计算机硬件系列课程改革新思考

陈立刚, 徐晓红, 王 萍

(国防科技大学 机电工程与自动化学院， 湖南 长沙 410073)

计算机硬件系列课程改革新思考

陈立刚, 徐晓红, 王 萍

(国防科技大学 机电工程与自动化学院， 湖南 长沙 410073)

本文以我校2009教学计划建立的基于C语言开展硬件编程教学的教学体系为基础，进一步淡化接口背景机，在总学时不增反减情况下，优化课程教学内容体系，建立兼顾PC、单片机和嵌入式系统的计算机硬件系列课程体系，并就如何加强课程重点、难点教学，改革教育教学方法、手段，提高教学时效比，进行了一些行之有效的改革。

课程体系；计算机硬件；接口技术；教学改革

0 引言

我校早在2009年教学计划中，便对非电专业“计算机硬件技术基础A”课程教学时数进行大幅缩减。依据高校计算机基础课程教学指导委员会关于该课程教学基本要求和实施方案，在突出计算机接口及应用技术这条主线前提下，以能力培养，特别是计算思维能力培养为目的，对该课程教学内容进行改革，建立了基于C语言开展硬件编程教学的理论和实践教学体系，满足了教学时数减少的教学需求[1,2]。这为我们新一轮淡化接口背景机，兼顾PC和单片机接口及应用技术的教学改革提供了基础。

我校在2012年教学计划中，又针对以电为主专业的计算机硬件系列课程，在总教学时数略有减少情况下，就如何完善课程教学体系，兼顾PC技术、单片机技术和嵌入式系统教学，与主流应用技术保持一致，进行了一些行之有效的改革与探索。

1 课程教学体系改革

早先,我校以电为主专业开设的计算机硬件系列课程主要包括如下三门课程:①计算机硬件技术基础B(62+18学时);②单片机系统设计(8+20学时);③微机接口与应用综合设计(2周)。

系列课程的主体是一门以PC为背景机的“计算机硬件技术基础B”课程。内容设置如表1所示。“单片机系统设计”是在学完“计算机硬件技术基础B”课程后开设的一门以实践为主的课程。“微机接口与应用综合设计”是以培养学生使用单片机及其应用技术解决实际问题能力而开设的实践课。

表1 “计算机硬件技术基础B”内容体系

上述课程体系基于汇编语言讲授编程技术，这有利于对底层硬件原理的理解，引导学生编写高质量的硬件驱动程序和掌握底层硬件调试技术；主要不足是，占用学时较多，且受总学时限制未开设嵌入式系统技术相关课程，这与当前主流应用技术有些脱节。

正如引言所述，借鉴2009计划对非电专业的“计算机硬件技术基础A”课程改革取得的经验，采用PC机介绍计算机硬件及应用技术，有利于讲清现代微型计算机采用的先进技术，但随着PC技术的飞速发展，其内部结构越来越复杂，而从非计算机专业应用计算机的特点看，一些先进技术又并非课程重点，往往受课时的限制而淡化其内部原理介绍。教学重点实际放在微处理器与存储器、I/O设备实现连接的外部接口特性上，而在总线接口层面，扩展存储器和I/O接口芯片，主要是基于微机的基本信息总线：地址总线(AB)、数据总线(DB)和读/写控制线，即从硬件上各种微机扩展外设接口的基本原理是相同的。在采用高级语言开展硬件编程教学情况下，软件的思想和编程方法也大同小异，这样微机的编程结构(内部寄存器及使用)也可淡化，甚至不讲[2]。这就给了我们一种改革思路上的启示：在淡化微机内部原理基础上，可进一步淡化接口背景机，将“计算机硬件技术基础B”与“单片机系统设计”合并，建立新的课程教学体系，新课程教学体系也是由三门课程组成：①微机原理与接口技术B(52+18学时)；②嵌入式系统设计(8+20学时)；③数字化武器装备接口综合设计(2周)。

原“单片机系统设计”改为“嵌入式系统设计”，综合性课程设计则改为更加具有军事应用背景的“数字化武器装备接口综合设计”。新的教学课程体系在总的教学时数略有减少情况下，兼顾了PC、单片机和嵌入式系统技术，与当前微机主流应用技术相一致，更加贴近我校人才培养目标。

2 “微机原理与接口技术B”课程改革

2.1 课程内容改革

在新的课程体系内，“微机原理与接口技术B”课程教学时数比原有课程减少了10学时。但内容上强调的是：一要遵循“培养学生利用计算机硬件(主要是接口技术)为主技术、掌握从硬件与软件的结合上处理问题的意识和分析、解决本专业领域实际问题的能力”这一教学目标[1]，二要体现PC技术和单片机技术应用的统一。按这一原则，该课程新的内容体系，如表2所示。

表2 “微机原理与接口技术B”内容体系

与表1所示的原有内容体系相比，一是删去了指令系统和汇编语言程序设计相关教学内容，而通过与“高级语言程序设计”课程衔接，代之以C语言开展硬件编程教学，节省的课时用于加强微机接口及应用技术的教学，突出课程主线，这也有利于淡化接口背景机、突出通用接口原理。但仍保留指令寻址方式章节，并要求学生通过自学，辅以研讨达到能阅读、编写简单的汇编驱动程序的能力目标。二是取消基本人机交互接口章节和相关内容，如键盘与LED显示器接口作为PC并行接口和MCS-51并口的应用案例并入并行接口章节。

具体内容(知识点)的组织，总体上仍以PC技术为主，同时兼顾单片机技术：

(2)对MCS-51单片机内部接口，如定时器/计数器、串口等，可分解到相应章节，在介绍完对应可编程接口后，用对比的方式、加以研讨介绍。各种接口应用案例的讲解，要兼顾PC和单片机方案，充分体现接口基本原理不因背景机改变而改变的思想。

(3)相应的课程实验也要兼顾单片机实际应用，增加单片机中断机理实验、并行接口应用实验和基于并口扩展ADC构成数据采集系统的应用实验，并鼓励学生课外用单片机完成原有基于PC设计的实验。

2.2 重难点教学的探索

本课程内容多课时少矛盾突出，教学应把握好课程的重点和难点。对重点内容的难点要特别重视、加强教学，尽可能调动多种教学手段，运用多种教学环节帮助学生理解、掌握；对一般内容的难点则应根据需要适度处理，不主张深钻。

1)关于存储器和I/O接口教学

存储器和I/O接口是微机系统不可或缺的基本组成部分，其扩展设计是课程的重点和难点。但两者从功能、结构和与CPU的连接特性上基本相同(或相似)[3]。扩展设计的重点都是在地址分配基础上实现存储单元或I/O寄存器的地址译码。从减少教学时数，提高教学效率角度，亦可将两个知识单元整合一起施教，以案例和研讨教学为主。通过具体案例分析、设计和实验，让学生掌握基于地址分配表确定译码方案、选择译码器件和设计译码电路的方法，理解两者的共性和区别。

2)关于中断与中断控制教学

中断是计算机系统的一个重要概念，是计算机对内、外突发事件进行实时处理的一种重要机制，更是一种重要的I/O同步控制方式，是要求重点掌握和灵活运用的内容。但现代微处理器或微机系统一般都有较完备的中断系统，如PC系统提供15级外部中断，MCS-51单片机支持5级中断，实际应用需要扩展中断源的情况不多。在课时较少情况下，可少讲或不讲可编程中断控制器8259，而把8259作为PC的基本配置，只讲15级外部中断的屏蔽与开放和中断结束控制方法。这样教学的重点可放在PC和MCS-51两种典型微处理器中断机理、及中断处理程序设计的方法上，通过比对和研讨认清两种机制的异同。

3)关于可编程接口芯片教学

各种可编程接口，特别是应用方法和技能是本课程的重点和难点。从化解难点、突出重点出发，教学实施要重视以下方面：

(1)各种可编程接口与CPU的连接同存储器一样，但与外设的连接特性各不相同、差异较大。教学要淡化与CPU的连接特性，而突出与外设的连接特性。

(2)各种可编程接口内部寄存器多、端口地址少的矛盾突出。教学要重视接口内部寄存器的寻址和读/写控制方法，并通过对1～2个芯片的分析、总结，让学生掌握各种可编程接口芯片解决寄存器多、端口地址少矛盾的常用方法。

(3)从功能上，各种可编程接口实际是对一类接口功能的集成，所以要重视从通用接口功能介绍芯片。如8255，从接口功能上相当于简单的三态门/锁存器(方式0)，或具有中断及查询功能的三态锁存器/锁存器(方式1、方式2)等并行接口功能的集成。讲授8255，并不只是掌握这个芯片，而是通过芯片的学习，让学生掌握并行接口这类芯片的使用和应用方法，如MCS-51并行I/O口等的使用与应用。对8254、8250的介绍也应如此。

4)关于模拟I/O器件接口教学

ADC、DAC及与CPU的接口是构建实际计算机应用系统特别是测控系统至关重要的。教学时数较少时，可从转换原理上，可将各类ADC、DAC芯片看作变换黑箱，不讲转换原理，而从与CPU接口角度，重点介绍芯片的外部接口特性及通用接口方法。

如ADC可归结为具有模拟输入、数字输出以及启动转换、输出允许和转换结束信号的通用芯片。从与计算机连接角度，ADC接口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可以淡化。这样，教学重点就是如何产生A/D转换启动信号和输出允许信号，以及从I/O同步控制策略考虑，如何向CPU传递转换结束信号EOC。

DAC的教学也可用类似方法处理，接口要解决的关键问题是，如何接收来自CPU的转换数据并保存。对内含数据寄存器的DAC来说，接口设计主要就是端口地址译码问题；对内部无数据寄存器的DAC来说，接口设计就变为外扩数据寄存器的问题。

3 教学资源建设的思考

除上述改革思路外，教学应鼓励学生课外自主学习。这就要重视立体化教学资源建设，包括网络教学资源和教材、教学辅导书等纸质教学资源，以满足学生自主学习需求。

(1)要按照国家精品资源共享课的指标体系，针对不同受众建设网络教学资源。内容应包含授课视频、动画资源、疑难问题解答、自我测试和在线交流等功能模块。

(2)教材建设应满足上述教学改革的需求。微处理器介绍不要拘泥于单一接口背景机，兼顾主流PC技术、单片机等其他微机；硬件编程教学既可用传统汇编语言又可用C语言；内容组织要以计算思维能力培养为切入点，重视具有实际应用背景的典型案例介绍，从问题的引入、设计思路，到设计方法，一步步引导启发,让学生掌握应用硬件为主技术，从硬件与软件的结合上分析、解决实际问题的思维方式,培养思维能力和设计开发能力。各种案例的分析、求解兼顾PC和单片机解决方案，应用编程也要兼顾汇编和C语言两种答案，充分体现接口的基本原理不因背景机改变而改变的指导思想，满足不同专业、不同学时宽口径教学需求。

(3)教学辅导书要组织有经验教师编写，内容要包含重点内容提要，疑难问题解答，典型案例分析和教材习题选解。案例选择要由浅入深，分析解答要有利于培养学生被动模仿到主动设计的思维方式，习题选解要留有学生练习的余地。

4 结语

本文根据微机应用的发展趋势，结合我校实际对原有“计算机硬件技术基础B”和“单片机系统设计”课程整合，建立了兼顾PC、单片机和嵌入式技术的硬件系列课程教学体系。在改革基础上，结合“十二五”国家级规划教材建设，编著出版了兼顾PC和单片机，汇编和C语言编程的《微型计算机原理与接口技术(第二版)》课程教材及配套教学辅导书，满足了教改需求。未来我们将加大对“微机原理与接口技术”课程实验的改革，在有限的学时内兼顾好PC和单片机技术的应用。

[1] 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核心课程教学实施方案[M]. 北京：高等教育出版社. 2011:120-150.

[2] 陈立刚，徐晓红. 计算机硬件技术基础教学内容改革[J]. 南京：电气电子教学学报.2013(2):30-32.

[3] 邹逢兴主编，陈立刚等编著.微型计算机原理与接口技术(第二版)[M]. 北京：清华大学出版社.2015:285-287

Thinking of Reformation in Computer Hardware Courses

CHEN Li-gang， XU Xiao-hong， WANG Ping

(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

According to the 2009 educational project about hardware programming in C language, we need to further dilute interface background machine. However, because the aggregate class hour declines, improving the course structure via establishing a system which combines PC, MCU and embedded system of hardware is necessary. Consequently, the revolution about how to cover key points, how to overcome difficult points and how to make courses more effective and efficient should be discussed.

course structure; computer hardware; interface technology; reformation of teaching

2016-03-16;

2016-05- 24

论文获2014湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于计算思维的课程改革与建设”(湘教通[2014]247号)

陈立刚(1964-)，男，硕士，副教授，主要从事计算机测控方面的教学和科研工作，E-mail:chenligang64@126.com

G642.0

A

1008-0686(2017)01-0009-04