“微机原理与接口技术”课程综合改革

何永玲， 余华芳

(广东药科大学 医药信息工程学院， 广东 广州 510006)

“微机原理与接口技术”课程综合改革

何永玲， 余华芳

(广东药科大学 医药信息工程学院， 广东 广州 510006)

本文分析了“微机原理与接口技术”课程特点，针对我校电子信息工程专业课程设置和培养目标，在教学实施中引入EMU8086和Proteus等先进的仿真设计软件，对课程内容和结构进行了优化。实践表明，改革后课程衔接更自然，课程重点更突出，教学效率有显著提高。

微机原理与接口技术；EMU8086；Proteus

0 引言

“微机原理与接口技术”是电子信息工程专业的一门重要主干课程，也是理工科学生学习和掌握计算机硬件基础知识、汇编语言程序设计及常用接口技术的入门课程，在各门专业课及基础专业课之间起着承上启下的衔接作用。

通过本课程的学习，学生从应用的角度出发，在理论和实践的基础上掌握微型计算机的基本组成、工作原理、汇编语言程序设计、接口电路及硬件的连接，建立系统的整体概念，具有微机应用系统软、硬件开发的初步能力[1]。

本课程内容兼顾了硬件和软件两方面，具有涉及知识面广、实践性强的特点。

针对该课程的特点以及我校电子信息工程专业的课程设置情况，我们尝试着将该课程与“单片机原理与应用”课程进行整合和优化，整合后，两门课程各自内容精炼且无重复，结构更趋合理。同时在该实践教学中，在传统实验箱实验的基础上引入先进的虚拟仿真和设计技术，增强学生的设计能力。

1 “微机原理与接口技术”课程特点

1.1 课程涉及知识面广，学习难度大

“微机原理与接口技术”这门课程主要讲述计算机的硬件结构及工作原理，通过分析CPU、存储器、总线、输入设备及输出设备，使学生熟悉这四大部件的结构及功能，掌握计算机的工作方式以及计算机内部数据处理和控制过程，同时还要掌握对应CPU的汇编语言程序设计方法和相关接口的具体应用，该课程的内容覆盖面广、内容多、知识更新快，难度大、较抽象。再加上学生普遍有一种“重软件，轻硬件”心态，对课程不加重视，历来的反映是“教师难教，学生难学”。

1.2 实践性强，实践环境要求高

“微机原理与接口技术”课程是一门实用性和动手性能力要求高的计算机硬件类课程。很好地掌握这门课程的内容并具备一定的实际电路设计和编程能力，将会使学生在深刻理解计算机软、硬件关系及以后的计算机应用开发中打下必要的计算机硬件基础。但是在传统的实验箱上，大部分连线已经固定，学生实际操作较少也较简单，实验未能使学生对理论课程内容有深刻的感性理解；另一方面，学生没有良好的实验环境，课后实践时间和机会很少[2]。

1.3 在课程体系中地位重要

“微机原理与接口技术”课程以“数字电子技术”、“模拟电子技术”以及“高级语言程序设计”为前导课程，其后续课程众多，如“单片机技术”、“可编程控制器原理及应用”、“DSP 原理及应用”、“嵌入式系统设计”、“计算机控制技术”等都需要它作为学习的重要基础。很多学校由于专业设置学时有限，很多课程无法开设，但是为了让学生掌握计算机系统的思想，仅仅开设一门微机原理与接口技术课程，可见该门课程的重要性。

2 我校电子信息工程专业课程设置

我校电子信息工程专业2010年开始招生，是硬件与软件结合，面向应用的技术型专业。专业培养的目标是把学生培养成掌握电子技术、计算机技术、信息工程、通信工程技术的基本理论、基本知识、基本技能的高素质、实用性、富有创新精神的应用型人才。基于目前企业的需求，选择嵌入式系统为本专业的电子应用型人才培养方向。相关课程设置包括：专业基础课程里的“电路分析基础”、“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“C语言程序设计”，专业课程里的“微机原理与接口技术”、“单片机原理与应用”、“嵌入式系统原理与应用”；特色课程里的“EDA技术与应用”、“DSP技术及应用”；实践教学环节里有电子工艺实习、电子设计创新实验、毕业设计与毕业论文。

从上面的专业培养目标和课程设置可以看出，在整个课程体系里，“微机原理与接口技术”是处于一个非常重要的环节，为专业基础课和专业课以及特色课起到了承上启下的作用，如图1所示。

图1 电子信息工程专业硬件课程设置图

3 课程改革的具体内容

3.1 课程内容和结构优化

作为专业基础课程，“微机原理与接口技术”教学内容组织的指导思想是：从基本概念、基本分析方法和基本能力的培养入手，在保证基础的前提下，吸收计算机技术发展中涌现的新技术，科学合理地更新课程内容，保持先进性和时代性[3]。课程内容上，还是保持CPU、存储器、总线和接口的四大主件，主要侧重CPU及其对应汇编语言程序设计和存储器上面，将接口和总线的大部分内容放到“单片机原理与应用”课程里。这在某种程度上减少了该门课程内容，降低了难度，同时对于课程衔接很有好处，使微机原理和单片机原理两门课程各有侧重，便于学时分配和内容精讲。

具体来讲，选择英特尔8086 CPU 为微处理器部分的主要内容，详细讲解其BIU 和 EU架构、管脚信号、总线时序、指令系统(汇编语言程序设计)、存储器管理和配置、中断系统等；I/O 接口部分以并行接口和定时器/计数器接口为例，重点讲解 I/O 接口的基本原理及典型电路。同时将Cache、超标量流水、虚拟存储器、分支预测、PCI 总线和多核处理器等现代微机系统中具有代表性的新技术合理引入到教学中来。这种内容组织有利于学生对微机基本原理的学习，避免纠缠于高端CPU 等一些技术细节中，简化基础知识的学习，同时开阔了学生的视野，也为他们以后的学习和研究作了铺垫。

3.2 虚拟仿真和先进设计技术的使用

随着计算机技术的发展，虚拟仪器和仿真技术已经成为现代科学研究和技术开发的利器。同样，将这些现代仿真技术引入课堂教学中，弥补课堂教学中只有枯燥讲解而缺乏实际操作环境的不足，可以大大提高教学质量。

1) EMU8086 仿真软件的使用

在讲解寻址方式的过程中，涉及到CPU内部寄存器和外部存储单元内容等问题，学生往往会觉得枯燥和难以理解。在课堂上使用EMU8086 仿真软件可以很好地解决此问题。EMU8086 是基于 8086 CPU 的仿真软件，与8086 的功能十分相近，它能模拟真实微处理器的每一步骤，并显示内部寄存器、存储器、堆栈、变量和标志寄存器，而且其中任何一个数值都可通过鼠标双击来改变[4]。图2和图3是EMU8086 窗口界面功能模块和内存单元信息图。由图可知，程序可以单步执行或全速执行，每步执行过程中，各寄存器内容变化一目了然，学生可以设置观察窗口观察变量与堆栈变化等，形象具体，容易理解。学生在实践环节中，汇编语言程序设计部分实验均可在EMU8086 仿真软件上完成，无需在指定实验室和实验箱上操作，十分方便。

2) Proteus仿真设计软件的使用

传统的“微机原理与接口技术”实验大部分在实验箱上进行。在操作实验中，因为上课时间有限，学生没有足够时间对一些异常现象或预期之外的情况进行仔细观测、研究和试验。加之由于实验设备的大部分连线已经固定，学生实际设计操作过少，只需要连接少量引线即可完成，实验未能使学生对理论课程内容有深刻的感性理解。甚至由于实验设备接口的频繁插拔，造成设备的损坏而一时难以修复，导致实验无法继续进行。因此，我们在实验教学中引入了先进的虚拟仪器仿真技术Proteus，来弥补实验室和实验箱实验的缺陷，增加实验的灵活性，加深学生对课程内容的理解。

Proteus是一款嵌入式系统设计和仿真软件，可以分析、仿真各种模拟器件和集成电路，同时提供示波器、逻辑分析仪、信号发生器等虚拟仪器仪表。在Proteus7.5SP3 版本中，已经开始提供对8086芯片及相关接口的支持，可以用于微机原理实验教学的虚拟仿真[5]。

图2 Emulator 窗口界面功能模块

图3 Emulator 内存单元查看方法图

图4给出了一个利用 8086 CPU、8255A进行开关实验的仿真原理图，加上相应汇编程序，则可实现开关控制LED亮灭的仿真。同样地，我们可以利用 Proteus 实现微机原理实验教学中的内存扩展、并行接口、串行接口、A/D 和D/A 转换、中断等实验[6]。同时，也可以利用 Proteus仿真软件进行开放性实验的设计，提高学生的综合知识应用能力。

图4 Proteus仿真开关控制LED实验图

4 结语

通过对“微机原理与接口技术”课程内容与结构的整合优化，该课和后续课程之间的衔接以及课程本身的重点更加明显，教学效率更高。在教学和实验过程中引入EMU8086和Proteus后，学生学习的积极主动性有了明显提高，课堂气氛活跃，参与度高，上课和实验效果更好。对相关后续课程和设计的跟踪调查也表明，学生在此课程中普遍提高了知识综合和系统设计能力。

(何永玲等文)

[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用[M].第3版.北京:清华大学出版社,2007:421-422.

[2] 陈治明.微机原理与接口技术课程的教学优化[J]. 北京: 计算机教育,2011(11):78-81.

[3] 王志军,王克义，杨延军.微机原理教学中几个问题的探讨[J]. 北京:计算机教育,2010(7):64-66.

[4] 谷兆麟.基于 EMU8086 的微机系统的辅助学习方法[J]. 天津:天津工程师范学院学报,2006,16(4):26-28.

[5] 乔建华,李临生,田启川. Proteus 在单片机教学中的应用分析[J]. 南京:电气电子教学学报, 2008,30(3):70-73.

[6] 吉向东, 李新鄂. 基于Proteus的微机原理实验仿真[J]. 哈尔滨:信息技术, 2010(2):36-39.

Comprehensive Reform of Microcomputer Principle and Interface Technology Course

HE Yong-ling, YU Hua-fang

(CollegeofMedicalInformationEngineering,GuangdongPharmaceuticalUniversity,Guangzhou510006,China)

The characteristics of Microcomputer Principle and Interface Technology course are analyzed. Aimed at the curriculum settings and training target on the specialty of electronic information engineering in our school, the content and structure of this course are optimized and the advanced simulation softwares of EMU8086 and Proteus are introduced in teaching practice. The reformation practice indicated that the connections between this course and others are more closely, the emphasis of the course is more highlighted and the teaching efficiency is remarkably improved.

microcomputer principle and interface technology；EMU8086；Proteus

2016-07-22;

2016-09- 30

广东药学院教改项目(GYJGYB201511);广东药学院“微机原理与接口技术”优质课程项目

何永玲(1981-)，女，硕士，讲师，主要从事微型机、嵌入式系统的教学和研究工作，E-mail：524932995@qq.com

G420

A

1008-0686(2017)03-0098-04