“微机系统原理与应用”课程的教学改革

阎 波，李广军，林水生

(电子科技大学通信与信息工程学院，四川 成都 611731)

“微机系统原理与应用”作为国内高校工科电工电子类非计算机专业的重要专业基础课程，涉及到计算机系统结构、组成原理、接口技术、软件开发和数字逻辑设计等多方面知识。其教学目的在于让学生较全面地建立计算机系统知识架构，较系统地掌握计算机及接口技术的硬/软件核心设计技术，从而具备进一步开发设计通用/嵌入式计算机系统的基本能力。

1 课程存在问题

对于国内绝大多数工科专业来说，“微机系统原理与应用”(以下简称“微机”)课程基本上都经历了Z80微处理器(8位)和8086/8088微处理器(16位)两个阶段，而且目前仍以讲授8086/8088微处理器系统为主。然而，8088/8086 CPU早就退出了应用领域，相应的配套芯片在也不再使用，课程内容存在着理论脱离实际和知识落后技术的情况。

“嵌入式系统设计”课程虽然面向实际需求，但通常局限于特定型号CPU的外在应用开发技术，忽略了对计算机组成原理和系统架构的剖析，以及对硬件及低层驱动设计能力的培养。因为没有关注微处理器系统结构基础，导致学生无法建立较全面的计算机系统知识架构，很容易出现知其然而不知其所以然的现象，该课程的教学效果差强人意。

此外，国内CPU/MCU/SoC芯片设计水平已有飞跃发展，IT行业对高校本科生通用/嵌入式计算机系统的设计能力提出了更高的要求。微机及嵌入式系统系列课程的改革势在必行。

2 课程改革思路

近年来部分高校开始研讨如何更新“微机”课程的教学内容，这方面的改革意见主要集中在两个方向:①在课程中引入32位的通用微处理器系统;②引入32位的嵌入式微处理器系统。

实际上，当前计算机技术发展的一个重要趋势就是嵌入式芯片和系统的广泛应用。计算机早已进入后PC时代，并已广泛应用于各行各业;而以应用为中心、软硬件可剪裁的嵌入式系统产品的发展更是十分迅猛。

我校微机课程组根据多年积累的教学和科研经验，选择了嵌入式微处理器系统作为微机课程主要内容的改革方向，有如下优势。

(1)嵌入式计算机系统融合了计算机软/硬件技术、自动化技术、数字通信技术和微电子技术，比通用计算机系统具有更强的实用性，也更贴近相关专业领域的产业需求;

(2)嵌入式系统具有通用微机系统中涉及的所有特征，引入嵌入式处理器可以保证原课程的核心内容，而且有利于各专业根据本专业特色选择合适的切入点和侧重点，借助科研优势构建科研与教学结合、产学研有效衔接的教学模式;

(3)嵌入式系统设计需要较强的综合理论知识和动手能力，有利于对学生综合能力、特别是创新能力的培养。

3 课程改革措施

(1)加强计算机组成和系统结构等基础理论

不管是通用计算机系统还是嵌入式计算机系统，不管采用哪种CPU芯片，其组成原理与系统结构本质上都是非常类似的。为了加强这部分内容，改革后的课程增加了关于计算机体系结构的演变技术(如流水线、超标量、多机/核等并行技术)，以及微处理器的工程设计技术(如随机逻辑CPU和微码CPU的EDA设计技术)等章节。

(2)增加嵌入式操作系统的移植技术

随着硬件平台性能的大幅度提高，操作系统在嵌入式系统中的应用也变得越来越广泛。适当引入与操作系统的基本概念以及嵌入式操作系统的移植技术相关的内容，有助于建立完整的计算机系统架构、透彻理解计算机系统的工作原理。改革后的教学内容增加了嵌入式Linux移植、嵌入式系统软件引导与加载及嵌入式Linux系统驱动开发等核心软件技术，并在实验中有所体现。

(3)选用ARM核替代8086/8088作为核心

目前嵌入式微处理芯片市场主要流行的是基于ARM处理器内核的嵌入式芯片，几乎80-90%的嵌入式产品均由ARM CPU为核心设计组成，ARM处理器为32位RISC芯片，体系结构设计比8088/8086有很大改进［1］。课程选用ARM核替代8088/8086作为核心芯片，通过对ARM处理器的学习可以接触更先进的计算机体系结构，了解当前的主流硬件技术，同时程序设计的模式也更加结合实际。

(4)在课程实验中引入AISC/SoC设计技术

EDA/ASIC设计技术已成为现代电子信息系统设计工程师的必备技能［2］。课程实验中引入先进的SoC和NoC等EDA设计技术，在掌握使用现成电路模块搭建系统的基础上，学习使用已有IP核或自行设计IP核构建片上系统，为学生提供所需的教学内容。改革后的课程实验可以通过让学生分组进行课程设计(或综合性实验)来完成简单CPU核和接口电路的ASIC设计，或利用已有CPU及接口电路IP核在开发板上完成SoC系统搭建。

4 结语

本校微机课程组率先在“微机”课程改革中，将微处理器体系结构、组成原理与现代嵌入式系统设计相结合，并于2009年出版了适用于电子电工类非计算机专业微机课程的教材［3］。为体现学科交叉和技术融合，该教材在保证原《微机系统原理与接口技术》教材核心内容的基础上加强了微处理器组成和计算机体系结构等基础理论，增加了嵌入式操作系统的移植技术，并尝试引入了先进的ASIC/SoC设计技术。目前该教材已在本校连续使用3年，也被其他学校选为相关教材。实践证明，本次改革思路在教与学两方面都得到了较好的反响。

(1)“微机”课程改革注重与“数字逻辑设计技术”、“EDA技术”、“软件技术基础”、“C语言”以及“数字通信”等相关课程内容的融合与提升，有利于培养学生的实际工程项目开发能力，在培养学生的创新性和鼓励学生个性化发展方面起到了较大的促进作用;

(2)改革后的教学内容注重了当前IT行业的实际需求，使学生能够感受到学以致用的乐趣，并为其申请有关科研项目或参加各类竞赛奠定了基础，激发了学生的学习热情，有效改善了学生不愿学的状况;

(3)此次改革促进了科研与教学的融合，并因此成功吸引了相当数量的优秀青年教师加入课程组，有效缓解了教师不愿教的问题。

［1］严国志.基于电气工程专业的ARM嵌入式系统教学研究［J］.南京:电气电子教学学报，2010.4，32(2):11-13

［2］王鹏，朱小梅.一种“微机原理与应用”课程教学实验平台［J］.南京:电气电子教学学报，2010.10，32(5):90-92

［3］李广军，阎波等.微处理器系统结构与嵌入式系统设计(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2011.9