高职高专微机原理课程创新性开放实验的研究与实践

付帮峰　熊春如　胡菊芳

摘 要：在高职高专微机原理课程的实验教学中，传统的验证性实验缺乏对学生创新意识和独立设计能力的培养。在微机原理课程实验中利用可编程逻辑器件和电子设计自动化技术（EDA），有利于老师和学生设计创新性实验内容，开设创新设计性开放实验，能有效培养学生的创新设计能力。

关键词：微机原理；创新实践；EDA；开放实验

基金项目：新余高专校级立项重点课题(xj0807)。

作者简介：付帮峰（1959-），男，江西新余人，江西新余高等专科学校机电与自动化工程系实验师/工程师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统与智能控制。

中图分类号：G７１２文献标识码：B文章编号：1001-7518(2009)14-００２９－０３

一、微机原理实验教学的背景

《微型计算机原理与应用》课程是高职高专计算机类及大多数电类专业学生的必修课程，同时也是一门实用

性和动手性都很强的计算机硬件类课程。很好地掌握这门课程的内容并具备一定的实际电路设计和编程能力，将会使学生在深刻理解计算机软、硬件关系及以后的计算机应用开发中打下必要的计算机硬件基础。微机原理实验属于高职学校相关专业的基础实验课，主要突出巩固和加深专业基础知识及专业基本实验技能的训练上。在很多高职高专院校微机原理授课对象是高职高专二年级下学期的学生，微机原理实验的开设一般分两个阶段进行，循序渐进，逐步深入。第一阶段，为了让学生掌握实验的基本原理和方法，一般会有选择地让学生做一些基础模块验证性实验，并设置一些问题让学生通过实验分析原因，加深对基础知识的理解；第二阶段，为了让学生综合应用微机内部的多个资源和外部的接口芯片，同时考虑到课时数的限制，会要求学生做一个或者两个的综合性实验，为培养学生的综合应用能力和引导学生进行自主设计方面起到抛砖引玉的作用。这些都是微机原理实验教学中已被广泛应用并已被证明是增强教学效果的有效措施。

但是，一直以来微机原理实验的目的更多地是为了配合理论教学环节，实验内容也主要以验证性实验为主，验证理论课教学的内容。在讲授实验课的时候，教师先对本次实验内容、实验目的和注意事项做讲解，然后学生按实验指导书的步骤操作，完成该实验。这种以验证性实验为主的教学虽然保证了学生按时完成实验任务，但不利于学生理解实验内容的真正内涵，即使在验证性实验中加入了综合应用多个知识点的综合实验，也很难让学生真正弄懂如何综合地应用所学知识去完成一个新的设计任务，不利于培养科技创新能力和独立设计软硬件的能

力。

二、开展创新性课外开放实验的重要性

1.创新能力的培养对高职高专学生的重要性。素质教育是现在倡导的教学理念，创新能力培养是当今高等职业教育的重要任务之一。创新能力是指具有科学的质疑能力及独立思考和实践的能力。国民经济的建设不仅需要具有一定理论研究能力的研究型人才，而且需要既具备理论基础、又具有创新意识和实际应用能力的高技能应用型人才，这就为我们的高职高专教育提出了新的要求。当前高职的教学过程主要采取的还是教师授课、学生听讲，以理论学习为主的方式。学生基本处于被动接受状态，教师很少注意培养学生的创新思维能力。毕业的高职高专学生虽然具备一定的基础理论和相关专业知识，但实际应用和操作动手能力比较弱，与国家要求的具有一定创新能力的高技能应用型人才有相当的差距。因此我们有必要重新认识实验课的作用，改进实验内容，使实验课成为素质教育及创新能力培养的重要环节。微机原理实验的实验内容不能仅停留在单个知识点或者几个知识点综合的验证性实验，而应该要适当地引入设计性的实验内容，要求学生用所学知识进行综合性设计实验，培养学生的创新设计思维。

2.微机原理课程进行创新性实践的必要性。为了改进我校高职高专微机原理实验传统教学的不足之处，培养更多的具备一定的系统设计能力、实际应用能力和创新意识的综合型高技能人才，我们在微机原理实验内容上做了一些探索，利用EDA技术增加创新设计性实验，力求提高学生的实践动手和创新能力。创新设计性实验的目的是为了培养学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力，激发学生潜意识中的创造性。创新设计性实验需要紧密配合理论课的教学内容和进度，主要设计内容应是已学过或正在学习的内容，不致使学生感到无从下手。同时创新设计性实验应该分基本要求部分和发挥部分，要让大多数学生经努力在较短的时间内都可实现基础要求部分，树立学生的成就感和自信心，发挥部分则是留给有能力的学生突破已有系统设计的思维禁锢，进行创新设计的机会。

微机原理课程的内容包括微型机硬件系统的组成、汇编语言的设计方法及接口技术三大部分，涉及的知识点包括微处理器结构、最小系统、指令系统、存储器读写时序、汇编程序设计、输入输出I/O技术、接口技术等，涵盖的知识点较多。微机原理课程的学习需要一定的电子电路基础和较强的逻辑思维能力，仅依靠课堂上的理论教学学生很难理解。验证性的基础实验能帮助学生基本掌握讲授内容，但由于这类实验一般都有详细的实验步骤指导，难以提高学生的独立思考和创新能力。创新设计性实验只给出需要完成的实验项目要求，学生必须在完成大部分验证性基础实验，较深入理解微机原理教材的内容的基础上，经过认真思考，融会贯通多个知识点后，才有能力自己按照实验项目要求，设计出硬件线路和软件程序。在调试硬件线路和软件程序，排除设计上错误的过程中，学生对微处理器内部资源的使用、控制时序分析、系统总线连接和外部接口芯片应用等方面的理解都会产生质的飞跃。

三、创新性课外开放实验的具体实施

我校微机原理实验共18学时（8学时汇编语言程序设计实验，10学时接口电路实验)，基础验证性实验和综合验证性实验属于课内实验。由于实验课时的限制，把创新设计实验设置为课外开放实验(不在18个实验学时内)，只给出实验项目要求，让学生有独立思考、自由发挥、自主学习的时间和空间，综合所学的知识设计一个方案，完成电路连接、汇编编程、软硬件调试等整个设计流程。这种创新设计性开放实验能大大加深学生对微机原理知识的理解，培养学生的创新思维，提高学生分析问题和解决问题的实际能力。

目前微机原理实验课所用的实验箱硬件电路一般是固定不能更改的，缺乏灵活性，不利于开展创新设计性实验。不过利用实验箱提供的扩展功能板接口，扩展一个基于可编程逻辑器件FPGA的创新设计性实验功能板，利用FPGA芯片的可编程特性，通过使用EDA设计软件，就可以让学生脱离实验箱硬件，在EDA设计软件上进行创新设计性实验项目的电子线路设计。汇编语言程序设计可以在PC机上使用MASM软件完成。在调试阶段，把设计好的电路下载到创新设计性实验扩展功能板中，然后把扩展功能板插到实验箱的扩展接口上,再下载汇编程序到80X86CPU中，进行软件和硬件的调试。这样就保证了创新设计性课外开放实验的正常开展。

这种创新设计性开放实验需要学生掌握利用EDA软件编程设计数字电路的能力。微机原理实验是在高职高专二年级上学期开设的，在该学期一般同时也开设有EDA设计课程（有些高职高专放在三年级上学期开设），因此在学期末或三年级上学期就可以开始创新设计性开放实验。该开放实验综合了两门课的知识，我校的做法是将这两门课程作为一个共同的开放性实验来进行，首先老师集中几个课时分配设计任务以及相关知识点的讲解，然后老师利用课余时间或网络分散指导，最后要求提交作品和设计报告并完成答辩。

创新设计性实验扩展功能板主要由一片Altera公司的FPGA（EP1C6）组成，为了实现良好的扩展功能，把EP1C6除了与实验箱扩展接口相连的引脚外的其他引脚用插针引出来，留给设计者来连接其他设计过程中所需的电子器件（如键盘、LED等等）。

下面给出一个具体的综合性的创新设计性实验来说明创新设计性实验具体的实现流程。

题目要求：设计实现80X86扩展外部RAM和I/O输入和输出，扩展的外部16位RAM地址为0X4000～0X41FF，扩展的外部I/O输入为8位，要求能采用中断方式响应，I/O地址在0X0000～0X01FF之间，扩展的外部I/O输出为8位，地址在0x0200～0x03FF之间，编写一个汇编程序，响应外部中断，读入外部I/O输入的数据，将高4位和低4位相加，结果存放到外部RAM中，并通过扩展的外部输出I/O输出。

该创新设计性实验综合应用到以下多个基本概念和知识点：（1）地址总线、数据总线的作用，片选信号的功能和作用；（2）外部RAM存储器的连接和读写操作；（3）外部扩展I/O芯片的连接和读写操作；（4）地址译码，内存空间和IO空间的地址分配；（5）外部中断的产生和响应；（6）FPGA 创新设计性实验功能板硬件；（7）QuartusII集成开发环境的使用、VHDL硬件描述语言以及80X86汇编语言编程技能（8）微机原理实验课所用的实验箱硬件电路与FPGA创新设计性实验功能板硬件的联合调试技巧等。

具体实现流程如下图：

微机原理创新实验实现流程

上述实验设计一个重要特色与创新是：使用Altera提供的集成开发环境QuartusII和VHDL语言在PC机上设计FPGA创新性实验功能板硬件，灵活性大，而且节省了硬件开发成本，若以后设计其他电路要修改相关硬件，只要重新编写程序后再编译电路，重新下载就完成硬件电路的修改，非常方便，很适合学生开展创新性电路设计。

QuartusII软件提供了不少库元件可以供设计过程中直接调用，包括常用的74系列集成电路、各种类型的逻辑门和针对FPGA内部资源定制的MegaFunction（如RAM模块lpm_ram_dp0）。可以用FPGA中的74373替代微机原理实验中用到的8282，用FPGA内部的M4K RAM作外部RAM，用74245替代8286，地址译码功能用VHDL语言描述实现。除此之外，完全可以另辟蹊径，使用VHDL语言编程，把锁存器和双向总线缓冲器功能集成到一个Block中实现。此外，地址译码部分也可以自由修改，把RAM和外部输入输出I/O分配到其他地址空间中。

四、结语

基础验证性实验和综合验证性实验基本上都是学生按照实验指导书上详细的指导一步一步完成，适用于验证理论教学教材上的知识点，但难以激发学生进行独立思考的热情以及进行创新能力的培养。在高职高专微机原理实验中尝试引入EDA技术，利用可编程逻辑器件在数字电路设计方面的可编程特性，可以很灵活方便地开展创新设计性课外开放实验。把具有开拓思维和创新性质的设计性实验以课外开放实验的形式开设，弥补了传统实验教学方式和课时少等方面的不足，激发学生进行创新的电路设计和程序设计，提高学生对综合性问题的解决能力，能有效地培养高职高专学生的创新意识和独立进行系统设计的能力。

参考文献：

[1]孙洪涛．微机原理实验教学改革的研究与探索[J].中国石油大学胜利学院学报,2008（3）:43-45．

[2]耿玉菊,宋红熳．《微机原理与接口技术》的创新教学研究[J].中国校外教育(理论),2008（8）:56-57．

[3]沈怡麟.《微机原理与接口技术》课程教学改革探讨[J].天津工程师范学院学报,2006（4）:16-18.

[4]黄任．VHDL入门.解惑.经典实例.经验总结[M]．北京航空航天大学出版社，2005（1）．

责任编辑：夏焕堂