基于螺旋式的“微机原理与应用”教学体系研究和探索

李小立　王荣辉

摘要:随着微型计算机技术的飞速发展和广泛应用,新技术、新产品和新应用不断涌现出来,使肩负着培养学生掌握计算机基础知识、基本原理和应用的微机原理与应用课程面临巨大挑战。作者经过多年的教学实践,探索出突出基本原理、理解实现技术、掌握应用方法和培养学生创新能力的教学体系。本文对此进行了详细闸述。

关键词:螺旋式;模型计算机;系统结构;总线;CPU

中图分类号:G642文献标识码:B

1引言

人们认识事物总是由表及里,由局部到整体,由具体到抽象,由低级到高级循环往复逐步提高的螺旋式过程。在“微型计算机原理及应用”的教学实践中,面对着仅仅学过“C语言程序设计”和“数字电子技术基础”的当代学生,以及伴随着现代计算机技术的飞速发展和广泛应用不断涌现出来的新技术、新产品和新应用领域,如何激发学生们的学习积极性和主动性,培养其综合应用计算机技术解决问题的能力和创新能力,一直是大家努力摸索的主题。本文基于多年的教学实践,总结出突出基本原理、理解实现技术、贴近现实、掌握应用方法的螺旋式教学体系。

2理清课程主线、突出基本原理

2.1从具体技术实现中增强感性认识

围绕计算机的两个本质特征---存储程序和自动运行,构建一个简化的模型计算机。详细分析其存储器的结构、存储单元地址码、字节(Byte)、字(Word)、存储器分配等概念,分析CPU的基本组成、结构和工作过程,展示如何 由程序计数器PC的值从存储器(ROM)中取出一条指令,将其中的操作码放到指令寄存器(IR)中,由指令译码器(ID)译码后经控制部件(CON)产生控制字,对指令中的操作数完成具体的操作;突出强调存储程序和通过程序计数器PC自动指向下一条要执行的指令在存储器中的地址,从而程序启动后就自动地由第一条指令执行到最后一条停机指令。结合其工作过程的分析,说明了连接CPU、存储器、I/O接口的总线概念;以建立完整的微型计算结构、组成和工作原理的概念视图;进一步深入分析控制部件(CON)的组成、工作原理,说明指令译码器(ID)如何将不同的指令操作码译为不同的高、低电平信号,在机器节拍的配合下经控制矩阵产生出所需的控制字。

随后给出几个程序设计示例,全面、直观、具体地认识微机系统的硬件组成、工作原理和应用程序设计;并自然地从提高计算机系统性能的角度引入流水线技术、高速缓冲存储器技术(Cache)、虚拟存储器技术等现代技术在微机中的应用,完成螺旋式认知过程的第一轮循环。实践表明:在此模型计算机硬件和指令系统的分析应用过程中,很好的消除了学生对计算机概念抽象、工作原理神秘感,达到了激发学生探究知识的兴趣和增强学习主动性的目的。

2. 2 适时引入典型内容、做好跨越准备

以8086CPU为代表的16位微机系统在以下几个方面对进一步学习32位机系统提供了技术踏脚石:

(1) 大容量(1MB)内存储器管理,引入分段技术

由220 = 1M可知需要20位的地址才能寻址1MB存储空间,而CPU内的段寄存器都是16位的,无法直接存储这20位地址;为此将1MB的内存空间分成16个段,每段64KB,这样就可以在段内用16位地址寻址了。

(2) 中断系统,引入了中断向量表

通过设置中断向量表,使得由中断类型号可以方便地获得中断向量。

(3)I/O接口系统

引入16位端口地址,使系统可以管理216 = 64K个I/O端口。

有前面的学习内容作基础,配合这部分的详尽原理图,多数同学都能顺利完成对微机系统结构、工作原理、汇编语言程序设计、I/O接口设计和应用能力的再一次提高;通过分析程序存储器,提出了该系统难以对用户的应用程序提供保护功能;内存容量的进一步增大受到限制;一次只能进行一个用户的一个任务;系统吞吐量(每秒执行指令数)的提高受到限制等,自然引入以Pentium系列微处理器为代表的32位微处理器。

2.3顺利过渡、贴近现代技术水平

以介绍解决上述问题的各种技术探索为契机,自然地引入32位微处理器Pentium从体系结构上的概念性的改变和革新。如先进的CISC和RISC相结合的技术、超标量流水线技术和分支预测技术,普遍采用流水线和指令重叠执行技术、虚拟存储技术、片内二级存储管理技术。

详细介绍Pentium的实地址方式、保护方式、虚拟8086方式的特征和它们之间转换过程,以及Pentium的保护技术,充分体现现代微处理器如何实现向上兼容、对多用户多任务的实现和对各级程序的保护等核心技术。

在其实现技术上,通过段寄存器和描述符以及保护方式的寻址机制的介绍,深刻理解和掌握Pentium微处理器的分段、分页技术;对四个特权级的描述,进一步从整体上全面认识现代微处理器保护技术。

为了增强同学们对计算机技术的应用能力,对总线技术的学习是必不可少的。在众多的各类总线技术中,选择现在广泛流行的PCI总线,从其系统结构、信号、命令类型、中断及响应、编址及数据传输技术等方面展开学习;再简单介绍外部总线如IDE、EIDE和SCSI及RS—232C等内容,使同学们面对电脑能够有条理地进行分析和解决一些实际应用问题,完成螺旋式认识过程的又一次飞跃,也为进一步提高计算机应用水平和能力打好基础。

3理解实现技术,突出工程技术特点

在计算机教育领域,长期存在着教育的发展滞后于现实需求的现象,理论是高高在上的思辨,而经验则是最基本的实践规则。理论不足以说明经验,经验也无法凝聚于理论结构之中。

为了走出这一困境,应该在计算机系统结构(Computer Architecture)、计算机组成(Computer Organization)、计算机实现(Computer Implementation)这三个层次建立有机的联系。

在以8086/8088为CPU的微型机系统结构中,其组成原理相对经典和简单,在系统实现技术中的核心是各类部件间的接口设计;通过分析其工作时序图,结合有关器件的工作原理尤其是I/O特性、负载特性等,不难设计出系统的物理实现,如针对8086CPU的 和16位地址/数据复用总线,由工作时序图就可看出需要由地址锁存允许信号ALE控制锁存器对其进行锁存。

在以Pentium为CPU的微型机系统中,其实现技术就复杂得多。只有从各种总线技术、总线标准和控制芯片组等方面着手,才能清楚地说明Pentium微型计算机的总体结构、组成和实现技术。

4深化课程改革,培养学生综合应用能力

长期以来,“微机原理与应用”课程相对于有些课程而言,一直有“老师难教,学生难学”的说法。经过多年的探索和交流,我们逐步清晰地认识到产生这种结果的方方面面,除了日新月异的各种微机新技术、新产品和新应用领域的技术推动、“老师讲得多,学生理解的少”外,最主要的就是老师希冀以包办的方式来传授知识,忽视了学生学习的积极性和主动性的培养;日积月累,直接导致了教学效果与目的的背离、压抑了学生的创新能力并损害了他们的学习积极性和主动性。只有在现代教育理念指导下,对教学体系进行切合实际的改革,才能走出困境。

通过对课程自身进行纵向和横向的分析,确定重点和难点。充分应用网络教学手段,建设网上精品课程,在网络平台上向学生提供教学大纲、电子教案、网上答疑、并推荐网络教学资源;利用网络这一现代教学手段,打破传统教学在时间和空间上的限制;鼓励学生提出问题、提出解决方案,课堂上大家进行交流。

通过加大综合性、设计性实验的比重,增强学生的动手能力、规范实验报告的撰写;对教学计划中安排有课程设计的专业,还通过对设计题目、内容、方案的开放,对实验室的开放,营造一个激发同学们创造性设计的环境;如本院电气专业一位同学提出了计算机在餐饮业的新应用设计方案;

Intel公司的创始人之一Gordon Moore曾预言:“电子计算机CPU的性能每18个月就会翻一番”。面对这样裂变式的知识爆炸时代,优化教学内容和方法、丰富教学手段无疑是所有可采取措施中的首选。

在全方位研究各基本概念和过程的本质特征后,设计直观、简明和有深刻印象的方法将它们介绍给学生,并用类比、演绎、归纳等方法使两者间建立直观联系,是达到良好教学效果的有效途径;如介绍中断系统时,将中断信号的异步特性比做手机的铃声,何时会响铃声事先一般是不知道的,一旦响了,就提出了中断请求,能否响应这个请求是受允许位控制的;若允许响应,就可暂停当前的工作去接听电话,听完后再自动回来接着做原来的工作;若不允许响应,就不能够接听,该中断请求就被屏蔽了。

5结束语

人们对事物的认识规律总是由低级到高级,由局部到整体,由表象到本质循环往复、螺旋式上升的;“微机原理与应用”课程直接面对计算机技术日新月异的新技术、新产品和新应用领域的扩充,如何在安排的课时内使学生掌握计算机的有关基础知识、应用能力,培养他们的创新意识和创新能力并贴近现实,迫切需要有符合认知规律的教学体系来协同支持。

参考文献:

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