“微機原理與應用”課程內容體系改革與實踐

彭 曠

（湖北大學 物理與電子科學學院，湖北 武漢 430062）

0 引言

“微機原理與應用”作為電子科學與技術、微電子科學與技術、光電信息科學與工程等電子類專業的專業核心課程，在掌握“電路理論”、“數字信號處理”、“模擬信號處理”等課程的基礎上，可以讓學生通過掌握中央處理器（central processing unit，簡稱CPU）的構成原理，在熟悉各個基本電路模塊的基礎上，了解匯編程序如何在各模塊之間流通，進而掌握軟件是如何在硬件電路的基礎上運行的；在了解CPU組成原理基礎上，通過對Intel 8086/8088匯編指令集的學習，讓學生掌握匯編程序的語法和基礎的匯編語言編程；最后通過CPU和外部電路的集成，幫助學生建立系統工程設計概念，為后續“單片機原理與應用”、“嵌入式系統原理與應用”等課程的學習奠定基礎。因此，“微機原理與應用”作為承上啟下的課程，在專業教育培養體系中占有非常重要的地位[1-9]。

在課堂上講授課程內容之前，需要幫助學生對整個電子信息類課程的框架進行梳理，重點讓學生了解各門課程之間的鏈接和遞進關系，如通過對“數字信號處理”和“模擬信號處理”的學習，可以構建 CPU中的基本寄存器模塊，對 C語言的學習，可以讓學生對高級語言有了解，為“微機原理與應用”中匯編語言的學習奠定基礎；同時，還應該對學生講解該課程對后續課程學習、讀研甚至工作從事相關專業方向的作用，如該門課程是第一次涉及到軟硬件系統結合，該課程中的寄存器、總線等知識是后續進行嵌入式、微電子設計領域的基礎，務必讓學生在完全理解該門課程重要性的基礎上，再開始對該課程進行內容方面的講解，才能讓學生有動力和興趣進行學習，讓教學效果事半功倍。

“微機原理與應用”從內容體系上大體可以分為微型計算機硬件結構和工作原理、匯編指令系統和程序設計以及 I/0和可編程接口芯片三個模塊，由于不同的模塊知識特點并不相同，而且知識點較為零碎，對于不同模塊的知識應有針對性地進行教學調整。

1 微型計算機硬件結構和工作原理

此部分內容在“電路理論”、“數字信號處理”、“模擬信號處理”知識的基礎上，介紹微型計算機的基本組成電路，引入寄存器、三態輸出電路、總線結構和譯碼器等部件。基于馮諾依曼結構，通過這些部件構成控制器、存儲器、運算器、輸入和輸出設備等CPU基本單元。這些單元采用控制總線、地址總線和數字總線聯通，在CLK時序的作用下，對不同指令通過譯碼電路進行譯碼，有序地進行運轉。這部分需要解決以下問題：如一條特定的匯編指令如何對應二進制數值；二進制數值匯編指令如何存儲在PROM中；在6個固定周期的每個節拍匯編指令如何在各個模塊間流通；各個模塊的內部結構以及其在匯編指令運行時的作用是什么；匯編指令的指令字段和地址字段的設置和作用。該部分的重難點是務必要讓學生對匯編指令的執行在硬件中的具體流程有一個整體的概念，而不是對每個知識點都是孤立的、分散的、不成系統的。

在基于比較簡單的原型機講授了CPU的基本組成和工作原理后，該部分課程內容還對邏輯地址和物理地址的轉換、16位微處理器Intel 8086/8088的框架結構等進行講解，以便后續對基于Intel 8086/8088匯編指令集進行匯編程序的教學。這部分的重點是讓學生在掌握邏輯地址和物理地址轉換規律的基礎上，從Intel 8086/8088硬件的基礎上，從CPU芯片設計的角度出發，理解邏輯地址的必要性，以便后續學生在匯編的學習中對多種尋址方式進行理解。

微型計算機硬件結構和工作原理這部分的內容，是教授“微機原理與應用”課程的重中之重，可以使學生了解各硬件單元的工作原理和 CPU的運轉機制，對本課程后續內容和后續“單片機原理與應用”、“嵌入式系統原理與應用”等課程的學習具有十分重要的意義，因此教授過程中一定要循序漸進，力求學生理解，不可貪多求快。由于該部分內容知識點多，較為枯燥，因此在教學的過程中可以采取思維導圖的方式對知識點進行梳理，力求對一條匯編指令的執行過程有一個整體的概念，掌握各模塊的結構和在執行程序時發揮的作用，對重難點內容應該多打比方、舉例子，并將有些知識引入到生活中可以接觸到的電子產品上或者學生非常感興趣的游戲中，還可以與相關企業進行合作教學，如新思科技的大學計劃，將他們在設計芯片時用到的與本課程相關的技術聯系起來，讓教學更為生動、立體，提升學生興趣。該理論部分課時數分配約為20課時。

2 匯編指令系統和程序設計

匯編語言作為能被計算機硬件直接識別和執行的語言，具有占用空間少、運行速度快等特點。由于匯編語言有較大的硬件相關性，對匯編語言的學習，可以較好地幫助學生深入理解和鞏固前一部分學習過的微型計算機硬件結構等硬件相關知識，如對不同尋址方式的理解，就需要前一部分內容作基礎。但相較于C語言等高級語言，匯編語言在編程和理解時要相對困難、復雜一些，因此在教學過程中，在讓學生了解匯編指令用法的基礎上，需要讓學生了解很多匯編代碼設計的作用、意義和區別，如數據傳輸類指令、加減運算指令、邏輯運算指令等，同時將其與硬件的相關模塊結合起來進行講解，如加法指令 ADD和帶進位的加法指令ADC的區別在于ADC不僅需要將兩個操作數進行相加，還要加上狀態寄存器中進位狀態標志位CF的值，這樣CPU就可以處理大數據間由于要進行分段進行計算的問題，讓加法運算具有普適性。

在學生掌握匯編程序的編程后，還需要對偽指令和系統調用等知識進行學習，其中偽指令作為匯編程序的附加信息，在編譯過程中具有非常重要的作用，而分段則是將堆棧、數據和指令等部分進行劃分，以便在存儲器硬件上對不同部分的內容進行分隔存儲，只有在正確使用偽指令的基礎上，匯編程序才能正常地運行起來，該內容一定要讓學生理解，切勿死記硬背。

由于匯編語言是由機器語言（二進制語言）構成，而C語言通過編譯器編譯后也會生成匯編語言，在講授匯編語言的過程中，可以將機器語言、匯編語言、C語言、C++語言、JAVA語言以及Python語言這條軟件主線進行梳理，讓學生對軟件的發展有一個較好的認知，明白匯編語言的特點。同時，在編程語言的教學過程中，可以將匯編語句和C語言聯系起來進行教學，如匯編中的LOOP指令和C語言中循環語句的關系，這樣可以讓學生加深對匯編和C語言的理解，同時從熟悉的C語言到陌生的匯編語言之間在思維上有很好的過度，將不同科目所學的知識連貫起來，構成一個整體。

在“微機原理與應用”課程的實驗教學階段，采用 MASM 匯編軟件進行編程，通過對簡單程序、分支程序、循環程序和調用子程序的講解和練習，讓學生在編程的過程中進一步熟悉匯編語言的語法結構和編程思路，鞏固理論課知識內容，具備閱讀和理解匯編語言程序的能力，并可以編寫具有一定復雜度的匯編程序。該理論和實驗部分課時數分配約為28課時，重點在于實驗部分的操練和講解。

3 I/O接口和可編程接口芯片

在一個系統中，CPU主要負責運算和控制功能，但只有CPU肯定是不夠的，還需要外圍的存儲器、傳感器等期間相配合，才能完成一個較為實用的功能。學生在學習微型計算機硬件結構和工作原理、匯編指令系統和程序設計之后，對CPU內部的結構和控制已經有了一定的了解，在此基礎上通過 I/O和可編程接口芯片的學習，即可實現CPU對外設的控制，進而可以搭建一些使用的系統。在講授該部分內容的過程中，讓學生在理解硬件結構和功能的基礎上，掌握軟硬件設計思路和設計方法，同時對中斷和總線控制方式、對外設地址的尋址等內容要作為重難點進行講解，力求學生完全理解和掌握，為后續“單片機原理與應用”、“嵌入式系統原理與應用”的課程學習打下基礎。

由于該部分知識內容較難理解，僅僅只有理論教學是遠遠不夠的，要基于MASM和Proteus仿真軟件進行實驗[10-13]，在對匯編程序設計部分進行大量的實驗訓練后，學生對I/0和可編程接口芯片相關匯編語句的學習，基本都可較好地掌握，但是該部分的難點在于學生需要在自主搭建硬件系統的基礎上，編寫出符合硬件設計邏輯的匯編程序。在涉及到地址讀寫的軟硬件綜合案例中，在分析完軟件程序和硬件結構的基礎上，可以將IN和OUT匯編代碼在CPU中進行譯碼、在每個節拍的不同動作結合 Proteus中不同端口的電平狀態進行綜合講解，力求幫助學生將“微機原理與應用”課程中的三塊內容融會貫通，并在此過程中培養學生軟硬件系統綜合設計能力，在過去4年的教學實踐中，學生是可以通過最后的綜合I/O設計實驗，將該課程所有內容完全理解和掌握的。該理論和實驗部分課時數分配約為24課時。

4 結論

通過對“微機原理與應用”內容在微型計算機硬件結構和工作原理、匯編指令系統和程序設計、I/0和可編程接口芯片三個方面的內容體系改革，梳理了課程內容主線，并對各部分知識內容的特點進行了分析，歸納出適應內容的教學方法，提升學生學習興趣，提高學生的學習成績，拓展學生的知識面，培養學生的創新設計能力，為后續專業課程的學習、電子設計競賽、畢業設計和走向工作崗位打下堅實的基礎。

在課程的考核方面，理論課部分進行閉卷考核，試卷題型主要有：選擇題、填空題、問答題、程序閱讀和填空題、編程題、接口類綜合設計題；實驗課部分進行編程和設計考核，根據學生的完成程度和熟練情況綜合進行評分。根據電子科學與技術、微電子科學與技術、光電信息科學與工程專業學生在 2017-2020年的教學評教和反饋情況，學生對該課程的滿意度和學生評教皆為優秀，認為通過該課程的學習收益較大，本課程的教學實踐獲得了理想效果。