“微機原理與接口技術”項目驅動教學

劉 娟，黃 忠

（安慶師范大學物理與電氣工程學院，安徽安慶246133）

“微機原理與接口技術”是我校物理與電氣工程學院的自動化、電信、機械和微電子學等專業的必修課程，該課程要求學生掌握微機系統的基本工作原理、匯編語言編程方法和各種可編程接口芯片的應用，具有很強的理論性和實踐性[1]。該課程既能培養學生微機軟、硬件系統設計與應用能力及工程素養，又為學生今后從事智能控制和微機開發打下堅實基礎。課程重點內容包括微型計算機組成及工作原理、尋址方式、指令和偽指令系統、匯編語言程序設計、存儲器結構、數據輸入輸出、總線操作和時序、中斷控制方式和很多接口芯片使用方法。這些內容大多枯燥乏味、抽象難懂。通過實驗可以使學生對所學理論知識進行鞏固和加深理解，但我校物電學院只有4次上機實驗，上機實驗的數量明顯不足。同時硬件接口電路的控制實驗，由于實驗設備高度集成，實驗內容更多側重于驗證性實驗，缺少綜合設計和創新實驗，實驗的進行受到時間和空間的限制[2]。針對課程教學現狀和鑒于該課程具有應用性、操作性和綜合性強的特征，將課程中的內容融于到項目的設計中。挑選具有代表性、綜合性和趣味性的項目用于課程驅動，指導學生進行有效學習。

1 項目驅動的教學任務

項目教學是針對教學內容設計項目，將所要學的知識、技能轉化為若干個典型項目，以學生為主體，教師僅僅是引導者，當項目完成時，學生能理解課程相關理論知識、獲得相應技能。項目化教學方式對教師和學生各有任務與要求，教師的任務是根據課程的教學大綱設計若干個綜合性的項目，在項目設計時扣住一個“重心”（即CPU內部架構和工作原理），兩個“基本點”（即CPU與存儲器和CPU與外設進行信息交換），由簡單到復雜，逐步理解本課程的知識體系，同時在完成項目的過程中培養學生的工程素養和實踐能力，要求項目內容不僅包含微機技術知識點，也可以包含電傳動與控制、電工電子學專業必修課程的知識點。學生的任務是自行組隊完成項目、設計、開發、仿真微機控制系統，達到項目要求并撰寫報告，鍛煉學生靈活應用微機知識處理復雜工程問題的能力，培養學生的團隊合作能力及實際動手能力。

2 項目驅動的教學方案設計

2.1 基本項目設計

微機原理與接口技術知識結構如圖1所示，選取基本項目來串聯課程基本知識點，以引導學生自主學習，選擇的基本項目應當覆蓋課程核心內容，難度適中、易于理解[3]。鑒于此，選擇“基于8086CPU的十字路口交通燈系統設計及實現”作為貫穿本課程的基本項目。為了引發學生的求知欲望和讓學生明確學習目的，教師在第一次課就安排基本項目。

圖1 微機原理與接口技術知識結構框圖

利用8086 CPU芯片以及可編程并行接口芯片8255A、可編程的定時器/計數器芯片8253、可編程的中斷控制器芯片8259A及數碼管等輔助硬件電路，進行數碼管顯示倒計時的設計。本設計系統不僅包含基本的交通燈功能如8255A I/O口擴展系統、交通信號燈狀態顯示系統和LED數碼顯示時間系統，還包括倒計時、緊急情況處理等功能。為了讓基本項目串接整個教材知識體系，把基本項目分為9個子項目，如圖2所示。

以周荷琴等編著的《微型計算機原理與接口技術（第5版）》為例，子項目一涉及第1章緒論中計算機中數的表示方法，子項目二涉及第2章8086CPU，子項目三涉及第3章8086的尋址方式和指令系統以及第4章匯編語言程序設計兩章內容，子項目四涉及第5章存儲器，子項目五、六、七涉及第6章I/O接口和并行接口芯片8255A，子項目八涉及第7章可編程計數器/定時器8253/8254及其應用，子項目九涉及第8章中斷和可編程中斷控制器8259A。該課程的核心內容融合于各子項目中，并通過子項目將它們串聯起來。規模較大是項目課題的顯著特點，對學生分組，考慮到項目主要包括硬件與軟件兩個部分，因此每個小組最多3～5名學生，否則多余的學生基本得不到相應的鍛煉，選一名同學作為組長。1～2人主要負責硬件設計與調試等工作，另2～3人主要進行相關軟件設計與仿真調試。

圖2 基本項目的9個子項目劃分

2.2 拓展項目設計

拓展項目的選擇側重于常用接口芯片和外圍設備的運用，包括整體設計項目方案的提出、硬件電路設計、軟件編程實現、系統的仿真與調試等一系列步驟。拓展項目的設計能夠訓練學生發散思維和設計思路，充分調動他們學習的積極性，增強他們的創造成就感和創新意識，進而提升他們的實踐技能和創新能力[4]。拓展項目選題如下：(1)無刷直流風扇轉速測量與調節；（2）汽車玻璃總成工裝控制系統設計；（3）液晶顯示器與鍵盤系統；（4）數字溫度傳感器測溫顯示系統；（5）步進電機控制系統；（6）教室人數統計系統；（7）智能電動百葉窗；（8）LED點陣廣告牌設計；（9）多功能電子鬧鐘；（10）遠程運算器設計；（11）電子賀卡設計；（12）火災報警器。

3 Proteus軟件仿真項目

“微機原理與接口技術”知識內容理論性過強，可以通過實踐將該課程中理論知識由感性認識上升到理性認識，加深到理論知識的理解，因此必須重視不可或缺的實踐教學環節[5]。鑒于以上在實驗箱上進行硬件接口電路實驗的缺陷，在項目實施過程中，將Proteus軟件仿真引入到該課程實踐教學中。項目仿真電路圖的繪制要求學生自己參與整個電路的設計，要求學生對芯片的工作原理和結構有充分的了解。Proteus軟件能夠輕易地模擬器件運行，演示芯片引腳電平和信號時序改變等，從而明確指令執行過程對硬件電路的影響，因此讓抽象、復雜的計算機工作原理形象化、簡單化[6]。學生能夠在自己計算機上進行仿真實驗，突破了以往硬件電路實驗開設的時間和空間限制。

4 結束語

通過項目驅動式教學方法的實施，項目由簡到繁引導學生參與設計實施的全過程，首先激發了學生的學習熱情，進而充分提高他們學習的自覺性；其次，提高學生微機系統的軟硬件設計和綜合開發能力；最后，增強了他們運用微機軟硬件知識進行控制系統設計的信心，為學生后期課程如“單片機原理及應用”和“嵌入式系統”提供良好的基礎。