微机原理课程教学重点难点知识解析

曹玉波，张振涛，赵明丽，杨 莹

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工学院 教师发展中心，吉林 吉林 132022)

《微型计算机原理与应用》课程(简称“微机原理”)作为高校工科电类相关专业的核心必修专业基础课程，能够帮助学生学习和理解计算机底层软硬件结合部位的基本工作原理，对于学生深入理解计算机“思维”和“行为”方式具有重要的意义和作用[1-4]。近半个世纪以来，微处理器和芯片技术取得了跨跃式的飞速发展，微型计算机硬件系统从8位、16位发展到32位、64位机，计算机性能取得了巨大的提升。8086/8088系列CPU作为16位微型计算机的典型代表，虽然已经鲜见应用，但是其硬件架构和设计理念，却一直是后续机型发展和提高的基础，在高等教育教学中作为微机原理课程教学的首选机型，依然是学生和理解计算机底层基本工作原理的最佳选择，在计算机相关专业教育教学过程中具有不可替代的重要作用和地位[5-8]。

一、系统结构

自20世纪70年代芯片技术获得成熟应用以后，逐渐确立了以CPU(中央处理单元)、内存储器和IO接口单元为骨架的计算机系统结构，分立元件式计算机快速被以微处理器为核心的微型计算所取代[9-10]。如图1所示，微型计算机系统硬件主要由CPU、内存和IO接口单元组成，CPU是微机系统的核心，管理和控制内存完成指令和数据的取存，协调和管理各IO接口芯片与外部设备的进行信息交换，并在CPU内部完成指令的解析、运算和控制功能。对学生而言，理解CPU与内存的相互依赖关系和数据交换过程，掌握CPU如何通过IO接口芯片完成对外部设备状态的读取和动作的控制，是微机原理课程教学环节的重中之重。

图1 微机系统硬件结构图

二、CPU与内存的连接

在C语言等各类计算机编程语言课程教学中，指针一直是学生学习的一个重点和难点[4]，其原因在于学生对计算机硬件核心架构中CPU和内存的关系理解不够透彻。在微机原理课程教学中，内存的管理以及CPU和内存之间相互配合共同完成程序指令的执行这一过程应作为重点进行讲述。

译码器是数字电子技术课程教学中的一个基本知识点，在微机原理课程之前学生应该已经理解和掌握。本质上，内存可以简单理解为一译码器和一系列存储单元的组合，假定某内存储器系统有8个存储单元，每个存储单元可存储8个二进制位(一个字节)，则其等效电路可通过图2表示，电路中所有内存单元数据线按位并联在一起，接入CPU侧数据总线，每个内存单元的片选信号线接到译码器的输出端，当译码器输入端(地址线)000～111信号(地址信息)，则有唯一一个内存单元被选中，即该内存单元数据线与CPU侧数据总线保持接通，可以与CPU进行数据交换，而其他所有单元数据线与系统数据总线全部断开。以此类推，当内存单元数量为16、32或1K字节时，译码电路端入端所需地址线数分别为4、5或10根。无论内存单元数量有多少，其地址线和数据线的连接关系，都可以通过图2所示电路来简化和理解。

图2 内存等效示意图

8086/8088系列CPU有20根地址线，可以假定这些地址线通过20-1M译码电路分别连接到1M个内存单元的片选信号上，因而8086/8088系列CPU最大可寻址1M内存空间。事实上，内存储器芯片为了增加存储密度、降低功耗和生产成本，实际采用的控制电路并非如此，但是在入门学习过程中，借鉴这一思路来帮助学生理解内存储器的基本工作原理和工作过程，是一种简单并且非常有效的方法。IO接口芯片与CPU的连接，同样具有类似的关系。

三、总线操作

总线操作主要讲述微型计算机软、硬件结合并完成不同芯片之间信息交互的过程，是微机原理课程中最基础也最重要的知识点。对于刚刚学完数字电子技术课程的学生而言，在基本没有可编程芯片电路设计和使用经验的情况下，这一部分内容的学习是一个极大的挑战。通过这一部分内容，能够帮助学生有效理解计算机不同芯片之间的数据传送以及计算机指令对底层硬件的驱动过程。

8086/8088系列CPU采用双列直插DIP封装，共有40个引脚，包括有20根地址线和16根数据线(8088是8根数据线)，为了节省引脚数量，芯片设计采用了数据与地址引脚复用的技术。以8086CPU为例，如图3所示，CPU在最小工模式下，通过地址锁存器、总线收发器将地址引脚和数据引脚分隔出来，从而形成地址总线、数据总线及控制总线的三总线基本架构。在总线操作过程中，采用分时复用技术，在总线操作不同的时段，分别进行地址信息的发送和数据信息的读写，从而完成CPU与内存或IO接口芯片的数据传送。

图3 微型计算机系统三总线结构

假定寄存器当前值AX为1000H，DS为2000H，内存21000H单元存放的值为1122H，分析和区别“MOV [1000H]，AX”和“MOV AX，[1000H]”指令执行时CPU主要引脚的变化情况。

(a) CPU写总线操作

四、结 语

《微型计算机原理与应用》是高等教育工科电类专业的一门重要的专业基础必修课程。由于计算机技术本身的复杂性和发展速度过快等原因，导致该门课程在实际教育教学过程中存在诸多的困难；对于元器件数量庞大而连接关系又极为复杂的芯片电路，学生即无法深入分析归纳，也难于想象和理解。采用化繁为简的方式，运用化简的功能电路来示意和表达复杂的电路工作关系，帮助学生学习和理解CPU、内存、总线以及译码等核心知识，的确是一种行之有效的方法，在实际教学过程中取得了较好的效果。