曹玉波，張振濤，趙明麗，楊 瑩

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院 教師發(fā)展中心，吉林 吉林 132022)

《微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用》課程(簡稱“微機(jī)原理”)作為高校工科電類相關(guān)專業(yè)的核心必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解計(jì)算機(jī)底層軟硬件結(jié)合部位的基本工作原理，對于學(xué)生深入理解計(jì)算機(jī)“思維”和“行為”方式具有重要的意義和作用[1-4]。近半個世紀(jì)以來，微處理器和芯片技術(shù)取得了跨躍式的飛速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)從8位、16位發(fā)展到32位、64位機(jī)，計(jì)算機(jī)性能取得了巨大的提升。8086/8088系列CPU作為16位微型計(jì)算機(jī)的典型代表，雖然已經(jīng)鮮見應(yīng)用，但是其硬件架構(gòu)和設(shè)計(jì)理念，卻一直是后續(xù)機(jī)型發(fā)展和提高的基礎(chǔ)，在高等教育教學(xué)中作為微機(jī)原理課程教學(xué)的首選機(jī)型，依然是學(xué)生和理解計(jì)算機(jī)底層基本工作原理的最佳選擇，在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)教育教學(xué)過程中具有不可替代的重要作用和地位[5-8]。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自20世紀(jì)70年代芯片技術(shù)獲得成熟應(yīng)用以后，逐漸確立了以CPU(中央處理單元)、內(nèi)存儲器和IO接口單元為骨架的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分立元件式計(jì)算機(jī)快速被以微處理器為核心的微型計(jì)算所取代[9-10]。如圖1所示，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件主要由CPU、內(nèi)存和IO接口單元組成，CPU是微機(jī)系統(tǒng)的核心，管理和控制內(nèi)存完成指令和數(shù)據(jù)的取存，協(xié)調(diào)和管理各IO接口芯片與外部設(shè)備的進(jìn)行信息交換，并在CPU內(nèi)部完成指令的解析、運(yùn)算和控制功能。對學(xué)生而言，理解CPU與內(nèi)存的相互依賴關(guān)系和數(shù)據(jù)交換過程，掌握CPU如何通過IO接口芯片完成對外部設(shè)備狀態(tài)的讀取和動作的控制，是微機(jī)原理課程教學(xué)環(huán)節(jié)的重中之重。

圖1 微機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

二、CPU與內(nèi)存的連接

在C語言等各類計(jì)算機(jī)編程語言課程教學(xué)中，指針一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)[4]，其原因在于學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件核心架構(gòu)中CPU和內(nèi)存的關(guān)系理解不夠透徹。在微機(jī)原理課程教學(xué)中，內(nèi)存的管理以及CPU和內(nèi)存之間相互配合共同完成程序指令的執(zhí)行這一過程應(yīng)作為重點(diǎn)進(jìn)行講述。

譯碼器是數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中的一個基本知識點(diǎn)，在微機(jī)原理課程之前學(xué)生應(yīng)該已經(jīng)理解和掌握。本質(zhì)上，內(nèi)存可以簡單理解為一譯碼器和一系列存儲單元的組合，假定某內(nèi)存儲器系統(tǒng)有8個存儲單元，每個存儲單元可存儲8個二進(jìn)制位(一個字節(jié))，則其等效電路可通過圖2表示，電路中所有內(nèi)存單元數(shù)據(jù)線按位并聯(lián)在一起，接入CPU側(cè)數(shù)據(jù)總線，每個內(nèi)存單元的片選信號線接到譯碼器的輸出端，當(dāng)譯碼器輸入端(地址線)000～111信號(地址信息)，則有唯一一個內(nèi)存單元被選中，即該內(nèi)存單元數(shù)據(jù)線與CPU側(cè)數(shù)據(jù)總線保持接通，可以與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而其他所有單元數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線全部斷開。以此類推，當(dāng)內(nèi)存單元數(shù)量為16、32或1K字節(jié)時，譯碼電路端入端所需地址線數(shù)分別為4、5或10根。無論內(nèi)存單元數(shù)量有多少，其地址線和數(shù)據(jù)線的連接關(guān)系，都可以通過圖2所示電路來簡化和理解。

圖2 內(nèi)存等效示意圖

8086/8088系列CPU有20根地址線，可以假定這些地址線通過20-1M譯碼電路分別連接到1M個內(nèi)存單元的片選信號上，因而8086/8088系列CPU最大可尋址1M內(nèi)存空間。事實(shí)上，內(nèi)存儲器芯片為了增加存儲密度、降低功耗和生產(chǎn)成本，實(shí)際采用的控制電路并非如此，但是在入門學(xué)習(xí)過程中，借鑒這一思路來幫助學(xué)生理解內(nèi)存儲器的基本工作原理和工作過程，是一種簡單并且非常有效的方法。IO接口芯片與CPU的連接，同樣具有類似的關(guān)系。

三、總線操作

總線操作主要講述微型計(jì)算機(jī)軟、硬件結(jié)合并完成不同芯片之間信息交互的過程，是微機(jī)原理課程中最基礎(chǔ)也最重要的知識點(diǎn)。對于剛剛學(xué)完數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)生而言，在基本沒有可編程芯片電路設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)的情況下，這一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)是一個極大的挑戰(zhàn)。通過這一部分內(nèi)容，能夠幫助學(xué)生有效理解計(jì)算機(jī)不同芯片之間的數(shù)據(jù)傳送以及計(jì)算機(jī)指令對底層硬件的驅(qū)動過程。

8086/8088系列CPU采用雙列直插DIP封裝，共有40個引腳，包括有20根地址線和16根數(shù)據(jù)線(8088是8根數(shù)據(jù)線)，為了節(jié)省引腳數(shù)量，芯片設(shè)計(jì)采用了數(shù)據(jù)與地址引腳復(fù)用的技術(shù)。以8086CPU為例，如圖3所示，CPU在最小工模式下，通過地址鎖存器、總線收發(fā)器將地址引腳和數(shù)據(jù)引腳分隔出來，從而形成地址總線、數(shù)據(jù)總線及控制總線的三總線基本架構(gòu)。在總線操作過程中，采用分時復(fù)用技術(shù)，在總線操作不同的時段，分別進(jìn)行地址信息的發(fā)送和數(shù)據(jù)信息的讀寫，從而完成CPU與內(nèi)存或IO接口芯片的數(shù)據(jù)傳送。

圖3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三總線結(jié)構(gòu)

假定寄存器當(dāng)前值A(chǔ)X為1000H，DS為2000H，內(nèi)存21000H單元存放的值為1122H，分析和區(qū)別“MOV [1000H]，AX”和“MOV AX，[1000H]”指令執(zhí)行時CPU主要引腳的變化情況。

(a) CPU寫總線操作

四、結(jié) 語

《微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用》是高等教育工科電類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的復(fù)雜性和發(fā)展速度過快等原因，導(dǎo)致該門課程在實(shí)際教育教學(xué)過程中存在諸多的困難；對于元器件數(shù)量龐大而連接關(guān)系又極為復(fù)雜的芯片電路，學(xué)生即無法深入分析歸納，也難于想象和理解。采用化繁為簡的方式，運(yùn)用化簡的功能電路來示意和表達(dá)復(fù)雜的電路工作關(guān)系，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解CPU、內(nèi)存、總線以及譯碼等核心知識，的確是一種行之有效的方法，在實(shí)際教學(xué)過程中取得了較好的效果。