《微机原理与接口技术》教学改革的探索

2022-09-11

《微机原理与接口技术》是自动化专业、电气专业、通信专业等电类专业的专业基础课, 本课程主要讲授微型计算机的基本组成、工作原理及典型的接口技术, 通过建立微机系统的整体概念, 使学生了解微机的内部结构和基本工作原理, 了解80×86微处理器的指令系统及掌握汇编语言程序设计的基本方法, 掌握CPU的中断机制及常用的一些接口芯片和接口技术, 从而使学生具有进行软、硬件系统开发的初步能力。

随着计算机技术的飞速发展, 《微机原理及应用与接口技术》在教学过程中逐步出现一些问题, 一是飞速发展的计算机技术与陈旧的教学内容不匹配, 一是实验教学不能适应学生实践能力和创新能力培养的要求。本人通过多年的教学实践, 并结合学生反馈的信息, 对《微机原理与接口技术》进行了一些实践性的改革探索, 提高了教学质量, 取得了良好的教学效果。

1 教学内容与教学方法的改革

课程所涉及的知识和内容较多 (硬件方面涉及数字电路及逻辑设计基础、计算机组成与结构、微机接口技术等方面内容;软件方面涉及汇编语言程序设计的基本内容) , 由于知识点多、内容抽象, 教学难度大, 60学时的教学学时已经非常紧张, 随着微处理器的不断发展, 微处理器进入64位课程中16位的CPU已经不能满足需求, 因此增加了32位CPU的知识。这就要求在有限的教学学时内, 讲授课程涉及的基础知识及课程发展的新技术新知识, 并且能够被学生接收且掌握, 教学内容的改革就已经十分必要。

1.1 以16位CPU为基础, 向32位CPU扩展

随着微处理器4位, 8位, 16位, 32位到64位的发展, 16位CPU知识非常重要, 在16位CPU的基本结构和工作原理的讲解中涉及了8位CPU向16位CPU扩展的知识, 以及新技术的应用 (16位CPU采用了流水线技术) , 在此基础上介绍的32位CPU, 扩展了更多的寄存器及更多的新技术 (高速缓存和高速总线带宽) 。16位CPU可以看作是承上启下的关键点, 教学过程中要把握这个关键点, 掌握整个课程教学的节奏。

1.2 以常用接口芯片为基础, 突出重点内容

课程中主要介绍接口芯片有串行接口芯片, 并行接口芯片, 中断控制器, DMA控制器, 计数器/定时器, 及A/D、D/A转换芯片。接口芯片在讲授的时候以讲授接口的结构和工作原理为主, 重点介绍芯片的初始化和应用的编程, 培养学生结合硬件基础上的汇编语言编程的能力。

串行接口芯片介绍8251A, 重点介绍串行通信的基本原理和异步通信的标准格式, 8251A的初始化是8251A编程的难点, 需要将8251A内部的寄存器介绍之后, 引导学生思考“CPU向8251A的奇地址写入数据时, 如何确定写入到哪个寄存器?”的问题, 然后引入8251A初始化的顺序问题。

并行接口芯片介绍8255A, 重点介绍8255A的工作方式及具体应用。8255A是比较常用的并行接口芯片, 在打印机、LED显示和键盘控制等场合应用广泛, 可以结合具体应用进行讲解, 更能激发学生学习的兴趣。

8259A是常用的中断控制器, 重点介绍8259A的工作原理和中断的各种工作方式。82 59 A掌握起来比较困难, 其中, 8 25 9A的优先级设定的方式, 中断屏蔽的设置, 初始化命令字ICW和操作命令字OCW的设置, 中断向量的写入都是学生掌握起来有困难的地方。另外, 在串行通信和并行通信中, 如果采用中断方式传递数据, 必须使用8259A, 这就涉及到8259A和其他芯片的综合运用的问题。因此, 中断作为CPU特有的一种工作机制, 具有非常重要的地位和意义, 在讲授中断原理及中断控制芯片的时候, 一定要安排足够的课时。

计数器/定时器8253可以用于精确的定时, 实现时间延迟或者输出一定频率的时钟信号。8353的重点是掌握8253的应用, 包括计数初值的计算及计数初值的写入。由于8253的工作方式比较多, 从模式0到模式5, 对其中门控信号GATE, 计数值和输出信号OUT的掌握有一定的难度。

A/D和D/A转换部分, 在先修课程《数字电路》和《模拟电路》中详细介绍了A/D和D/A转换的电路图和工作原理, 讲授时可以简略介绍一下, 重点介绍A/D和D/A转换芯片的编程。需要注意的是在使用A/D和D/A转换时, 必须正确处理地线的连接问题。A/D和D/A转换器的内部主要是模拟电路, 运算放大器你不完全是模拟电路, 它们都属于模拟电路芯片。而CPU、锁存器、译码器则属于数字电路芯片, 这两类芯片要用两组独立的电源供电。系统设计时, 一方面, 要把各个“模拟地”连在一起, 各个“数字地”连在一起, 不能混连;另一方面, 整个系统要有一个共地点将“模拟地”和“数字地”连起来, 以免造成回路引起干扰。

2 实验教学的改革

为了让学生掌握《微机原理与接口技术》这门课, 在重视理论教学的同时, 实验教学同样重要。《微机原理与接口技术》的实验有基础性实验和综合性、设计性实验。根据课程教学大纲的要求, 加强学生实践能力和创新能力的培养, 对传统的实验教学进行改革, 增加实验内容, 加大综合性、设计性实验的比重。

2.1 基础性实验

基础性实验以验证性实验和简单的设计性实验为主。《微机原理与接口技术》实验一共安排12个学时共6个实验项目, 基础性实验只有1个, 用于熟悉微机仿真实验系统的实验环境, 熟悉程序调试和运行的步骤, 掌握汇编语言的循环和分支程序的设计方法。

2.2 设计性实验

设计性实验是学生在教师的指导下, 根据给定的实验目的和实验条件, 自己设计实验方案、选择实验方法、选择实验器材、拟定实验操作程序, 自己加以实现并对实验结果进行分析处理的实验。与传统的验证性实验比较, 设计性实验一般具有学生设计主动性、实验内容具有挑战性和实现方法多样性等特征。将8255A, 8251A, 8259A和8253这4个芯片的实验内容作为设计性实验, 包括:8255A的2个实验项目, 分别是8255A控制霓虹灯和LED显示实验, 8251A用作微机通信实验, 8259A的中断控制实验和8253秒表设计实验。

2.3 综合性实验

综合性实验就是“实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验”, 综合性实验并不局限于实验内容的综合。综合是相对单一而言的, 综合的内涵应该包括实验内容的综合、实验方法的综合、实验手段的综合。通过内容、方法和手段的综合, 对学生的知识、能力、素质形成综合的学习与培养。由于教学学时的限制, 综合性实验由学生根据自己的时间和兴趣选择, 在实验室开放期间完成实验。