对比式教学法在计算机专业课程教学中的应用

朱贵宪

（安阳工学院，河南 安阳 455000）

计算机组成原理是计算机专业的专业基础课程，单片机原理及应用是计算机专业的专业核心课程，前者是后者的先修课程，后者是前者的后续课程，两门课程既有很多的相似性，也有很多的不同点。在计算机组成原理课程教学过程中，要注意和后续课程单片机原理及应用知识点的衔接问题，并有意识地向单片机原理及应用课程进行适当的延伸；在单片机原理及应用课程教学过程中，要引导学生回顾计算机组成原理中的相关知识，做足铺垫，再在此基础上引出本课程相关知识点，做到知识点有序衔接，层层递进，逐步深入，分辨异同。

1 两门课程知识点的区别与联系

通过摘取和对比计算机组成原理和单片机原理及应用两门课程的知识点，来找出两门课程之间知识点的支撑、衔接与异同之处，为以后开展课程教学时对教学内容的取舍与选定提供依据。下面分7个模块对计算机组成原理和单片机原理及应用课程进行比较分析。

1.1 计算机与单片机的基本概念

单片机是计算机发展过程中的一个重要分支，所以又称单片机为单片微型计算机，可见单片机与计算机关联度是非常高的。从系统架构上来讲，目前的计算机系统普遍采用的是冯·诺依曼体系结构，这是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。而单片机的系统架构分为两类，一类是采用前面所提到的冯·诺依曼体系结构，还有一类是采用哈佛体系结构。哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，经指令分析后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，最后完成指令的执行。

计算机的主要应用领域包括科学计算，数据处理，自动控制（过程控制、实时控制），计算机辅助设计，人工智能，多媒体应用，数据库应用和网络应用。单片机的应用领域包括智能仪器仪表，机电一体化产品，实时工业控制，家用电器，分布系统的前端模块。由于单片机是在一块微小晶片上集成了具有一定规模的微型计算机的基本电路，与通用微型计算机比较，它在硬件结构、指令设置上非常适合做嵌入式应用，具有较高的性价比和良好的控制性能，在自动控制领域得到了广泛的应用。

计算机硬件性能指标主要包括机器字长，总线宽度，主频，运算速度，存储器容量和读写速度（存取周期），缓存容量，输入/输出传输速率。单片机的性能指标包括单片机位数（8位、16位、32位单片机），CPU时钟频率（时钟周期、指令周期），内部RAM和ROM大小，片上外设（如定时器，串口，ADC，WDT，PWM，CCP等）的多少，工作电压，功耗的大小，I/O口及驱动能力等。通过对比可以发现，衡量一台计算机性能的优劣主要看处理速度和存储容量，而单片机除了关注上述指标外，还要考虑片上外设和I/O的多少等其他因素。

1.2 CPU部分

CPU是计算机和单片机的核心或大脑，通过对比计算机组成原理和单片机原理及应用中对CPU的组成及功能描述，找出两门课程在论述CPU时的相似点和不同点[1]。对比发现，两门课程在讲述CPU时，功能基本相似，组成略有不同。但是从系统结构是来说，计算机的CPU是一个独立的芯片，而单片机的CPU是与存储器、I/O接口以及连接它们的总线集成在一块芯片上的。

1.3 总线部分

总线是系统内外连接各个部件的信息传输线，无论是计算机还是单片机，各部件之间的连接都是靠总线完成。

通过对比可以看出，与复杂的计算机系统的总线相比，单片机的总线相对简单。关于总线的一些性能指标，如总线宽度、波特率等，既适用于计算机，也适用于单片机。

1.4 存储器部分

计算机组成原理中关于存储器的论述：从功能上讲，存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。按照存储介质分类，分为半导体存储器、磁表面存储器、光盘存储器；按存取方式进行分类，分为RAM、ROM和顺序访问存储器（又分为串行访问存储器和直接存取存储器）；按照在计算机系统中的作用不同，分为主存、缓存和辅助存储器。

单片机原理及应用中关于存储器的论述，从功能上来说，存储器是单片机的信息仓库，用来存放程序和数据。按照不同角度对单片机存储器分类结果为，按照单片机中存储器保存信息的不同，可分为程序存储器和数据存储器，其中程序存储器用于保存将要执行的程序代码，大多数单片机的程序存储器采用Flash工艺，少数采用OTP工艺，数据存储器用于保存在程序执行中所需要用到的数据，一般由RAM组成。从单片机的存储结构上进行划分，可分为程序Flash存储器、数据Flash存储器、内部数据RAM存储器和外部数据存储器。

与单片机相比，计算机的存储容量更大，存储器带宽更宽，读写速度更快。

1.5 指令系统

计算机组成原理中指令的相关概念、分类和寻址方式：指令是要求计算机完成某个基本操作的命令，指令由操作码和地址码两部分组成，操作码用来指明该指令所要完成的操作，地址码用来指出该指令的源操作数的地址、结果的地址以及下一条指令的地址。一台计算机所能执行的全部指令的集合称为该计算机的指令系统，指令系统一般包括数据传送类指令，运算类指令（包括算术运算指令、逻辑运算指令和移位操作类指令），程序控制类指令（主要用于控制程序的流向）输入/输出类指令（简称I/O指令，这类指令用于主机与外设之间交换信息），其他指令（包括停机指令、等待指令、空操作指令）等。寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，寻址方式分为指令寻址方式和数据寻址方式两大类，数据寻址方式又分为立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址、堆栈寻址、隐含寻址、复合型寻址等。计算机的指令系统逐步发展和优化，从过去的复杂指令系统计算机（CISC）逐渐过渡为精简指令系统计算机（RISC），并且采用流水线技术更进一步提高计算机的处理速度。

单片机原理及应用中指令的相关概念：单片机的指令由操作码和操作数两部分组成，操作码用来确定CPU运行本条指令完成何种操作，操作数有目的操作数和源操作数两类，它们为操作码提供操作对象，在单片机中，这些被操作的对象可以保存在CPU的内部寄存器中或者存储器中，将CPU寻找操作对象（操作数）所保存位置的方式称为寻址方式，单片机的寻址方式大致有7种，分别是立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址[2]。目前单片机普遍采用流水线RISC结构，极大地提高了执行速度。

无论计算机还是单片机，其CPU的指令系统反映了CPU的内部结构，指令系统与硬件结构紧密相关，不同类型的计算机其寻址方式也不相同，与单片机相比较，计算机的寻址方式要比单片机更为多样，寻址方式更为灵活，也间接反映出计算机硬件系统结构更为复杂。

1.6 输入输出系统

计算机组成原理中有关输入输出系统的描述：I/O系统是计算机系统的重要组成部分，实现计算机系统中主从设备之间的数据交换，其中输入系统用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式输入到计算机中，输出系统将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式输出到显示器等输出设备上。I/O系统由I/O软件和I/O硬件组成，I/O硬件又分为I/O接口和I/O设备，I/O接口实现I/O设备与主机的连接，建立数据通道实现数据传输，I/O设备种类繁多，功能各异，大致可以分为人机交互设备、计算机信息存储设备（辅存、闪存）和机-机通信设备。I/O设备与主机信息传送的控制方式主要有五种，分别是程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、I/O通道方式和I/O处理机方式。

在单片机原理及应用课程中更多的是对I/O引脚的描述，单片机按照类型和封装形式的不同，I/O口的数量也不尽相同，但都留有足够数量的I/O引脚以便开发应用，以LQFP44封装的IAP15W4K58S4为例，该类型单片机共有42个I/O端口线可用作准双向I/O口，其中，大多数I/O口线还具有2个以上其他功能，每个I/O的工作模式由工作模式寄存器中相应的位进行控制，因此，单片机只需加少量的I/O设备，就可以构成一个简单的单片机应用系统。

1.7 中断系统

计算机组成原理中关于中断的论述：计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原来的程序，这个过程就是“中断”。通常将能够引发处理器中断的各种紧急事件称为中断源，中断源可分为两大类，一类是不可屏蔽中断源，另一类是可屏蔽中断源。中断系统是计算机的重要组成部分，实时控制、故障处理、计算机与外围设备之间的数据传送往往都用到中断系统。一个完整的中断过程包含中断请求、中断判优、中断响应、中断服务和中断返回5个环节。

单片机原理及应用中关于中断的论述：单片机正在正常的执行一段程序代码时，发生紧急事件，该紧急事件通过单片机的外部引脚或内部信号送给单片机的CPU，CPU需要做出判断是不是立即处理这个事件，如果允许立即处理该紧急事件，则暂时停止当前正在执行的程序代码，而跳转到用于处理紧急事件的程序代码，执行中断服务程序，处理完紧急事件后，再回头继续执行前面所被打断的正常执行的程序代码，这个过程称为中断。此外，单片机中提到与中断相关的一些术语还有中断系统、中断源、中断优先级、中断嵌套等，这些概念与计算机组成原理中的描述是一致的，单片机提供了多个中断源，多数中断具有2个中断优先级，可以实现2级中断嵌套，与中断系统有关的寄存器有中断允许寄存器IE，定时器/计数器控制寄存器TCON，中断优先级控制寄存器IP等，通过正确设置这些寄存器的功能位，来实现单片机的中断功能。

2 对比式教学法在教学过程中的积极作用

对比式教学不是指对各课程知识点的罗列，其目的是通过比较，找出其内在知识点的承接关系，从而在教学上做到有的放矢，使课程教学目标更加明确、教学内容安排更加合理，先修课程和后续课程更好地进行衔接，更好地搭建专业知识体系，避免知识点的孤立化、碎片化。在教学过程中，讲解先修课程时要有意识向后续课程做适当延展，为后续课程的学习做好铺垫，在讲解后续课程时要有意识对先修课程做回顾复习，让学生认识到每个知识点并非孤立存在，而是有来由的，这样就实现了各课程知识点之间更好的衔接。

此外，该教学方式同时也较好地解决了学生学习专业基础课时积极性不高，学习目的不明确，等到学习专业课程时积极性很高，但前期基础没有铺垫好，原理性的东西搞不明白，只知其然不知道其所以然，影响学习效果和教学质量。这里作一个比喻来说明各类课程之间的关系，基础课的学习应该是优化土壤或者叫育苗期，专业基础课程的学习应该是成长壮大期，专业课程的学习应该是开花结果期，只有每一个环节都做好，才能结出丰硕的果实，对比式教学法也是让学生明白这样一个道理，从而提高学生学习专业基础课程的积极性。

3 结语

通过对计算机组成原理与单片机原理及应用两门课程知识点的比较，论述了对比式教学法在教学过程中所起的积极作用，为更好地开展课程教学，提出了一个新的思路。对比式教学是建立在对整个专业课程体系有充分认知的基础上，是建立在对基础课和专业课有丰富教学经验上的一种教学方法。该教学方法的有效实施，对教学质量的提高有较大的促进作用。