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改革計(jì)算機(jī)硬件系列課程新思考研究論文
我校早在2009 年教學(xué)計(jì)劃中，便對(duì)非電專業(yè)“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)A”課程教學(xué)時(shí)數(shù)進(jìn)行大幅縮減。依據(jù)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)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(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用技術(shù)這條主線前提下，以能力培養(yǎng)，特別是計(jì)算思維能力培養(yǎng)為目的，對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，建立了基于C 語言開展硬件編程教學(xué)的理論和實(shí)踐教學(xué)體系，滿足了教學(xué)時(shí)數(shù)減少的教學(xué)需求。這為我們新一輪淡化接口背景機(jī)，兼顧PC和單片機(jī)接口及應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)改革提供了基礎(chǔ)。我校在2012 年教學(xué)計(jì)劃中，又針對(duì)以電為主專業(yè)的計(jì)算機(jī)硬件系列課程，在總教學(xué)時(shí)數(shù)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(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，與主流應(yīng)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，我校以電為主專業(yè)開設(shè)的計(jì)算機(jī)硬件系列課程主要包括如下三門課程: ①計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)B( 62 + 18 學(xué)時(shí)) ; ②單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)( 8 + 20學(xué)時(shí)) ; ③微機(jī)接口與應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)( 2 周) 。系列課程的主體是一門以PC 為背景機(jī)的“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)B”課程。 “單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是在學(xué)完“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)B”課程后開設(shè)的一門以實(shí)踐為主的課程�！拔C(jī)接口與應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)”是以培養(yǎng)學(xué)生使用單片機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)解決實(shí)際問題能力而開設(shè)的實(shí)踐課。上述課程體系基于匯編語言講授編程技術(shù)，這有利于對(duì)底層硬件原理的理解，引導(dǎo)學(xué)生編寫高質(zhì)量的硬件驅(qū)動(dòng)程序和掌握底層硬件調(diào)試技術(shù); 主要不足是，占用學(xué)時(shí)較多，且受總學(xué)時(shí)限制未開設(shè)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)課程，這與當(dāng)前主流應(yīng)用技術(shù)有些脫節(jié)。
正如引言所述，借鑒2009 計(jì)劃對(duì)非電專業(yè)的“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)A”課程改革取得的經(jīng)驗(yàn)，采用PC 機(jī)介紹計(jì)算機(jī)硬件及應(yīng)用技術(shù)，有利于講清現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)采用的先進(jìn)技術(shù)，但隨著PC 技術(shù)的飛速發(fā)展，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，而從非計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(nèi)部原理介紹。教學(xué)重點(diǎn)實(shí)際放在微處理器與存儲(chǔ)器、I /O 設(shè)備實(shí)現(xiàn)連接的外部接口特性上，而在總線接口層面，擴(kuò)展存儲(chǔ)器和I /O 接口芯片，主要是基于微機(jī)的基本信息總線: 地址總線( AB) 、數(shù)據(jù)總線( DB) 和讀/寫控制線，即從硬件上各種微機(jī)擴(kuò)展外設(shè)接口的基本原理是相同的。在采用高級(jí)語言開展硬件編程教學(xué)情況下，軟件的思想和編程方法也大同小異，這樣微機(jī)的編程結(jié)構(gòu)( 內(nèi)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(jī)內(nèi)部原理基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步淡化接口背景機(jī)，將“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)B”與“單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”合并，建立新的課程教學(xué)體系，新課程教學(xué)體系也是由三門課程組成: ①微機(jī)原理與接口技術(shù)B( 52 + 18學(xué)時(shí)) ; ②嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)( 8 + 20 學(xué)時(shí)) ; ③數(shù)字化武器裝備接口綜合設(shè)計(jì)( 2 周) 。
原“單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”改為“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，綜合性課程設(shè)計(jì)則改為更加具有軍事應(yīng)用背景的“數(shù)字化武器裝備接口綜合設(shè)計(jì)”。新的教學(xué)課程體系在總的教學(xué)時(shí)數(shù)略有減少情況下，兼顧了PC、單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，與當(dāng)前微機(jī)主流應(yīng)用技術(shù)相一致，更加貼近我校人才培養(yǎng)目標(biāo)。
2 “微機(jī)原理與接口技術(shù)B”課程改革
2. 1 課程內(nèi)容改革
在新的課程體系內(nèi)，“微機(jī)原理與接口技術(shù)B”課程教學(xué)時(shí)數(shù)比原有課程減少了10 學(xué)時(shí)。但內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)的是: 一要遵循“培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)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(jié)合上處理問題的意識(shí)和分析、解決本專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力”這一教學(xué)目標(biāo)，二要體現(xiàn)PC 技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用的統(tǒng)一。
通過與“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”課程銜接，代之以C 語言開展硬件編程教學(xué)，節(jié)省的課時(shí)用于加強(qiáng)微機(jī)接口及應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)，突出課程主線，這也有利于淡化接口背景機(jī)、突出通用接口原理。但仍保留指令尋址方式章節(jié)，并要求學(xué)生通過自學(xué)，輔以研討達(dá)到能閱讀、編寫簡(jiǎn)單的匯編驅(qū)動(dòng)程序的能力目標(biāo)。二是取消基本人機(jī)交互接口章節(jié)和相關(guān)內(nèi)容，如鍵盤與LED 顯示器接口作為PC 并行接口和MCS-51 并口的應(yīng)用案例并入并行接口章節(jié)。
具體內(nèi)容( 知識(shí)點(diǎn)) 的組織，總體上仍以PC 技術(shù)為主，同時(shí)兼顧單片機(jī)技術(shù):( 1) 不拘泥于單一CPU 介紹接口及應(yīng)用技術(shù)角度，淡化微處理器內(nèi)部原理( 含編程結(jié)構(gòu)) 介紹，把重點(diǎn)放到其外部接口特性上。PC 擴(kuò)展基于標(biāo)準(zhǔn)總線( 如ISA) ，MCS-51 單片機(jī)外擴(kuò)則通過P0、P2 和P3 口產(chǎn)生的外部總線D0 ～ D7、A0 ～ A15和RD、WR進(jìn)行。這樣，兩者外擴(kuò)存儲(chǔ)器和I /O 接口的原理基本相同，主要差別在于用C 語言編寫硬件驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，兩種處理器對(duì)端口的訪問方式有所不同。因此，在相應(yīng)章節(jié)上增加了PC 和單片機(jī)C 語言訪問端口的方法。
( 2) 對(duì)MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部接口，如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口等，可分解到相應(yīng)章節(jié)，在介紹完對(duì)應(yīng)可編程接口后，用對(duì)比的方式、加以研討介紹。各種接口應(yīng)用案例的講解，要兼顧PC 和單片機(jī)方案，充分體現(xiàn)接口基本原理不因背景機(jī)改變而改變的思想。
( 3) 相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)也要兼顧單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用，增加單片機(jī)中斷機(jī)理實(shí)驗(yàn)、并行接口應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和基于并口擴(kuò)展ADC 構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，并鼓勵(lì)學(xué)生課外用單片機(jī)完成原有基于PC 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。
2. 2 重難點(diǎn)教學(xué)的探索
本課程內(nèi)容多課時(shí)少矛盾突出，教學(xué)應(yīng)把握好課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的難點(diǎn)要特別重視、加強(qiáng)教學(xué)，盡可能調(diào)動(dòng)多種教學(xué)手段，運(yùn)用多種教學(xué)環(huán)節(jié)幫助學(xué)生理解、掌握; 對(duì)一般內(nèi)容的難點(diǎn)則應(yīng)根據(jù)需要適度處理，不主張深鉆。
1) 關(guān)于存儲(chǔ)器和I /O 接口教學(xué)存儲(chǔ)器和I /O 接口是微機(jī)系統(tǒng)不可或缺的基本組成部分，其擴(kuò)展設(shè)計(jì)是課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
但兩者從功能、結(jié)構(gòu)和與CPU 的連接特性上基本相同( 或相似)。擴(kuò)展設(shè)計(jì)的重點(diǎn)都是在地址分配基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元或I /O 寄存器的地址譯碼。從減少教學(xué)時(shí)數(shù)，提高教學(xué)效率角度，亦可將兩個(gè)知識(shí)單元整合一起施教，以案例和研討教學(xué)為主。通過具體案例分析、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，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(shè)計(jì)譯碼電路的方法，理解兩者的共性和區(qū)別。
2) 關(guān)于中斷與中斷控制教學(xué)
中斷是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要概念，是計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)、外突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的一種重要機(jī)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(yùn)用的內(nèi)容。但現(xiàn)代微處理器或微機(jī)系統(tǒng)一般都有較完備的中斷系統(tǒng)，如PC 系統(tǒng)提供15 級(jí)外部中斷，MCS-51 單片機(jī)支持5 級(jí)中斷，實(shí)際應(yīng)用需要擴(kuò)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(jí)外部中斷的屏蔽與開放和中斷結(jié)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(jī)理、及中斷處理程序設(shè)計(jì)的方法上，通過比對(duì)和研討認(rèn)清兩種機(jī)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(yīng)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(chǔ)器一樣，但與外設(shè)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(shè)的連接特性。
( 2) 各種可編程接口內(nèi)部寄存器多、端口地址少的矛盾突出。教學(xué)要重視接口內(nèi)部寄存器的尋址和讀/寫控制方法，并通過對(duì)1 ～ 2 個(gè)芯片的分析、總結(jié)，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(duì)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(dāng)于簡(jiǎn)單的三態(tài)門/鎖存器( 方式0) ，或具有中斷及查詢功能的三態(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，而是通過芯片的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握并行接口這類芯片的使用和應(yīng)用方法，如MCS-51 并行I /O 口等的使用與應(yīng)用。對(duì)8254、8250 的介紹也應(yīng)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(gòu)建實(shí)際計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)特別是測(cè)控系統(tǒng)至關(guān)重要的。教學(xué)時(shí)數(shù)較少時(shí)，可從轉(zhuǎn)換原理上，可將各類ADC、DAC 芯片看作變換黑箱，不講轉(zhuǎn)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(jié)為具有模擬輸入、數(shù)字輸出以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、輸出允許和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的通用芯片。從與計(jì)算機(jī)連接角度，ADC 接口的工作原理可歸結(jié)為: 啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換→等待A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束→讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，至于ADC 以什么樣的原理將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)可以淡化。這樣，教學(xué)重點(diǎn)就是如何產(chǎn)生A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)和輸出允許信號(hào)，以及從I /O 同步控制策略考慮，如何向CPU 傳遞轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。
DAC 的教學(xué)也可用類似方法處理，接口要解決的關(guān)鍵問題是，如何接收來自CPU 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并保存。對(duì)內(nèi)含數(shù)據(jù)寄存器的DAC 來說，接口設(shè)計(jì)主要就是端口地址譯碼問題; 對(duì)內(nèi)部無數(shù)據(jù)寄存器的DAC 來說，接口設(shè)計(jì)就變?yōu)橥鈹U(kuò)數(shù)據(jù)寄存器的問題。
3 教學(xué)資源建設(shè)的思考
除上述改革思路外，教學(xué)應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)。這就要重視立體化教學(xué)資源建設(shè)，包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和教材、教學(xué)輔導(dǎo)書等紙質(zhì)教學(xué)資源，以滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求。
( 1) 要按照國家精品資源共享課的指標(biāo)體系，針對(duì)不同受眾建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。內(nèi)容應(yīng)包含授課視頻、動(dòng)畫資源、疑難問題解答、自我測(cè)試和在線交流等功能模塊。
( 2) 教材建設(shè)應(yīng)滿足上述教學(xué)改革的需求。微處理器介紹不要拘泥于單一接口背景機(jī)，兼顧主流PC 技術(shù)、單片機(jī)等其他微機(jī); 硬件編程教學(xué)既可用傳統(tǒng)匯編語言又可用C 語言; 內(nèi)容組織要以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為切入點(diǎn)，重視具有實(shí)際應(yīng)用背景的典型案例介紹，從問題的引入、設(shè)計(jì)思路，到設(shè)計(jì)方法，一步步引導(dǎo)啟發(fā)，讓學(xué)生掌握應(yīng)用硬件為主技術(shù)，從硬件與軟件的結(jié)合上分析、解決實(shí)際問題的思維方式，培養(yǎng)思維能力和設(shè)計(jì)開發(fā)能力。各種案例的分析、求解兼顧PC 和單片機(jī)解決方案，應(yīng)用編程也要兼顧匯編和C 語言兩種答案，充分體現(xiàn)接口的基本原理不因背景機(jī)改變而改變的指導(dǎo)思想，滿足不同專業(yè)、不同學(xué)時(shí)寬口徑教學(xué)需求。
( 3) 教學(xué)輔導(dǎo)書要組織有經(jīng)驗(yàn)教師編寫，內(nèi)容要包含重點(diǎn)內(nèi)容提要，疑難問題解答，典型案例分析和教材習(xí)題選解。案例選擇要由淺入深，分析解答要有利于培養(yǎng)學(xué)生被動(dòng)模仿到主動(dòng)設(shè)計(jì)的思維方式，習(xí)題選解要留有學(xué)生練習(xí)的余地。
4 結(jié)語
本文根據(jù)微機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我校實(shí)際對(duì)原有“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)B”和“單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程整合，建立了兼顧PC、單片機(jī)和嵌入式技術(shù)的硬件系列課程教學(xué)體系。在改革基礎(chǔ)上，結(jié)合“十二五”國家級(jí)規(guī)劃教材建設(shè)，編著出版了兼顧PC 和單片機(jī)，匯編和C 語言編程的《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)( 第二版) 》課程教材及配套教學(xué)輔導(dǎo)書，滿足了教改需求。未來我們將加大對(duì)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)的改革，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)兼顧好PC 和單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。
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