汇编与接口技术课程的研究型实验探索

赵宏智，李清勇

（北京交通大学计算机与信息技术学院，北京100044）

1 背景

为更好地培养出具有创新与实践能力的工程技术人才，达到国际工程认证毕业要求，就要有相应的课程体系予以配合，并使课程体系中的每一课程都要对认证毕业要求有明确贡献。汇编与接口技术是一门综合性、实践性很强的课程，主要介绍计算机组成和工作原理、汇编程序设计以及接口技术，是计算机学院的必修课程之一。学习该课程有助于学生理解计算机应用系统中的基本工程知识，但该课程知识点较多，软硬件并重，具有较强的理论性、实践性与应用性。

国防科技大学的陈立刚[1]、南京邮电大学的周宁宁[2]等所在的国内一流高校的类似课程建设都未面向工程教育认证体系进行专门的建设；海军工程大学的昆朝群[3]结合军队院校教学实际深入推进微机原理与接口技术课程改革,为军队院校微机原理与接口技术课程建设和教学改革提供有力的技术支撑，与普通高等教育培养方向的不同和军队院校的特殊性导致该课程改革不太适合进行国际工程教育认证。这些都未从整个专业教育体系的高度梳理该课程对学生具体能力的培养。北京交通大学计算机学院在实施工程教育认证的过程中，要求学生通过对汇编与接口技术课程的学习，能够具有两点基本能力：理解与掌握计算机科学与技术的基本理论与方法，并从科学技术方法论上理解本专业的基本研究方法；掌握计算机科学与技术应用工程问题的基本设计原理与方法，能够针对相关工程问题设计合理的解决方案。这两点基本能力可以通过课堂讲授和常规的接口实验如定时器接口实验、中断控制器接口实验等获得。除此之外，还要求学生具备3点比较高级的能力：①能够应用数学与自然科学、工程基础和专业知识分析与识别相关实际工程应用问题的复杂性，解决计算机系统及应用中的复杂工程问题，设计出合理的解决方案；②理解与掌握一般工程项目规划与管理、工程决策与经济的基本知识与方法；③自主学习和终身学习意识，在复杂工程问题的解决方案中体现出一定的自主学习和终身学习的能力。

2 研究型实验所采用的实验箱的基本情况

实验箱采用清华大学生产的TPC-386EX实验箱，其上的接口集成电路采用堆积木模块形式设计，电路主要包括总线电路、中断控制器8259、DMA控制器8237、可编程定时器/计数器（8253）、可编程并行接口（8255）、串行通信接口16550、数/模转换器（DAC0832）、模/数转换器（ADC0809）等。外围电路包括：逻辑电平开关，LED显示、七段数码管显示、8*8点阵及驱动电路、直流电机，步进电机及驱动电路、继电器及驱动电路、喇叭及驱动电路，PS2电路，LCD128X64字符，图形显示模块，4*4键盘实验模块等（见图1）。

图1 TPC-386EX实验系统

这些接口电路和外围电路之间的连接由两部分组成，一部分是厂家已经固化的线路，另一部分是让学生手动地在电路模块旁边的插孔中插入导线进行连接，这就为学生灵活组合不同的电路模块以进行研究型实验奠定了良好的基础。

3 研究型实验的组织方法

这种研究型实验方法立足于面向常规实验的实验箱，充分发挥学生的想象力，不限题目，在教师的帮助和审核下，自行拟定好玩且有一定工程量的实验题目，从而可以让学生以较高的兴趣来体验产品设计理念和产品化的设计过程。这样做的考虑是：①工程量比较大，需要多个学生合作才能完成。对学生进行分组，每组2～3人，确定小组长；研究小组的任务包括查阅资料、应用构思、小组讨论、规划设计方案、硬件实现和软件实现、成果展示、实验报告等。这种分组的方式有利于培养学生的团队合作意识，也有利于培养学生的工程项目规划与管理以及工程决策的能力。为了避免小组内吃大锅饭的现象，每个组员的得分可能是不同的，得分有两个依据：一是各人在本实验中的角色、分工和任务量；二是教师根据各人的任务随机地提问，相关组员的答题质量。②学生自拟题目可以发挥学生自己的想象力，同时让其保持较高的兴趣；另外，教师严格控制题目，不同的小组不能有相同的题目，避免抄袭现象出现。③题目要好玩，一方面可以让学生保持较高的兴趣，另一方面就意味着题目必须有一定的应用意义，应当是面向应用任务来有机组合实验箱上的多种接口电路，不能是为了组合而组合。为了达到该目的，仅仅依靠教师在课堂上讲授的内容是远远不够的。学生必须自行查阅应用相关的知识，从而锻炼其自主学习和终身学习的能力。

在各组同学自拟题目的过程中，题目若不好玩并且工程量不足，则会被反复打回，直至满足上述要求。当通过教师审核之后，每组学生应提交一个实验任务书，包括：①实验需求的详细描述，包括应用功能描述、输入输出内容、控制方式；②实验总体设计，包括大概需要用到的接口电路和需要的应用设计；③每组人员名单以及组长、组员的分工。当教师审核通过该任务书之后，学生们就可以正式实施该研究型实验了。

可以看出，该研究型实验教学方法与需要教师给出实验目的、实验内容、参考原理图或程序框图的常规性实验有着很大的不同，可以为培养学生的前述3点高级能力提供一个较好的锻炼机会。

4 自拟题目和任务书的案例

4.1 点阵舞动小人实验

利用8*8点阵模拟信号灯上的小人走动和静止，当按下脉冲产生器PLUS后，点阵上的小人转变运动状态，即由静止变为走动或由走动变为静止。

在该实验中需要使用可编程并行接口（8255），8*8点阵及驱动电路以及中断控制器（8259）。点阵中小人形状模型的设计到初步进行实验小人行走时动作的设计，需要解决一系列的问题，比如怎样控制小人的行走速度，怎样让小人在舞动行走的时候有规律地摆臂，并保证动作好看，在控制小人行走速度的时候，方案是分别让小人的左腿右臂和右腿左臂各摆动1000次，以此达到让走动的小人清晰显示的效果。

4.2 小键盘实现电子琴串行通信实验

利用两个实验箱进行串行通信，其中一个实验箱A利用小键盘按键1、2、3、4、5、6、7通过串口线给另一个实验箱B发送信号，使得实验箱B接收到相应的信号后发出对应do、re、mi、fa、so、la、si的音符。实验箱A按键的同时，在其数码管上会相应地显示数字1、2、3、4、5、6、7。

在实验中，B实验箱上的8254可编程定时/计数器，用于实验箱B扬声器发声；A实验箱上的8255并行接口芯片，控制B实验箱上的扬声器的启动/关闭，与小键盘连接；16550串行通信接口，用来连接两台实验箱，从而实现两个实验箱的通信。每个音阶都有其固定的频率，电子琴音阶频率设计见表1。

表1 电子琴音阶频率设计

4.3 竞赛抢答器设计实验

设计一个七路抢答器，以模拟竞赛中的抢答器功能。当主持人按开始键后，选手才可抢答，否则违规。该抢答器具有如下功能：①该抢答器有一个开始键，由拨动开关控制，由主持人使用；②该抢答器可供7人同时抢答，由拨动开关控制，选手使用；③当选手违规时，违规选手的灯亮和扬声器报警，数码管显示最先违规的选手号码；④当选手抢答成功，成功抢答选手的灯亮和扬声器鸣叫，数码管显示最先抢答到选手号码；⑤抢答前，所有的波动开关必须拨到下方，新一轮的抢答才可以开始。

实验所需器材为可编程并行接口芯片8255、可编程定时器／计数器8254、8个发光二极管、扬声器，、LED八段数码管和8个拨动开关。8个拨动开关中，K7作为开始键，K0～K6等7个拨动开关用作7位选手的抢答按键。扬声器的功能主要是提示，抢答成功时扬声器鸣叫，抢答违规时扬声报警。LED数码管的功能为显示的内容与选手号对应，抢答成功或违规都要显示。二极管的功能定义为：第1到第7个二极管对应相应的选手，当有选手抢答成功或违规时，对应的二极管发光；第8个二极管显示抢答是否开始。

4.4 猜数实验

裁判员先在小键盘的0-9之间选中1个数，每一次游戏选手有3次机会，当选手选出1个数后，程序会在点阵显示屏上显示提示语言，如：该数与裁判员选定的数相比是“大”“小”还是“√”。在游戏过程中还需要采用定时计算器进行计时，以确定选手猜准数据的时间，用数码管显示秒数。若时间超过16秒，则游戏结束，数码管显示“F”。若3次未猜对，数码管显示当前秒数。

在该实验中，使用小键盘作为外设，实现选数功能。利用8255的A、B口对键盘进行扫描捕捉按键的位置。使用8253定时器与8259中断结合进行计时，并在中断服务程序里对时间进行更新，以达到计时的目的。在8*8点阵上显示选手输入的数与裁判输入数的大小关系。

5 教学反馈

从教师的角度来说，本次实验教学的经验可总结为3点：①工作量大，课后花大量时间查阅资料，进行应用层面的设计，对单个接口电路的控制反而花的时间不多；②学生间需要积极交流，否则难以独自完成；③教师的提问考察有效杜绝了大锅饭的现象。

从学生的角度来说，实验课增强了学生的动手实践能力，理论与实践相结合让学生对课堂上理论知识的理解更加清晰深刻；常规型实验给最后一次研究性实验打下了良好的基础，能在最后的研究性实验中把总结到的经验与知识融会贯通，应用于实际实验设计中，从而设计出有趣的研究性实验；在思考实验创意、设计实验思路、解决实验中遇到的问题到最后完成实验的过程收获了很多，也体会到了实验成功、利用自己所学的知识创新实践以及与队友互相配合集思广益所带来的喜悦。

需要说明的是，学生们并不知晓什么是工程教育专业认证，但是从学生的反馈来看，学生们确实达到了工程教育专业认证的3点高级能力的培养要求。

6 结语

以工程教育专业认证为导向，立足于已有的实验箱和常规性实验，从教师需要给出实验目的、实验内容、参考原理图或程序框图的常规性实验教学方法转变为以学生自由发挥为主、教师指引和评价为辅的研究型教学方法，能够培养学生具备工程教育专业认证中要求的3点高级能力，正是工程教育专业认证在本课程中加以实施的目的和意义所在。

[1]陈立刚,邹逢兴,徐晓红,等.新编教材“微型计算机原理与接口技术”之探索[J].电气电子教学学报,2016,38(4):148-150.

[2]周宁宁,王伟,成卫青.微机原理与接口技术课程教学模式研究[J].实验科学与技术,2011,9(4):117-119.

[3]昆朝群,陈修亮,梁英杰.军队院校微机原理与接口技术课程教学改革研究[J].计算机教育,2017(4):19-22.