“计算机硬件技术基础”教学内容改革

陈立刚，徐晓红

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073)

0 引言

“计算机硬件技术基础”(也叫“微型计算机原理与接口技术”)是计算机基础教育的核心课程之一，课程内容包括微机原理、微机接口和微机应用三大部分，其完整的知识体系如表1所示［1，2］。

本课程的主要特点是:① 知识单元和知识点多，教学时数相对较少;② 既有硬件，又有软件;③理论性、系统性和工程实践性都很强。

近年来，我校“计算机硬件技术基础”课程教学时数大幅精简，以2009教学计划为例，“计算机硬件技术基础A”由过去的讲授56学时，实验14学时，精简为40+10学时，新的2012教学计划还将减少为36+10学时。在此背景下，我们结合课程特点和教学实践，进行了一些行之有效的改革和探索。

表1 “计算机硬件技术基础”课程知识体系

1 硬件编程教学改革

目前，国内各高校仍普遍采用汇编语言开展硬件编程教学，但采用汇编语言开展教学的不足之处是，汇编语言教学所占课程学时多。以我校2009教学计划“计算机硬件技术基础B”(60+20学时)为例，在60学时的理论教学中，指令系统和汇编语言程序设计的教学达14学时。尽管如此，由于汇编语言依赖于机器特性，指令理解和编程难度较大，要让学生基本掌握汇编语言程序设计的方法和技巧，除14学时的课内教学外，实际还需学生花费大量课外时间。对一些基础较差的学生更是难以掌握，还会影响到此后的课程主线——接口技术及应用内容的学习。

对一些少学时硬件课程，如前面提到的“计算机硬件技术基础A”，要从40学时的理论教学中，拿出十几个学时来进行汇编语言的教学，难以满足以计算机接口及应用技术为主线的教学需求。

我们现有的改革思路是，对以电为主的工程技术类专业，如自动化和仿真专业，为他们开设的硬件课程学时相对较多其仍保留汇编语言程序设计的相关内容。但我们并不局限于用汇编语言讲述硬件编程，而是注重其与高级语言的结合，强调用C语言和汇编语言混合编程。这样既通过汇编语言编程教学，培养学生编写高质量接口驱动程序的能力，又能通过两种语言的结合降低硬件编程的难度，还能体现实际工程开发的特点。

我们对授课时数少的“计算机硬件技术基础”课程，删除汇编语言程序设计相关内容，而采用C语言作为硬件编程语言开展计算机接口及应用教学。教学中只需用1个学时讲授高级语言访问I/O端口的方法，即可开展硬件编程，这样节省的课时可用于加强接口及应用技术的学习，有利于突出接口技术及应用这条主线。

2 存储器与I/O接口教学改革

存储器和I/O接口是计算机系统的基本组成部分，是教学的重点内容之一。在课程教学时数大幅精简背景下，对一些以接口技术及应用为主要内容的少学时课程，删除存储器章节不能体现课程的完整性，完整讲授又面临着课时不够的矛盾。

从讲授内容看，存储器章节的主要内容包括高档微机系统的存储器体系结构、内存构成原理、高速缓冲存储器和虚拟存储器等。重点是在介绍存储器芯片接口特性的基础上，如何用内存芯片构成内存储器。而接口抽象到数字逻辑来看，可归结为控制逻辑和I/O寄存器两类电路，如图1所示。其核心部分是I/O寄存器(也称为I/O端口)，控制逻辑主要用于确保对各寄存器的正确访问。这些寄存器的全部或部分端口线被连接到外设上，对外设的访问实际上是通过对这些I/O寄存器的访问来实现的。

图1 I/O接口组成结构

接口中的这些I/O寄存器，本质上可以看作接口电路内部的存储器，实际上在采用存储器映像编址的接口电路中，I/O寄存器本身就是存储单元。所以无论内存构成还是I/O接口扩展，其关键均是在存储器或I/O地址分配的基础上实现存储器或I/O端口的地址译码。而存储器和I/O端口的地址译码本质上并没有什么不同，其差别在于使用的读/写控制信号可能不同(隔离I/O编址时)。

综合上述观点，我们在少学时的硬件课程中，将存储器与I/O接口内容进行整合，作为一章开展教学，如表2所示。对内存基本原理，将重点放在存储器芯片的接口特性和字/位扩展方法上，而将内存接口的关键技术──存储器芯片地址译码方法，与I/O端口译码合并。这样既保持了课程知识体系的完整，突出存储器教学的重点，又可节省教学课时。

表2 存储器与I/O接口教学内容

3 少学时硬件课程内容组织

在教学时数不断精简背景下，如何组织课程内容，使之既保持课程整体完整性，又能突出计算机接口技术及应用这个重点，除上述改革外，我们对表1各章节进行整合，构建满足少学时教学的“计算机硬件技术基础”知识体系，如表3所示。

表3 少学时“计算机硬件技术基础”知识体系

具体实施时，应注重教学手段、教学方法的改革和重点内容把握及取舍。

(1)要充分使用多媒体教学手段提高课堂教学效时比;利用网络课程提供丰富的教学资源，供学生自主学习。

(2)在广泛采用启发式、案例式教学基础上，应重视引入研讨式教学，通过课堂研讨，鼓励学生大胆各抒已见，在师生互动过程中，强化学生学习的主动意识和参与意识，提高学生的学习积极性。

(3)淡化器件内部结构，强化外部特性。如模拟I/O接口教学中，可将ADC和DAC看作一个变换黑箱，可不讲A/D和D/A转换原理，而强化与计算机的连接特性及接口的方法。如ADC芯片，除电源和地外，可归结为图2所示的通用芯片。

这样，计算机控制ADC完成A/D转换的工作原理可归结为:启动A/D转换→等待A/D转换结束→读转换结果。至于ADC以什么样的原理将模拟信号转换成数字信号，从接口角度可以不用关心。

图2 ADC通用引脚

(4)现代微处理器或微机系统一般都有较完备的中断系统，实际应用需要扩展中断源的情况不多。课时进一步减少时，I/O接口中的中断技术，可少讲或不讲可编程中断控制器。而把重点放在讲清微机中断机理基础上，介绍中断驱动式I/O处理程序的结构和设计方法(含中断向量填写、中断屏蔽与开放和中断结束控制方法等)。

4 结语

近年来，针对“计算机硬件技术基础”教学时数减少，我们对教学内容及组织进行改革，并根据教学需求编著出版了兼顾汇编语言和C语言编程的《计算机硬件技术及应用基础(上、下册)》十一五国家级规划教材。教学实践表明，这种改革重点突出接口技术及应用这条主线，不仅满足了少学时教学的需求，还保持了课程的系统性完整性，教学效果稳步提升，说明我们的改革是行之有效的。

［1］ 邹逢兴，陈立刚.计算机硬件技术基础(第二版)［M］.北京:高等教育出版社.2005

［2］ 教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会.高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求［M］.北京:高等教育出版社.2009