微机系统与接口技术实验课程改革研究

陈 润, 琚生根, 师 维, 连豫辉

(四川大学 计算机学院,四川 成都 610065)

微机系统与接口技术实验课程改革研究

陈 润, 琚生根, 师 维, 连豫辉

(四川大学 计算机学院,四川 成都 610065)

探讨和分析了当前微机系统与接口技术课程实验教学中的问题、教学难点和原因，提出了该实验课程的实验内容和教学方法的改革方案。改革后的验证性实验与理论课实例很好地结合，节约资源，提高了教学效率。综合性和创新性实验培养和锻炼了学生软硬件协同设计的能力和创新能力。实践证明，改革后的接口实验提高了学生的学习积极性，取得了较好的教学效果。

微机接口; 实验; 教学; 硬件; 芯片

微机系统与接口技术是计算机等多个专业的专业基础课，和其他基础课程相比，它是一门理论性和实践性都很强的课程[1]，特别是该课程的实践部分，是培养学生微机软、硬件结合设计、应用能力和创新能力的重要环节。经多年授课发现，对于学习该门课程的大二本科生而言，接口技术的实验是他们之前所学硬件知识和软件知识的一个结合点，很多学生对于计算机硬件的兴趣也是源于此。开展好接口技术的实验课程可以帮助学生充分理解理论课的内容，提高教学效率，还能激发学生的学习兴趣，为其今后的计算机硬件开发打下良好的基础。但长期以来，高校计算机等专业都存在着“重软轻硬，重理论轻实践”的问题，对为数不多的硬件实验重视不够，课时较少、设备落后、实验项目陈旧等问题长期存在[2-4]。虽然近年来这一情况得到了一定的改善，尤其是很多高校都加大了硬件的投入，但在实验教学中，仍然存在着实验项目单一、实验项目以验证性实验为主、与课程内容结合不够紧密、综合性创新性实验项目缺乏[5]、新技术缺乏等问题。因此，探索和研究出一套更加切合理论课程、更能提高学生对该门课程的学习积极性、更加符合现有微机系统发展方向的实验课程内容及教学方法，对于提高教学质量、提高学生动手能力有着十分重要的意义。

1 实验教学现状

近年来很多高校都提高了对微机系统与接口技术课程实践环节的重视程度[6-8]，例如我校一直将该课程的实验环节作为单独的一门实验课纳入教学计划，并加大了硬件的投入。但总的来说，该实验课程的开展随意性较大。因为各个高校的课程设置、实验平台、师资力量等条件参差不齐，并没有形成一套完整的理论体系和完善的教学方法[9-10]，总的来说，目前该课程实验环节中存在的问题主要有以下几点：

(1) 实验内容与理论课内容结合不够紧密。理论课的课本上对于每个典型接口芯片都给出了一些实际的应用实例，而授课教师也会在课堂上进行讲解，还会要求学生在课后完成课本上的一些典型习题，但是集成实验系统中厂家所提供的验证性实验中缺少与课本类似的实例，实验课上还要花时间来讲解实验原理，造成了理论和实验的脱节，既浪费了课堂资源，也不利于课本知识和实际应用的结合。

(2) 实验项目相对独立，缺乏综合性实验。理论课是分章节来单独介绍各个接口芯片的，而开设的实验项目也大多分为各个不同芯片，实验内容各自独立，所开设的实验只针对该芯片的功能，缺乏各个芯片协同工作的综合性实验，既不利于学生全面掌握微机接口技术的整体架构，也不利于学生深入研究各个芯片的功能。

(3) 学生水平差异较大，创新性实验的开展存在困难。该门课程结合了软、硬件知识，学生的水平差异比普通课程更大，创新性实验的开展存在诸多难题。在有限的实验时间里，大部分学生仅能完成简单的综合性实验，授课教师无法对创新性实验进行硬性考核，仅能将创新性实验作为课下的思考题，无法满足部分拔尖学生的需求。

(4) 微机接口的新技术融入较少。目前开设的实验还是面向80x86机型，主要内容都是传统的微机接口技术。但是近几年出现了很多应用广泛的新技术，这些在理论课和实验课上都没有得到体现，这一情况不利于学生掌握最新的知识，也会使学生觉得所学的东西脱离实际，从而失去学习积极性。

2 实验教学难点及其原因分析

微机系统与接口技术课程的教学内容其实并不深奥，但是很多学生普遍感到这门课难学难懂、概念抽象、感性认识差[11]。究其原因，是因为这门课程中重点讲解的是各个典型接口芯片的工作原理、硬件结构、初始化编程和应用编程方法。它的先修课程包括数字电路、汇编语言、微机原理等，要求学生既要能看懂芯片的主要电路图，又要能利用汇编语言对芯片进行编程。但是很多学生在数字电路和汇编语言课程的学习过程中没能建立感性的认识，课程结束之后又没有实际应用的机会，导致很多学生在学习微机系统和接口技术这门课程时首先面对的问题就是电子电路和汇编语言的知识几乎都忘记了。再加上该门课程教学内容是针对各个典型的接口芯片，内容很琐碎，既有共性的工作原理，又有具体应用的技术方法，很多学生学习时只是孤立地记忆各章节所涉及到的芯片工作原理、初始化编程步骤和相应的硬件连线[11]，而这些知识如果没有通过自己亲自动手设计电路、编写程序、最后观察实验效果这一过程的话，是无法落到实处的，但是很多学生对实验环节并不重视，甚至包括一些能在理论课上拿到高分的学生，他们大部分靠死记硬背，在进行实验时也只是依葫芦画瓢，照着实验指导书把验证性实验完成，不愿意去思考背后的原理，因此在进行综合性实验时，感觉困难重重，更无法自主设计创新性实验。

3 实验项目设计

为了解决以上问题，本文探讨微机系统与接口技术课程的实验教学改革，将实验按照验证性实验、综合性实验和创新性实验进行划分，在具体内容的设计和教学方法上遵循以下原则。

3.1 将验证性实验与课本中的实例相结合

将课本中的实例或者是典型习题中的内容与实验系统的具体环境结合，设计芯片的验证性实验，通过这样的验证性实验，学生能把在课堂上学到的抽象内容在实践中验证，便于理解，增加了他们的学习兴趣，提高了课堂教学的效果。实验开始前，教师可以适当地讲解一下实验的原理和芯片的相关知识，这样便于学生复习理论课的内容，也便于实验很快地开展。

例如，在课本《16/32位微机原理、汇编语言及接口技术教程》(钱晓捷编著)的“定时计数控制接口”章节中，例子9.1描述了IBM PC机上利用8253/8254定时计数器芯片中计数器2的输出来控制扬声器的发声，作为机器的报警信号或伴音信号，要求主程序设置好音调后让声音出现。用户在键盘上按任意键后声音停止，并给出了解决方案的汇编程序。根据这个例子我们把它移植到实验平台(西安唐都科教仪器公司出厂的“TD-PITE32位微机教学实验系统”)上，设计这样一个实验：

实验名称：8254电子发声实验。

实验目的：掌握8254的工作方式及应用编程。掌握8254典型应用电路的接法。

实验内容：编写程序，要求主程序运行后，实验箱的扬声器发声，当按动单次脉冲KK1+后声音停止。

实验原理：利用8254芯片计数器1的工作方式3输出一定频率的方波使扬声器发声，并用8255并行接口芯片作为控制信号输入输出的桥梁，使其工作在方式0，A口作输入，用来接受KK1脉冲信号，B口作输出，连接计数器的门控信号，用来控制是否发声。实验原理图见图1。

图1 8254电子发声实验接线图

该实验基本的解决思路和课本的例子是一致的，但是针对具体的实验环境做了一些小的改动，加入了8255芯片的应用，使学生在验证课本知识的同时进一步理解了8254和8255这2个重要接口芯片的工作原理和使用方法，具有良好的实验效果。

3.2 增加综合性实验，并纳入成绩考核

设计较多的综合性实验，要求学生在完成验证性实验的基础上完成，并将完成情况纳入期末成绩的考核范围，在总成绩的评定中占较大的比重。综合性实验侧重芯片之间的功能融合，教师只给出实验任务，具体的芯片选择、线路的连接、程序的编写都要求学生自主完成。对这类实验不要求标准答案，学生自己选择芯片，自己设计连线和程序，只要能够达到要求的效果。同时也鼓励学生通过对比、讨论、思考来取长补短，得到最优方案。例如，把8259中断控制器、8254定时计数器和步进电机结合起来设计一个综合性实验：

实验名称：8259、8254、步进电机综合实验。

实验目的：深入掌握8259、8254的工作方式及应用编程。

实验内容：编写程序，应用8254的计数功能，使用单次脉冲模拟计数，使当按动“KK1+”5次后，产生中断，并使步进电机转动。

要完成这样的实验，学生首先需要考虑硬件的设计。根据要求的功能选择相应的芯片，再考虑各个芯片和系统总线之间的连接以及各个芯片之间的连接。然后再以硬件线路为基础考虑软件的编程、各个芯片的工作方式，以及如何让芯片协同工作等问题。通过这一过程，可以帮助学生建立起软件和硬件之间的联系，掌握软硬件协同设计的方法。对这类实验，教师应该尽量要求学生独立思考，对于一些关键性步骤可以给出相应的提点和指导，以个别指导为主。

对于该实验，首先需要选用8254模块，因为必须使用它的计数功能，而且可以确定其是工作在方式0，计数值为5。当计数结束后，OUT会输出高电平，将OUT端接到8259中断控制器的IR7上，这样当高电平到来时就提出一次中断请求。将步进电机的驱动程序写入到中断服务程序中，这样当CPU响应了来自8259的中断请求后，主程序就会自动跳转到中断服务程序中去执行，从而使步进电机转动，同时考虑步进电机的转动需要8255来控制，所以还需要加入8255模块。实验的电路设计图见图2。

图2 8259、8254、步进电机综合实验电路图

通过完成这类型实验，学生可以认识到软件和硬件的协同设计，软件设计依赖于具体的硬件电路，而硬件电路需要在软件的控制下动作。同时综合性实验也将学生概念中孤立的各个芯片模块组合起来，使他们意识到微机系统就是在这些模块的协同工作下才完成了各种复杂任务。

3.3 创新性实验侧重工程性，并鼓励学生自主创新

为基础较好、学有余力的学生提供创新性实验，这类实验侧重实用性、综合性、设计性和趣味性。每一个实验都可以作为一个小的研究课题，通过选题、需求分析、硬件设计、软件编程、调试、系统实现这一过程，锻炼学生的工程设计和应用能力。同时也鼓励学生自由发挥，自主设计和实现一个全新的系统。

3.4 引入新技术相关实验项目

因为实验课时有限，考虑将新技术的引入放在综合性实验或是创新性实验中，作为其中的一个功能模块，既不占用宝贵的实验时间，又能丰富实验内容。例如，可以在8259的中断控制器实验中加入点阵LED显示[12]，通过中断控制程序动态改变LED的显示，这种既直观又有趣的实验更能激发学生的学习兴趣。

4 结束语

改革后的微机系统与接口技术实验课程已面向我校计算机学院计算机科学与技术专业开展200人次，学生反馈较好，大部分学生在实验课程后期都能较好地完成综合性实验，尤其激发了部分偏好硬件学生的兴趣。实践证明，该方案是科学的、可行的、有效的。在后续的建设中，考虑进一步挖掘现有设备的功能，丰富综合性、创新性实验项目，并扩大其知识覆盖面，引入嵌入式技术、物联网相关技术，使这一课程既能作为学生硬件设计的入门，也能为后续的硬件开发提高兴趣，打下良好基础。

References)

[1] 邵温,韩德强,张丽艳. 微机接口实验的教学改革探索[J].实验技术与管理, 2012, 29(3):275-276.

[2] 苏力.微机接口实验课的改革与探索[J].实验室研究与探索,2007,26(12):235-237.

[3] 白广梅,王小逸.创新性实验教学的思考[J].实验技术与管理,2008,25(2):128-129.

[4] 玄文启.计算机硬件实验教学改革的思考[J].中国科技信息,2010(11):243-244.

[5] 叶爱芹,卞真稳,徐朝胜,等.微机原理与接口技术课程综合设计性实验初探[J].中国科技信息, 2009(22):263-264.

[6] 卢萍,陈进才,周工业.“微机接口技术”课程创新性实践教学改革[J].电气电子教学,2010,32(1):67-68.

[7] 肖驰.微机接口技术实验课程教学改革探索[J].中国科技信息, 2009 (9): 246-247.

[8] 李永亮,刘雅琴.微机原理与接口技术实验课教学[J].软件导刊,2010 (9):193-194.

[9] 张树军,高金山,李志民.融入新技术实验平台的构建及其教学应用[J].实验技术与管理,2010,27(3):239-241.

[10] 张树军.以提高实践能力为目标的教学方法的探索与研究[J] .教育研究专辑,2008(8):321-323.

[11] 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, 2011,8(4):117-119.

[12] 周杰英,陈曼娜,王涛,等.“微机原理与接口技术”开发性实验建设:“点阵LED显示器显示汉字” 实验[J].实验室研究与探索,2007,26(9):33-37.

Research on reform of experimental course of MicrocomputerSystem and Interface Technology

Chen Run, Ju Shenggen, Shi Wei, Lian Yuhui

(School of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The current problems, teaching difficulties and reasons of microcomputer interface experimental teaching are discussed and analyzed. A reform program of experimental content and teaching methods of the experimental course is proposed. After the reform, the validation experiments are combined with the examples of theoretical lesson well, which can save the resources and improve the teaching efficiency. The integrated and innovative experiments can train and exercise the students’ innovativity and co-design ability of hardware and software. Practice has proved that the reform can improve the students’ enthusiasm of learning and achieve good results.

microcomputer interface; experiment; teaching; hardware; chip

2014- 06- 26

四川大学实验技术立项资助项目(2013-77)；四川大学实验技术立项资助项目(2013-78)；四川大学教改立项(SCUY101)；四川大学计算机学院实验技术立项资助项目

陈润(1980—),女,四川金堂，博士,工程师,研究方向为智能系统,信息安全

琚生根(1970—)，男，四川成都，博士，副教授，研究方向为智能信息处理、高校实验室建设及实验教学研究.

E-mail：cr_run@scu.edu.cn

G423.07

A

1002-4956(2015)5- 0236- 03