“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)改革

馬義德，王兆斌，綻 琨，湯書森，馬 俊

（1．蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730000；2．青海師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，青海 西寧810000）

0 引言

“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”是國家教育部規(guī)定的綜合性大學(xué)電子信息方向的專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)主干課，也是信息與通信工程、電氣工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的必修課程，是信息學(xué)科相關(guān)專業(yè)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的非常重要的紐帶和橋梁，也是嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程學(xué)習(xí)的最基礎(chǔ)的課程。

“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”是一門面向應(yīng)用的、具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與綜合性的課程，主要講述微型計(jì)算機(jī)硬件電路體系結(jié)構(gòu)和工作原理、微機(jī)匯編編程原理和常用接口芯片使用方法、中斷控制、DMA訪問和程序控制的輸入輸出技術(shù)等的基本原理、對(duì)應(yīng)芯片及其應(yīng)用技巧。同時(shí)本課程的教學(xué)還與全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯大賽、全國大學(xué)生網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)大賽、全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以及相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)競賽等相結(jié)合，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和知識(shí)應(yīng)用能力，鍛煉學(xué)生解決生產(chǎn)生活實(shí)踐中的各種微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)和分析等問題的能力發(fā)揮了重要作用。

課程具有以下特點(diǎn)：工作原理與編程方法、接口技術(shù)并重；軟件與硬件結(jié)合；理論與實(shí)踐結(jié)合。

課程的這些特點(diǎn)要求學(xué)生具備一定的軟硬件專業(yè)基礎(chǔ)，并能夠在本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，融會(huì)貫通，舉一反三，為后續(xù)專業(yè)課程的深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。從而將多門課程緊密聯(lián)系起來，形成以“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”為核心的主干基礎(chǔ)課程群。

“電路分析”、“數(shù)字電路”及“模擬電路”等課程為“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”提供硬件分析基礎(chǔ)，為相關(guān)硬件電路功能的分析提供保證?！癈語言”和“匯編語言”則為“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”提供軟件編程基礎(chǔ)，通過C語言或匯編語言程序可以控制硬件?！拔⑿陀?jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”中對(duì)計(jì)算機(jī)CPU硬件工作原理的分析方法又為“嵌入式系統(tǒng)ARM”、“嵌入式系統(tǒng)MCU”及“數(shù)字信號(hào)處理DSP”等后續(xù)課程的分析和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

在國內(nèi)外同類課程中，“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程屬計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的偏硬件課程，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)技能課。隨著嵌入式系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用的深入，微型計(jì)算機(jī)新技術(shù)的發(fā)展，該課程已成為工科類院校必修的計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)課程。強(qiáng)調(diào)“學(xué)用結(jié)合”。與國內(nèi)外同類課程相比，該課程涉及的內(nèi)容多、更新快、實(shí)踐性強(qiáng)。

正因如此，幾乎每一個(gè)牽扯到信息學(xué)科的工科專業(yè)都開設(shè)此課程，相關(guān)教學(xué)科研人員非常關(guān)心該課程內(nèi)容更新、教材建設(shè)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)，這些同時(shí)也一直是國內(nèi)外高等教育出版單位、教學(xué)儀器公司關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 微型計(jì)算機(jī)原理課程教學(xué)的現(xiàn)狀

IT技術(shù)的日新月異變化，促使國內(nèi)外高校不斷更新微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用類課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。目前，我們對(duì)國內(nèi)外各高校關(guān)于微機(jī)原理及應(yīng)用類課程的開設(shè)情況進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)有如下六個(gè)不同的開設(shè)方向。

（1）基于ARM體系結(jié)構(gòu)的開設(shè)：這種開設(shè)迎合了當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中關(guān)于ARM結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，特別是在移動(dòng)通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)品研發(fā)等方面，精減指令集RISC和軟核設(shè)計(jì)是它的特色。但是，高集成度的芯片設(shè)計(jì)和軟核包裝，使得對(duì)于微機(jī)原理中的中斷技術(shù)、DMA技術(shù)等相關(guān)可編程的輸入輸出接口技術(shù)的講解缺乏直觀的實(shí)例分析，而此類技術(shù)恰是目前嵌入式系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的非常重要的技術(shù)。

這類課程關(guān)注微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)講解ARM微處理器的IP核及其軟硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，從邏輯電路和ARM核的設(shè)計(jì)層次，介紹控制器和數(shù)據(jù)通路等主要功能部件的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示微處理器系統(tǒng)中軟件指令和硬件電路之間的接口及綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，討論嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)及基于ARM核的SoC設(shè)計(jì)技術(shù)。

（2）基于單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開設(shè)：這種開設(shè)常見的有intel 51系列和Ti開發(fā)的msp430系列的體系結(jié)構(gòu)。這類課程實(shí)驗(yàn)體系容易配套完成，應(yīng)用性也很強(qiáng)，但相比于8位的MCU講解整個(gè)計(jì)算機(jī)的軟硬件工作原理來說，還是有些不足，主要是：缺乏關(guān)于可編程接口芯片并行8255、中斷技術(shù)8259、DMA技術(shù)8257等直觀易懂的經(jīng)典實(shí)例，更缺乏作為多媒體處理的指令流和VGA等多種顯示技術(shù)的課程內(nèi)容，盡管后續(xù)會(huì)有16位節(jié)能降耗的Ti的MCU系列滿足快速廉價(jià)的需求，但將其作為微機(jī)原理基礎(chǔ)課程內(nèi)容開設(shè)是不太妥當(dāng)?shù)模鳛槲C(jī)原理后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)課程群里面的一個(gè)單元課程設(shè)置倒是很恰當(dāng)。

（3）基于FPGA的體系結(jié)構(gòu)的開設(shè)：這種開設(shè)的特色是從大的軟件平臺(tái)開始，設(shè)計(jì)從I／O，CPU入手，然后逐步實(shí)現(xiàn)整體計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)，迎合了目前大集成度的片上SOC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，能將芯片設(shè)計(jì)的概念和硬件電路實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)完成，還能嵌入U(xiǎn)COS等嵌入式操作系統(tǒng)，這類課程適合基于邏輯設(shè)計(jì)開始的計(jì)算機(jī)類的專業(yè)的微機(jī)原理課程的開設(shè)，對(duì)于電類或者非計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生來說，缺乏直觀的硬件工作原理的講解的環(huán)節(jié)，特別是流水線、微型計(jì)算機(jī)中的三大輸入輸出技術(shù)的直觀的講解和應(yīng)用實(shí)例，對(duì)從電子技術(shù)基本課程后的過度學(xué)習(xí)有一定的難度。

（4）基于intel80X86體系結(jié)構(gòu)的開設(shè)：這是經(jīng)典的也是應(yīng)用非常廣泛的，是大部分院校樂于采納的開設(shè)，特點(diǎn)是：實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)容易設(shè)計(jì)，常用的經(jīng)典芯片種類多，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)中的各個(gè)單元環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的分離的集成電路芯片提供，無論是對(duì)常見的數(shù)字驅(qū)動(dòng)門、數(shù)字鎖存器、譯碼編碼電路，還是微機(jī)的DMA、中斷技術(shù)、可編程控制的其他I／O技術(shù)都有獨(dú)立的經(jīng)典的芯片，便于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和實(shí)際教學(xué)展示，是很受歡迎的課程類別選擇。

（5）基于DSP體系結(jié)構(gòu)的開設(shè)：這種開設(shè)的特點(diǎn)是對(duì)編程水平要求高，適合于對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)的高水平的實(shí)驗(yàn)班或者基地班的課程的教學(xué)，因?yàn)椋珼SP本身的參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，集成度高，哈佛CPU體系結(jié)構(gòu)等的特點(diǎn)，一般來說教學(xué)有一定的難度。

這類課程開設(shè)通過重點(diǎn)講解intel80X86體系結(jié)構(gòu)，再對(duì)比分析DSP原理，重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)習(xí)和實(shí)踐DSP相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和編程應(yīng)用。

（6）不設(shè)置微機(jī)原理課程的開設(shè)：這種類型適合為高起點(diǎn)的專業(yè)和優(yōu)秀的學(xué)生而開設(shè)，是目前正在試驗(yàn)和討論的一種模式。

2 我們的選擇

借鑒上述教學(xué)研究和教學(xué)改革調(diào)研，結(jié)合我們主干課程群建設(shè)的實(shí)踐，在課程的開設(shè)方面，我們的思路還是繼續(xù)保持自己的風(fēng)格特色，仍然進(jìn)行基于X86的微機(jī)原理課程的開設(shè)，在教學(xué)中盡量引入最新的技術(shù)發(fā)展和各種因素的新的研發(fā)和應(yīng)用工程講解。

經(jīng)過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和實(shí)踐積累，我們編寫的《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》教材選入教育部十一五規(guī)劃教材，并在高等教育出版社出版發(fā)行。

我們圍繞“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)平臺(tái)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)新發(fā)展，提出主干基礎(chǔ)課程群的思想進(jìn)行了多年的教學(xué)改革實(shí)踐，主干基礎(chǔ)課程群包括“電路分析”、“數(shù)字電路”、“模擬電路”、“微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”、“硬件編程語言”、“嵌入式系統(tǒng)”（MCU、DSP、ARM等）等課程，圍繞嵌入式應(yīng)用開發(fā)的處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等及開發(fā)工具引導(dǎo)學(xué)生由淺入深、逐步掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論與技術(shù)，進(jìn)行具有實(shí)踐技能和創(chuàng)新型意識(shí)的人才培養(yǎng)。

針對(duì)“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程的發(fā)展和高級(jí)語言使用環(huán)境的更新，在清華大學(xué)出版社支持下，2014年初對(duì)我們在2008年編寫的實(shí)驗(yàn)教材《微機(jī)原理接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程》（清華大學(xué)出版社．2008．07）進(jìn)行了更新，又在清華大學(xué)出版社出版了基于VC+匯編的實(shí)驗(yàn)教程《微機(jī)原理與接口技術(shù)（VC+匯編）實(shí)驗(yàn)教程》（清華大學(xué)出版社．2014．04）。另外，針對(duì)嵌入式課程群團(tuán)隊(duì)建設(shè)的進(jìn)展和我校嵌入式教學(xué)科研的需求，在Ti大學(xué)計(jì)劃支持下，我們編寫了16位的MCU教材《MSP430系列單片機(jī)原理與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐》（清華大學(xué)出版社2014．10），2016年該教材第二版本經(jīng)過電子信息學(xué)科教指委推薦進(jìn)入教育部十二五規(guī)劃教材?；谠摻滩膶?duì)我校原來單片機(jī)intel 51系列的課程進(jìn)行提升和改革，經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生獲得了最新的16位嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)的課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)，這對(duì)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)開展和學(xué)生就業(yè)是很好的鍛煉和實(shí)踐技能訓(xùn)練。

在我校教務(wù)處支持下，“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程于2005年建設(shè)成為甘肅省精品課程，經(jīng)過10多年來的教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我們建設(shè)了一支由老中青結(jié)合的教授、副教授、高級(jí)實(shí)驗(yàn)師及博士講師組成的教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，有了很好的相關(guān)教學(xué)科研基礎(chǔ)的積累，利于該課程的持續(xù)更新和發(fā)展建設(shè)。并于2013年獲批為甘肅省優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的開展，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合我們開展了進(jìn)一步的“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)研究與改革，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各種類別的創(chuàng)新與微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)踐開發(fā)大賽，例如張良等同學(xué)參加2015 ARM ST全國大學(xué)生智能設(shè)備創(chuàng)新大賽，獲得西部賽區(qū)二等獎(jiǎng)。還有學(xué)生在積累和分析總結(jié)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將競賽內(nèi)容和工程實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)發(fā)表了實(shí)踐論文3篇：① 張良，葛榮駿，張志釗，馬義德．“基于FPGA和Nios系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能電子測試儀器”，（微型機(jī)與應(yīng)用，2016年04期）；② 何晉紅，潘桃，于婷，馬義德．“基于STM32的通用高速編程器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，（電子技術(shù)，2016年04期）；③ 王兆濱，馬義德，張紅娟，湯書森，綻琨．“新形勢下嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)人才培養(yǎng)模式探索”，（高等理科教育，2013年04期）。

各種競賽活動(dòng)使理論與實(shí)踐結(jié)合，既鍛煉了教師科研實(shí)踐技能，又提高了青年教師解決實(shí)際問題的能力。

3 結(jié)語

總結(jié)多年來的教學(xué)科研實(shí)踐，我們持續(xù)進(jìn)行了“微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)研究與改革。在探索產(chǎn)學(xué)研結(jié)合新途徑過程中，我們完成的USB、DSP和ARM等課題支持了該課程群的教學(xué)實(shí)踐，授權(quán)多項(xiàng)國家專利。先后獲得：① 甘肅省教學(xué)成果一、二等獎(jiǎng)、蘭州大學(xué)教學(xué)成果一、二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)；②甘肅省自然科學(xué)獎(jiǎng)、高?？萍歼M(jìn)步獎(jiǎng)等多項(xiàng)；③指導(dǎo)學(xué)生參加全國各類競賽活動(dòng)，先后獲得全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一、二等獎(jiǎng)和甘肅省特等獎(jiǎng)、甘肅省挑戰(zhàn)杯特等獎(jiǎng)；④先后指導(dǎo)了國家高等學(xué)校質(zhì)量工程項(xiàng)目和國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目、鼓勵(lì)學(xué)生參加全國大學(xué)生電子技術(shù)大賽、TI-DSP大賽、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用大賽；⑤榮現(xiàn)多名“君政學(xué)者”（秦惠君與李政道主建的“中國大學(xué)生見習(xí)進(jìn)修基金”獲獎(jiǎng)?wù)撸?；⑥建?013年度甘肅省“嵌入式系統(tǒng)課程群”教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

經(jīng)過教學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的多年努力，我們已經(jīng)形成了一個(gè)中青年教師為主的“微機(jī)原理及其應(yīng)用”主干基礎(chǔ)課成群教學(xué)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員積極投入教學(xué)改革研究、教學(xué)內(nèi)容更新、教學(xué)方法改進(jìn)、教材撰寫、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的研究和探討等活動(dòng)中，制定了一套完整建設(shè)思路和具體計(jì)劃，并一直堅(jiān)持努力，不斷加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，加強(qiáng)教學(xué)研討和經(jīng)驗(yàn)交流，促進(jìn)教師教學(xué)發(fā)展，加快課堂教學(xué)改革，提高團(tuán)隊(duì)實(shí)力和整體教學(xué)質(zhì)量。