“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)內(nèi)容改革

2013-08-23 03:23:34陳立剛徐曉紅

電氣電子教學(xué)學(xué)報 2013年2期

陳立剛，徐曉紅

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，湖南長沙 410073)

0 引言

“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”(也叫“微型計算機原理與接口技術(shù)”)是計算機基礎(chǔ)教育的核心課程之一，課程內(nèi)容包括微機原理、微機接口和微機應(yīng)用三大部分，其完整的知識體系如表1所示［1，2］。

本課程的主要特點是:① 知識單元和知識點多，教學(xué)時數(shù)相對較少;② 既有硬件，又有軟件;③理論性、系統(tǒng)性和工程實踐性都很強。

近年來，我?！坝嬎銠C硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)時數(shù)大幅精簡，以2009教學(xué)計劃為例，“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)A”由過去的講授56學(xué)時，實驗14學(xué)時，精簡為40+10學(xué)時，新的2012教學(xué)計劃還將減少為36+10學(xué)時。在此背景下，我們結(jié)合課程特點和教學(xué)實踐，進行了一些行之有效的改革和探索。

表1 “計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程知識體系

1 硬件編程教學(xué)改革

目前，國內(nèi)各高校仍普遍采用匯編語言開展硬件編程教學(xué)，但采用匯編語言開展教學(xué)的不足之處是，匯編語言教學(xué)所占課程學(xué)時多。以我校2009教學(xué)計劃“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)B”(60+20學(xué)時)為例，在60學(xué)時的理論教學(xué)中，指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計的教學(xué)達14學(xué)時。盡管如此，由于匯編語言依賴于機器特性，指令理解和編程難度較大，要讓學(xué)生基本掌握匯編語言程序設(shè)計的方法和技巧，除14學(xué)時的課內(nèi)教學(xué)外，實際還需學(xué)生花費大量課外時間。對一些基礎(chǔ)較差的學(xué)生更是難以掌握，還會影響到此后的課程主線——接口技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

對一些少學(xué)時硬件課程，如前面提到的“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)A”，要從40學(xué)時的理論教學(xué)中，拿出十幾個學(xué)時來進行匯編語言的教學(xué)，難以滿足以計算機接口及應(yīng)用技術(shù)為主線的教學(xué)需求。

我們現(xiàn)有的改革思路是，對以電為主的工程技術(shù)類專業(yè)，如自動化和仿真專業(yè)，為他們開設(shè)的硬件課程學(xué)時相對較多其仍保留匯編語言程序設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。但我們并不局限于用匯編語言講述硬件編程，而是注重其與高級語言的結(jié)合，強調(diào)用C語言和匯編語言混合編程。這樣既通過匯編語言編程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生編寫高質(zhì)量接口驅(qū)動程序的能力，又能通過兩種語言的結(jié)合降低硬件編程的難度，還能體現(xiàn)實際工程開發(fā)的特點。

我們對授課時數(shù)少的“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程，刪除匯編語言程序設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，而采用C語言作為硬件編程語言開展計算機接口及應(yīng)用教學(xué)。教學(xué)中只需用1個學(xué)時講授高級語言訪問I/O端口的方法，即可開展硬件編程，這樣節(jié)省的課時可用于加強接口及應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)，有利于突出接口技術(shù)及應(yīng)用這條主線。

2 存儲器與I/O接口教學(xué)改革

存儲器和I/O接口是計算機系統(tǒng)的基本組成部分，是教學(xué)的重點內(nèi)容之一。在課程教學(xué)時數(shù)大幅精簡背景下，對一些以接口技術(shù)及應(yīng)用為主要內(nèi)容的少學(xué)時課程，刪除存儲器章節(jié)不能體現(xiàn)課程的完整性，完整講授又面臨著課時不夠的矛盾。

從講授內(nèi)容看，存儲器章節(jié)的主要內(nèi)容包括高檔微機系統(tǒng)的存儲器體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)存構(gòu)成原理、高速緩沖存儲器和虛擬存儲器等。重點是在介紹存儲器芯片接口特性的基礎(chǔ)上，如何用內(nèi)存芯片構(gòu)成內(nèi)存儲器。而接口抽象到數(shù)字邏輯來看，可歸結(jié)為控制邏輯和I/O寄存器兩類電路，如圖1所示。其核心部分是I/O寄存器(也稱為I/O端口)，控制邏輯主要用于確保對各寄存器的正確訪問。這些寄存器的全部或部分端口線被連接到外設(shè)上，對外設(shè)的訪問實際上是通過對這些I/O寄存器的訪問來實現(xiàn)的。

圖1 I/O接口組成結(jié)構(gòu)

接口中的這些I/O寄存器，本質(zhì)上可以看作接口電路內(nèi)部的存儲器，實際上在采用存儲器映像編址的接口電路中，I/O寄存器本身就是存儲單元。所以無論內(nèi)存構(gòu)成還是I/O接口擴展，其關(guān)鍵均是在存儲器或I/O地址分配的基礎(chǔ)上實現(xiàn)存儲器或I/O端口的地址譯碼。而存儲器和I/O端口的地址譯碼本質(zhì)上并沒有什么不同，其差別在于使用的讀/寫控制信號可能不同(隔離I/O編址時)。

綜合上述觀點，我們在少學(xué)時的硬件課程中，將存儲器與I/O接口內(nèi)容進行整合，作為一章開展教學(xué)，如表2所示。對內(nèi)存基本原理，將重點放在存儲器芯片的接口特性和字/位擴展方法上，而將內(nèi)存接口的關(guān)鍵技術(shù)──存儲器芯片地址譯碼方法，與I/O端口譯碼合并。這樣既保持了課程知識體系的完整，突出存儲器教學(xué)的重點，又可節(jié)省教學(xué)課時。

表2 存儲器與I/O接口教學(xué)內(nèi)容

3 少學(xué)時硬件課程內(nèi)容組織

在教學(xué)時數(shù)不斷精簡背景下，如何組織課程內(nèi)容，使之既保持課程整體完整性，又能突出計算機接口技術(shù)及應(yīng)用這個重點，除上述改革外，我們對表1各章節(jié)進行整合，構(gòu)建滿足少學(xué)時教學(xué)的“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”知識體系，如表3所示。

表3 少學(xué)時“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”知識體系

具體實施時，應(yīng)注重教學(xué)手段、教學(xué)方法的改革和重點內(nèi)容把握及取舍。

(1)要充分使用多媒體教學(xué)手段提高課堂教學(xué)效時比;利用網(wǎng)絡(luò)課程提供豐富的教學(xué)資源，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

(2)在廣泛采用啟發(fā)式、案例式教學(xué)基礎(chǔ)上，應(yīng)重視引入研討式教學(xué)，通過課堂研討，鼓勵學(xué)生大膽各抒已見，在師生互動過程中，強化學(xué)生學(xué)習(xí)的主動意識和參與意識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

(3)淡化器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強化外部特性。如模擬I/O接口教學(xué)中，可將ADC和DAC看作一個變換黑箱，可不講A/D和D/A轉(zhuǎn)換原理，而強化與計算機的連接特性及接口的方法。如ADC芯片，除電源和地外，可歸結(jié)為圖2所示的通用芯片。

這樣，計算機控制ADC完成A/D轉(zhuǎn)換的工作原理可歸結(jié)為:啟動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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從接口角度可以不用關(guān)心。

圖2 ADC通用引腳

(4)現(xiàn)代微處理器或微機系統(tǒng)一般都有較完備的中斷系統(tǒng)，實際應(yīng)用需要擴展中斷源的情況不多。課時進一步減少時，I/O接口中的中斷技術(shù)，可少講或不講可編程中斷控制器。而把重點放在講清微機中斷機理基礎(chǔ)上，介紹中斷驅(qū)動式I/O處理程序的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法(含中斷向量填寫、中斷屏蔽與開放和中斷結(jié)束控制方法等)。

4 結(jié)語

近年來，針對“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)時數(shù)減少，我們對教學(xué)內(nèi)容及組織進行改革，并根據(jù)教學(xué)需求編著出版了兼顧匯編語言和C語言編程的《計算機硬件技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)(上、下冊)》十一五國家級規(guī)劃教材。教學(xué)實踐表明，這種改革重點突出接口技術(shù)及應(yīng)用這條主線，不僅滿足了少學(xué)時教學(xué)的需求，還保持了課程的系統(tǒng)性完整性，教學(xué)效果穩(wěn)步提升，說明我們的改革是行之有效的。

［1］鄒逢興，陳立剛.計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)［M］.北京:高等教育出版社.2005