“匯編與接口技術”教學與實踐方法研究

摘要：針對“匯編與接口技術”課程應用性強的特點，在總結以往經驗教訓的基礎上，堅持理論與實踐緊密結合，并以提高學生的實踐能力為導向，對課程的教學內容、實驗內容和研究性教學方案進行了優化，同時重視深刻理解關鍵知識點對開拓學生思維和提升創新能力的重要作用。經過兩年多的教學實踐證實所采用的方案是有效的。

關鍵詞：教學方法；教學質量；接口技術；匯編語言

作者簡介：李濟生（1957-），男，山西晉城人，北京交通大學計算機學院，副教授。（北京 100044）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）34-0061-02

自2010年開始，北京交通大學計算機學院將“匯編語言”和“接口技術”課程合并成“匯編與接口技術”，要求在原有兩門課程內容基本不變的情況下，重新優化新課程的教學方案，并要體現出課程的先進性。因此如何規劃課程內容，促進理論與實踐教學緊密結合，提高課程的教學水平就成了設計和規劃新課的關鍵。通過兩年多的教學實踐證實所采用的教學方案是有效的。

一、以提高實踐能力為導向的課程規劃

在總結以往教學工作中的經驗和教訓基礎上，我們對新課程的規劃達成了共識，即堅持以提高學生實踐能力為導向的課程內容規劃方式。[1]

1.匯編語言要重視基礎知識的掌握和應用

匯編語言教學要加強對計算機體系結構的認識，重視基礎知識的掌握和應用，理解指令和硬件之間的互動關系，以便為后續課程的教學打下良好的基礎。

匯編語言僅靠書面作業是很難深入理解指令的內涵和掌握程序設計技巧的，要堅持理論、實踐、再理論、再實踐這個過程，盡快引導學生將理論與實踐結合。為達到此目的，我們在涉及指令的第一次課后就安排了匯編語言調試工具DEBUG的實驗；并隨后要求學生對每條指令和課堂上講過的程序（包括作業）在DEBUG或DOS環境下進行測試，觀測變量和標志位的變化。通過理論學習和實驗驗證相結合的方法，學生很快掌握了匯編語言的基本內容和程序設計方法。

2.接口技術要堅持以案例驅動的教學方法

堅持以案例驅動的教學方法，就是在學生掌握必要基本概念的基礎上，以問題為核心、以案例為基礎設計教學過程的教學模式。[2]在教學中我們根據各章節的特點設計了很多教學案例，包括定時器控制蜂鳴器發聲案例、定時器產生日時鐘案例、定時器產生PWM波形案例、并口控制步進電機案例、并口在0或1方式下交換數據案例、中斷控制器與并口或定時器結合的中斷控制案例、微機之間串口通信案例、RS485方式通信案例、AD0832多目標同時控制案例等。通過對以案例驅動的教學模式的實踐，感受到學生參與分析和討論問題的熱情提高了，掌握課程內容的能力增強了，同時學生對硬件課程的興趣和解決實際問題的能力也得到了提升。

3.課程內容要與時俱進

隨著計算機技術的高速發展，傳統的教學內容已不能滿足當今需求，而課程內容的更新也勢在必行。為此我們將新技術PCI總線和USB總線引入到教學中來，使傳統的課程賦予了新的內涵。[3]

PCI總線和USB總線的引入不能只停留在概念層面，要針對學生在理解時序控制和總線協議中存在的困難開展教學活動；重點加強對PCI和USB總線協議的理解，并結合傳統的EISA總線分析PCI總線與它們的區別和聯系，分析總線“橋”的作用和工作原理。雖然這部分內容沒有開展實驗，但它是研究性教學的重要部分。通過專題討論，學生對新技術有了更深入的認識。

二、接口教學要強化關鍵知識點的理解

幫助學生掌握重要的知識點是學好課程的關鍵，也是引導學生深入思維、提升創新能力的重要教學環節。

1.強調IN和OUT指令與硬件的互動關系

在接口的控制中常用的兩條指令是IN和OUT。很多學生并不知道這兩條指令執行過程中如何會引起接口信號的變化，從而引起CPU與IO之間的數據交換。為使學生建立軟硬件之間的互動概念，應重點講清楚IN和OUT指令的三個基本要素；即IN和OUT指令在執行過程中，首先CPU會將指令中涉及到的端口地址送到地址總線上，譯碼后選定要操作的端口；同時會產生/IOR或/IOW有效控制信號，控制數據的流向；此時OUT指令會把數據送到數據總線上，而IN指令會從數據總線上獲取數據。學生掌握了這些知識點就能深入理解軟硬件的互動機制，為接口的設計奠定基礎。

2.注重對中斷控制器8259端口尋址方式的理解

中斷控制器8259內涉及到了十多個端口，但片內地址只有一根線A0，如何用一根片內地址線尋到那么多的端口呢？學生很難理解這個問題。為了講清楚這些概念，可以結合8259采用的端口譯碼片內地址A0、特征位、初始化順序、先送地址后數據等多種尋址方法，并結合其他接口芯片的尋址方法進行歸納和總結，進而深入理解8259的端口尋址過程及特點。通過對該知識點展開分析和討論，使學生對接口中的所有尋址問題有更深刻的認識，同時對接口電路的設計也是有幫助的。

3.加深對DMA主從模式下IOR＼、IOW＼、MEMR＼、MERW＼信號的兩面性特征的認識

無論是CPU還是DMA，都可以完成存儲器與IO之間的數據傳輸。實際上，在存儲器與IO交換數據時，作為當事的雙方并不關心誰在控制它們之間進行數據交換，只要滿足總線數據讀寫時序，存儲器和IO就可以完成數據交換。從這個意義上講，如果DMA能模仿CPU對總線的讀寫控制時序，自然也就能達到數據交換的目的，只不過CPU是通過軟件方法實現，而DMA則是通過硬件方法實現。因此在教學中應強化對DMA的四個信號（IOR＼、IOW＼、MEMR＼、MERW＼）在主從模式中所表現出來的差異，仔細分析CPU控制下完成存儲器與IO交換數據的機理以及DMA模擬這些過程所必需的硬件信號和它們在不同模式下的作用。這不僅能使學生容易理解DMA的工作原理，而且也能使學生加深對計算機設計中軟件和硬件互相替代規則的認識，為設計計算機系統中的主控器提供很多思路。

4.從AD轉換器的查詢和中斷方式來看軟硬件的相互配合

任何接口的數據交換都包含查詢和中斷兩種方式。查詢方式的本質是通過IN指令來獲取AD轉換結束的狀態信息。由于AD轉換結束線一般是非三態的，所以需要在數據總線和AD轉換結束狀態線之間接入三態門。在用IN指令查詢轉換結束狀態時，AD轉換結束的狀態與總線瞬間接通，從而可通過數據總線獲取AD轉換結束狀態的信息。中斷方式獲取轉換結束的狀態與查詢方式有著本質的不同，它需要通過一根硬信號連接到中斷控制器上，同時要解決中斷發生的隨機性問題，并按一定的格式編寫相應的中斷服務程序。

查詢和中斷方式在軟硬件設計上的差別清楚地說明了這兩種數據交互方式在原理上的差別，教學中應注重說明不同方式下軟硬件搭配問題，使學生掌握不同接口電路的設計方法。

5.挖掘接口芯片應用的潛能

接口技術可供挖掘的知識點很多，比如用定時器產生頻率和占空比可調的PWM波形，就是接口芯片的應用拓展問題。可根據定時器方式1和方式3的特點，將定時器0選用方式1，定時器1選用方式3，定時器1的輸出OUT接在定時器0的GATE上，生成的PWM波的頻率由定時器1的輸出頻率決定，PWM波的低脈沖部分由定時器0的定時時間決定，只要改變定時器0和定時器1的時間常數就可以改變PWM波的頻率和占空比，從而輸出頻率和占空比可調的PWM的波形。通過類似知識點的擴展，開拓了學生的想象空間，也提升學生的創新意識。

三、全面開展研究性教學

全面開展研究性教學是課程建設和提高教學水平的重要環節。本課程的研究性教學包括研究性理論教學與研究性實驗教學。前者以專題報告、調研報告、研究報告和小論文為主，后者以研究性實驗為主。

在研究性理論教學方面，除了結合現有教學內容設計一些題目外，還結合新技術設計了另一些題目，例如I2C總線和SPI總線時序的特點及時序產生方法、I2C總線的讀寫時序與PCI總線的讀寫時序之間的特點分析、PCI總線和USB總線應用技術的新進展、PCI總線與傳統的系統總線的區別和相關的應用實例分析等。在研究性實驗教學方面，我們結合實驗平臺和擴展實驗平臺設計了許多實驗題目，例如I2C接口的存儲器訪問實驗、I2C接口的RCT時鐘控制實驗、SPI接口的EEPROM訪問實驗、音樂播放器實驗、帶圖標顯示的交通信號燈實驗、競賽搶答器實驗、遠程電機控制實驗、恒溫控制實驗、風扇演示系統實驗、串口小鍵盤音樂通信實驗、定時猜數游戲實驗、基于采數計時控制的交通燈模擬系統實驗、基于串口的多功能播放器實驗、警報系統實驗、秒表設計實驗、數字鬧鐘實驗、電子琴實驗等。

研究性實驗給課程帶來了很多生機，在業余時間經常可以看到學生以組為單位在實驗室里討論和完成自己的實驗。學生對這些實驗內容有著濃厚的興趣，并不斷努力提升自己的綜合應用能力。

四、課程的考核與評價

多年來學校一直采用開卷考試，強調以應用為導向的試題內容，并加大學生平時成績的比例，使平時努力得到認可。課程的考核與評價比例是：考試成績占50%，平時作業占15%，平時實驗占15%，研究性實驗占15%，專題研究報告占5%。采用這種考核與評價機制促使學生平時就注重對自身綜合應用能力的培養，取得了較好的效果，同時也得到了學生的認可。

五、結束語

培養出高水平且具有實際應用能力的學生是我國現代化建設中不可缺少的基本要素，而提高教學水平是培養高水平人才的必要基礎。為了培養符合社會需要的計算機應用人才，我們總結了以前課程的經驗和教訓，對“匯編與接口技術”課程的教學方案進行優化和嘗試。通過兩年多的教學實踐，取得了比較滿意的效果。我們將繼續對課程進行研究和探索，尋找一條更適合培養出高質量學生的教學方案。

參考文獻：

[1]趙姝，張燕平，陳潔.如何在教學中培養本科生的科研能力[J].計算機教育，2012，（6）：12-15.

[2]趙輝，李萬龍，鄭山紅，等.“項目導向案例驅動”的軟件工程教學模式[J].計算機教育，2012，（10）：89-92.

[3]劉樂善.微型計算機接口技術及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2011：237-289.

（責任編輯：王祝萍）