改革計算機硬件系列課程新思考研究論文

我校早在2009 年教學計劃中，便對非電專業“計算機硬件技術基礎A”課程教學時數進行大幅縮減。依據高校計算機基礎課程教學指導委員會關於該課程教學基本要求和實施方案，在突出計算機接口及應用技術這條主線前提下，以能力培養，特別是計算思維能力培養為目的，對該課程教學內容進行改革，建立了基於C 語言開展硬件編程教學的理論和實踐教學體系，滿足了教學時數減少的教學需求。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的教學改革提供了基礎。我校在2012 年教學計劃中，又針對以電為主專業的計算機硬件系列課程，在總教學時數略有減少情況下，就如何完善課程教學體系，兼顧PC 技術、單片機技術和嵌入式系統教學，與主流應用技術保持一致，進行了一些行之有效的改革與探索。

1 課程教學體系改革

早先，我校以電為主專業開設的計算機硬件系列課程主要包括如下三門課程: ①計算機硬件技術基礎B( 62 + 18 學時) ; ②單片機系統設計( 8 + 20學時) ; ③微機接口與應用綜合設計( 2 周) 。系列課程的主體是一門以PC 為背景機的“計算機硬件技術基礎B”課程。 “單片機系統設計”是在學完“計算機硬件技術基礎B”課程後開設的一門以實踐為主的課程。“微機接口與應用綜合設計”是以培養學生使用單片機及其應用技術解決實際問題能力而開設的實踐課。上述課程體系基於彙編語言講授編程技術，這有利於對底層硬件原理的理解，引導學生編寫高質量的硬件驅動程序和掌握底層硬件調試技術; 主要不足是，佔用學時較多，且受總學時限制未開設嵌入式系統技術相關課程，這與當前主流應用技術有些脱節。

正如引言所述，借鑑2009 計劃對非電專業的“計算機硬件技術基礎A”課程改革取得的經驗，採用PC 機介紹計算機硬件及應用技術，有利於講清現代微型計算機採用的先進技術，但隨着PC 技術的飛速發展，其內部結構越來越複雜，而從非計算機專業應用計算機的特點看，一些先進技術又並非課程重點，往往受課時的限制而淡化其內部原理介紹。教學重點實際放在微處理器與存儲器、I /O 設備實現連接的外部接口特性上，而在總線接口層面，擴展存儲器和I /O 接口芯片，主要是基於微機的基本信息總線: 地址總線( AB) 、數據總線( DB) 和讀/寫控制線，即從硬件上各種微機擴展外設接口的基本原理是相同的。在採用高級語言開展硬件編程教學情況下，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，可進一步淡化接口背景機，將“計算機硬件技術基礎B”與“單片機系統設計”合併，建立新的課程教學體系，新課程教學體系也是由三門課程組成: ①微機原理與接口技術B( 52 + 18學時) ; ②嵌入式系統設計( 8 + 20 學時) ; 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”。新的教學課程體系在總的教學時數略有減少情況下，兼顧了PC、單片機和嵌入式系統技術，與當前微機主流應用技術相一致，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B”課程教學時數比原有課程減少了10 學時。但內容上強調的是: 一要遵循“培養學生利用計算機硬件( 主要是接口技術) 為主技術、掌握從硬件與軟件的結合上處理問題的意識和分析、解決本專業領域實際問題的能力”這一教學目標，二要體現PC 技術和單片機技術應用的統一。

通過與“高級語言程序設計”課程銜接，代之以C 語言開展硬件編程教學，節省的課時用於加強微機接口及應用技術的教學，突出課程主線，這也有利於淡化接口背景機、突出通用接口原理。但仍保留指令尋址方式章節，並要求學生通過自學，輔以研討達到能閲讀、編寫簡單的彙編驅動程序的能力目標。二是取消基本人機交互接口章節和相關內容，如鍵盤與LED 顯示器接口作為PC 並行接口和MCS-51 並口的應用案例併入並行接口章節。

具體內容( 知識點) 的組織，總體上仍以PC 技術為主，同時兼顧單片機技術:( 1) 不拘泥於單一CPU 介紹接口及應用技術角度，淡化微處理器內部原理( 含編程結構) 介紹，把重點放到其外部接口特性上。PC 擴展基於標準總線( 如ISA) ，MCS-51 單片機外擴則通過P0、P2 和P3 口產生的外部總線D0 ～ D7、A0 ～ A15和RD、WR進行。這樣，兩者外擴存儲器和I /O 接口的原理基本相同，主要差別在於用C 語言編寫硬件驅動程序時，兩種處理器對端口的訪問方式有所不同。因此，在相應章節上增加了PC 和單片機C 語言訪問端口的方法。

( 2) 對MCS-51 單片機內部接口，如定時器/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後，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) 相應的課程實驗也要兼顧單片機實際應用，增加單片機中斷機理實驗、並行接口應用實驗和基於並口擴展ADC 構成數據採集系統的應用實驗，並鼓勵學生課外用單片機完成原有基於PC 設計的實驗。

2. 2 重難點教學的探索

本課程內容多課時少矛盾突出，教學應把握好課程的重點和難點。對重點內容的難點要特別重視、加強教學，儘可能調動多種教學手段，運用多種教學環節幫助學生理解、掌握; 對一般內容的難點則應根據需要適度處理，不主張深鑽。

1) 關於存儲器和I /O 接口教學存儲器和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和難點。

但兩者從功能、結構和與CPU 的連接特性上基本相同( 或相似)。擴展設計的重點都是在地址分配基礎上實現存儲單元或I /O 寄存器的地址譯碼。從減少教學時數，提高教學效率角度，亦可將兩個知識單元整合一起施教，以案例和研討教學為主。通過具體案例分析、設計和實驗，讓學生掌握基於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) 關於中斷與中斷控制教學

中斷是計算機系統的一個重要概念，是計算機對內、外突發事件進行實時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，實際應用需要擴展中斷源的情況不多。在課時較少情況下，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放和中斷結束控制方法。這樣教學的重點可放在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，通過比對和研討認清兩種機制的異同。

3) 關於可編程接口芯片教學

各種可編程接口，特別是應用方法和技能是本課程的重點和難點。從化解難點、突出重點出發，教學實施要重視以下方面:

( 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。教學要重視接口內部寄存器的尋址和讀/寫控制方法，並通過對1 ～ 2 個芯片的分析、總結，讓學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，各種可編程接口實際是對一類接口功能的集成，所以要重視從通用接口功能介紹芯片。如8255，從接口功能上相當於簡單的三態門/鎖存器( 方式0) ，或具有中斷及查詢功能的三態鎖存器/鎖存器( 方式1、方式2) 等並行接口功能的集成。講授8255，並不只是掌握這個芯片，而是通過芯片的學習，讓學生掌握並行接口這類芯片的使用和應用方法，如MCS-51 並行I /O 口等的使用與應用。對8254、8250 的介紹也應如此。

4) 關於模擬I /O 器件接口教學ADC、DAC 及與CPU 的接口是構建實際計算機應用系統特別是測控系統至關重要的。教學時數較少時，可從轉換原理上，可將各類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A/D 轉換→等待A/D 轉換結束→讀轉換結果，至於ADC 以什麼樣的原理將模擬信號轉換成數字信號可以淡化。這樣，教學重點就是如何產生A/D 轉換啟動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 的教學也可用類似方法處理，接口要解決的關鍵問題是，如何接收來自CPU 的轉換數據並保存。對內含數據寄存器的DAC 來説，接口設計主要就是端口地址譯碼問題; 對內部無數據寄存器的DAC 來説，接口設計就變為外擴數據寄存器的問題。

3 教學資源建設的思考

除上述改革思路外，教學應鼓勵學生課外自主學習。這就要重視立體化教學資源建設，包括網絡教學資源和教材、教學輔導書等紙質教學資源，以滿足學生自主學習需求。

( 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絡教學資源。內容應包含授課視頻、動畫資源、疑難問題解答、自我測試和在線交流等功能模塊。

( 2) 教材建設應滿足上述教學改革的需求。微處理器介紹不要拘泥於單一接口背景機，兼顧主流PC 技術、單片機等其他微機; 硬件編程教學既可用傳統彙編語言又可用C 語言; 內容組織要以計算思維能力培養為切入點，重視具有實際應用背景的典型案例介紹，從問題的引入、設計思路，到設計方法，一步步引導啟發，讓學生掌握應用硬件為主技術，從硬件與軟件的結合上分析、解決實際問題的思維方式，培養思維能力和設計開發能力。各種案例的分析、求解兼顧PC 和單片機解決方案，應用編程也要兼顧彙編和C 語言兩種答案，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，滿足不同專業、不同學時寬口徑教學需求。

( 3) 教學輔導書要組織有經驗教師編寫，內容要包含重點內容提要，疑難問題解答，典型案例分析和教材習題選解。案例選擇要由淺入深，分析解答要有利於培養學生被動模仿到主動設計的思維方式，習題選解要留有學生練習的餘地。

4 結語

本文根據微機應用的發展趨勢，結合我校實際對原有“計算機硬件技術基礎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的硬件系列課程教學體系。在改革基礎上，結合“十二五”國家級規劃教材建設，編著出版了兼顧PC 和單片機，彙編和C 語言編程的《微型計算機原理與接口技術( 第二版) 》課程教材及配套教學輔導書，滿足了教改需求。未來我們將加大對“微機原理與接口技術”課程實驗的改革，在有限的學時內兼顧好PC 和單片機技術的應用。