擴展設計的重點(diǎn)都是在地址分配基礎上實(shí)現存儲單元或I /O 寄存器的地址譯碼。從減少教學(xué)時(shí)數，提高教學(xué)效率角度，亦可將兩個(gè)知識單元整合一起施教，以案例和研討教學(xué)為主。通過(guò)具體案例分析、設計和實(shí)驗，讓學(xué)生掌握基于地址分配表確定譯碼方案、選擇譯碼器件和設計譯碼電路的方法，理解兩者的共性和區別。
2) 關(guān)于中斷與中斷控制教學(xué)
中斷是計算機系統的一個(gè)重要概念，是計算機對內、外突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的一種重要機制，更是一種重要的I /O 同步控制方式，是要求重點(diǎn)掌握和靈活運用的內容。但現代微處理器或微機系統一般都有較完備的中斷系統，如PC 系統提供15 級外部中斷，MCS-51 單片機支持5 級中斷，實(shí)際應用需要擴展中斷源的情況不多。在課時(shí)較少情況下，可少講或不講可編程中斷控制器8259，而把8259 作為PC 的基本配置，只講15 級外部中斷的屏蔽與開(kāi)放和中斷結束控制方法。這樣教學(xué)的重點(diǎn)可放在PC 和MCS-51 兩種典型微處理器中斷機理、及中斷處理程序設計的方法上，通過(guò)比對和研討認清兩種機制的異同。
3) 關(guān)于可編程接口芯片教學(xué)
各種可編程接口，特別是應用方法和技能是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從化解難點(diǎn)、突出重點(diǎn)出發(fā)，教學(xué)實(shí)施要重視以下方面:
( 1) 各種可編程接口與CPU 的連接同存儲器一樣，但與外設的連接特性各不相同、差異較大。教學(xué)要淡化與CPU 的連接特性，而突出與外設的連接特性。
( 2) 各種可編程接口內部寄存器多、端口地址少的矛盾突出。教學(xué)要重視接口內部寄存器的尋址和讀/寫(xiě)控制方法，并通過(guò)對1 ～ 2 個(gè)芯片的分析、總結，讓學(xué)生掌握各種可編程接口芯片解決寄存器多、端口地址少矛盾的常用方法。
( 3) 從功能上，各種可編程接口實(shí)際是對一類(lèi)接口功能的集成，所以要重視從通用接口功能介紹芯片。如8255，從接口功能上相當于簡(jiǎn)單的三態(tài)門(mén)/鎖存器( 方式0) ，或具有中斷及查詢(xún)功能的三態(tài)鎖存器/鎖存器( 方式1、方式2) 等并行接口功能的集成。講授8255，并不只是掌握這個(gè)芯片，而是通過(guò)芯片的學(xué)習，讓學(xué)生掌握并行接口這類(lèi)芯片的使用和應用方法，如MCS-51 并行I /O 口等的使用與應用。對8254、8250 的介紹也應如此。
4) 關(guān)于模擬I /O 器件接口教學(xué)ADC、DAC 及與CPU 的接口是構建實(shí)際計算機應用系統特別是測控系統至關(guān)重要的。教學(xué)時(shí)數較少時(shí)，可從轉換原理上，可將各類(lèi)ADC、DAC 芯片看作變換黑箱，不講轉換原理，而從與CPU 接口角度，重點(diǎn)介紹芯片的外部接口特性及通用接口方法。如ADC 可歸結為具有模擬輸入、數字輸出以及啟動(dòng)轉換、輸出允許和轉換結束信號的通用芯片。從與計算機連接角度，ADC 接口的工作原理可歸結為: 啟動(dòng)A/D 轉換→等待A/D 轉換結束→讀轉換結果，至于A(yíng)DC 以什么樣的原理將模擬信號轉換成數字信號可以淡化。這樣，教學(xué)重點(diǎn)就是如何產(chǎn)生A/D 轉換啟動(dòng)信號和輸出允許信號，以及從I /O 同步控制策略考慮，如何向CPU 傳遞轉換結束信號EOC。
DAC 的教學(xué)也可用類(lèi)似方法處理，接口要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何接收來(lái)自CPU 的轉換數據并保存。對內含數據寄存器的DAC 來(lái)說(shuō)，接口設計主要就是端口地址譯碼問(wèn)題; 對內部無(wú)數據寄存器的DAC 來(lái)說(shuō)，接口設計就變?yōu)橥鈹U數據寄存器的問(wèn)題。
3 教學(xué)資源建設的思考
除上述改革思路外，教學(xué)應鼓勵學(xué)生課外自主學(xué)習。這就要重視立體化教學(xué)資源建設，包括網(wǎng)絡(luò )教學(xué)資源和教材、教學(xué)輔導書(shū)等紙質(zhì)教學(xué)資源，以滿(mǎn)足學(xué)生自主學(xué)習需求。
( 1) 要按照國家精品資源共享課的指標體系，針對不同受眾建設網(wǎng)絡(luò )教學(xué)資源。內容應包含授課視頻、動(dòng)畫(huà)資源、疑難問(wèn)題解答、自我測試和在線(xiàn)交流等功能模塊。
( 2) 教材建設應滿(mǎn)足上述教學(xué)改革的需求。微處理器介紹不要拘泥于單一接口背景機，兼顧主流PC 技術(shù)、單片機等其他微機; 硬件編程教學(xué)既可用傳統匯編語(yǔ)言又可用C 語(yǔ)言; 內容組織要以計算思維能力培養為切入點(diǎn)，重視具有實(shí)際應用背景的典型案例介紹，從問(wèn)題的引入、設計思路，到設計方法，一步步引導啟發(fā)，讓學(xué)生掌握應用硬件為主技術(shù)，從硬件與軟件的結合上分析、解決實(shí)際問(wèn)題的思維方式，培養思維能力和設計開(kāi)發(fā)能力。各種案例的分析、求解兼顧PC 和單片機解決方案，應用編程也要兼顧匯編和C 語(yǔ)言?xún)煞N答案，充分體現接口的基本原理不因背景機改變而改變的指導思想，滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)、不同學(xué)時(shí)寬口徑教學(xué)需求。
( 3) 教學(xué)輔導書(shū)要組織有經(jīng)驗教師編寫(xiě)，內容要包含重點(diǎn)內容提要，疑難問(wèn)題解答，典型案例分析和教材習題選解。案例選擇要由淺入深，分析解答要有利于培養學(xué)生被動(dòng)模仿到主動(dòng)設計的思維方式，習題選解要留有學(xué)生練習的余地。
4 結語(yǔ)
本文根據微機應用的發(fā)展趨勢，結合我校實(shí)際對原有“計算機硬件技術(shù)基礎B”和“單片機系統設計”課程整合，建立了兼顧PC、單片機和嵌入式技術(shù)的硬件系列課程教學(xué)體系。在改革基礎上，結合“十二五”國家級規劃教材建設，編著(zhù)出版了兼顧PC 和單片機，匯編和C 語(yǔ)言編程的《微型計算機原理與接口技術(shù)( 第二版) 》課程教材及配套教學(xué)輔導書(shū)，滿(mǎn)足了教改需求。未來(lái)我們將加大對“微機原理與接口技術(shù)”課程實(shí)驗的改革，在有限的學(xué)時(shí)內兼顧好PC 和單片機技術(shù)的應用。
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