“微型计算机原理及应用”课程的教学改革

马义德，王兆斌，绽 琨，汤书森，马 俊

（1．兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州730000；2．青海师范大学物理与电子科学学院，青海 西宁810000）

0 引言

“微型计算机原理及应用”是国家教育部规定的综合性大学电子信息方向的专业基础课与专业主干课，也是信息与通信工程、电气工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等专业的必修课程，是信息学科相关专业后续课程学习的非常重要的纽带和桥梁，也是嵌入式系统相关课程学习的最基础的课程。

“微型计算机原理及应用”是一门面向应用的、具有很强的实践性与综合性的课程，主要讲述微型计算机硬件电路体系结构和工作原理、微机汇编编程原理和常用接口芯片使用方法、中断控制、DMA访问和程序控制的输入输出技术等的基本原理、对应芯片及其应用技巧。同时本课程的教学还与全国大学生电子设计竞赛、全国大学生挑战杯大赛、全国大学生网联网大赛、全国大学生创新创业以及相关的嵌入式系统竞赛等相结合，对提高学生的实践动手能力和知识应用能力，锻炼学生解决生产生活实践中的各种微型计算机应用设计和分析等问题的能力发挥了重要作用。

课程具有以下特点：工作原理与编程方法、接口技术并重；软件与硬件结合；理论与实践结合。

课程的这些特点要求学生具备一定的软硬件专业基础，并能够在本课程学习的基础上，融会贯通，举一反三，为后续专业课程的深入学习奠定基础。从而将多门课程紧密联系起来，形成以“微型计算机原理及应用”为核心的主干基础课程群。

“电路分析”、“数字电路”及“模拟电路”等课程为“微型计算机原理及应用”提供硬件分析基础，为相关硬件电路功能的分析提供保证。“C语言”和“汇编语言”则为“微型计算机原理及应用”提供软件编程基础，通过C语言或汇编语言程序可以控制硬件。“微型计算机原理及应用”中对计算机CPU硬件工作原理的分析方法又为“嵌入式系统ARM”、“嵌入式系统MCU”及“数字信号处理DSP”等后续课程的分析和应用提供基础。

在国内外同类课程中，“微型计算机原理及应用”课程属计算机应用学科的偏硬件课程，是一门实践性很强的技术技能课。随着嵌入式系统发展与应用的深入，微型计算机新技术的发展，该课程已成为工科类院校必修的计算机应用专业基础课程。强调“学用结合”。与国内外同类课程相比，该课程涉及的内容多、更新快、实践性强。

正因如此，几乎每一个牵扯到信息学科的工科专业都开设此课程，相关教学科研人员非常关心该课程内容更新、教材建设、实验系统开发，这些同时也一直是国内外高等教育出版单位、教学仪器公司关注的焦点。

1 微型计算机原理课程教学的现状

IT技术的日新月异变化，促使国内外高校不断更新微型计算机原理及应用类课程的教学内容和教学方法。目前，我们对国内外各高校关于微机原理及应用类课程的开设情况进行了调查研究，发现有如下六个不同的开设方向。

（1）基于ARM体系结构的开设：这种开设迎合了当前的嵌入式系统发展中关于ARM结构的大量应用，特别是在移动通信系统，网络技术发展产品研发等方面，精减指令集RISC和软核设计是它的特色。但是，高集成度的芯片设计和软核包装，使得对于微机原理中的中断技术、DMA技术等相关可编程的输入输出接口技术的讲解缺乏直观的实例分析，而此类技术恰是目前嵌入式系统发展和应用的非常重要的技术。

这类课程关注微处理器系统结构与嵌入式系统设计，重点讲解ARM微处理器的IP核及其软硬件系统的结构及组成，从逻辑电路和ARM核的设计层次，介绍控制器和数据通路等主要功能部件的工作原理和内部结构，揭示微处理器系统中软件指令和硬件电路之间的接口及综合设计技术，讨论嵌入式系统的软硬件协同设计及基于ARM核的SoC设计技术。

（2）基于单片机体系结构的开设：这种开设常见的有intel 51系列和Ti开发的msp430系列的体系结构。这类课程实验体系容易配套完成，应用性也很强，但相比于8位的MCU讲解整个计算机的软硬件工作原理来说，还是有些不足，主要是：缺乏关于可编程接口芯片并行8255、中断技术8259、DMA技术8257等直观易懂的经典实例，更缺乏作为多媒体处理的指令流和VGA等多种显示技术的课程内容，尽管后续会有16位节能降耗的Ti的MCU系列满足快速廉价的需求，但将其作为微机原理基础课程内容开设是不太妥当的，而作为微机原理后续的嵌入式系统课程群里面的一个单元课程设置倒是很恰当。

（3）基于FPGA的体系结构的开设：这种开设的特色是从大的软件平台开始，设计从I／O，CPU入手，然后逐步实现整体计算机模块的设计，迎合了目前大集成度的片上SOC系统的设计和开发，能将芯片设计的概念和硬件电路实现试验完成，还能嵌入UCOS等嵌入式操作系统，这类课程适合基于逻辑设计开始的计算机类的专业的微机原理课程的开设，对于电类或者非计算机类专业的学生来说，缺乏直观的硬件工作原理的讲解的环节，特别是流水线、微型计算机中的三大输入输出技术的直观的讲解和应用实例，对从电子技术基本课程后的过度学习有一定的难度。

（4）基于intel80X86体系结构的开设：这是经典的也是应用非常广泛的，是大部分院校乐于采纳的开设，特点是：实验体系结构容易设计，常用的经典芯片种类多，微型计算机技术中的各个单元环节都有相应的分离的集成电路芯片提供，无论是对常见的数字驱动门、数字锁存器、译码编码电路，还是微机的DMA、中断技术、可编程控制的其他I／O技术都有独立的经典的芯片，便于实验应用和实际教学展示，是很受欢迎的课程类别选择。

（5）基于DSP体系结构的开设：这种开设的特点是对编程水平要求高，适合于对软硬件设计适应性强的高水平的实验班或者基地班的课程的教学，因为，DSP本身的参数设置复杂，集成度高，哈佛CPU体系结构等的特点，一般来说教学有一定的难度。

这类课程开设通过重点讲解intel80X86体系结构，再对比分析DSP原理，重点在实验课程中学习和实践DSP相关的实验和编程应用。

（6）不设置微机原理课程的开设：这种类型适合为高起点的专业和优秀的学生而开设，是目前正在试验和讨论的一种模式。

2 我们的选择

借鉴上述教学研究和教学改革调研，结合我们主干课程群建设的实践，在课程的开设方面，我们的思路还是继续保持自己的风格特色，仍然进行基于X86的微机原理课程的开设，在教学中尽量引入最新的技术发展和各种因素的新的研发和应用工程讲解。

经过多年的教学经验总结和实践积累，我们编写的《微型计算机原理及应用》教材选入教育部十一五规划教材，并在高等教育出版社出版发行。

我们围绕“微型计算机原理及应用”教学和实验为基础平台，结合计算机技术新发展，提出主干基础课程群的思想进行了多年的教学改革实践，主干基础课程群包括“电路分析”、“数字电路”、“模拟电路”、“微型计算机系统”、“硬件编程语言”、“嵌入式系统”（MCU、DSP、ARM等）等课程，围绕嵌入式应用开发的处理器、实时操作系统等及开发工具引导学生由浅入深、逐步掌握嵌入式系统设计的理论与技术，进行具有实践技能和创新型意识的人才培养。

针对“微型计算机原理及应用”课程的发展和高级语言使用环境的更新，在清华大学出版社支持下，2014年初对我们在2008年编写的实验教材《微机原理接口技术实验与实践教程》（清华大学出版社．2008．07）进行了更新，又在清华大学出版社出版了基于VC+汇编的实验教程《微机原理与接口技术（VC+汇编）实验教程》（清华大学出版社．2014．04）。另外，针对嵌入式课程群团队建设的进展和我校嵌入式教学科研的需求，在Ti大学计划支持下，我们编写了16位的MCU教材《MSP430系列单片机原理与工程设计实践》（清华大学出版社2014．10），2016年该教材第二版本经过电子信息学科教指委推荐进入教育部十二五规划教材。基于该教材对我校原来单片机intel 51系列的课程进行提升和改革，经过多年的教学实践，学生获得了最新的16位嵌入式系统硬件开发的课程学习和实验技能培养，这对于创新创业活动开展和学生就业是很好的锻炼和实践技能训练。

在我校教务处支持下，“微型计算机原理及应用”课程于2005年建设成为甘肃省精品课程，经过10多年来的教学实践和经验总结，我们建设了一支由老中青结合的教授、副教授、高级实验师及博士讲师组成的教学科研团队，有了很好的相关教学科研基础的积累，利于该课程的持续更新和发展建设。并于2013年获批为甘肃省优秀教学团队。

基于创新创业活动的开展，通过产学研结合我们开展了进一步的“微型计算机原理及应用”课程的教学研究与改革，鼓励学生积极参加各种类别的创新与微型计算机应用实践开发大赛，例如张良等同学参加2015 ARM ST全国大学生智能设备创新大赛，获得西部赛区二等奖。还有学生在积累和分析总结教学改革经验基础上，将竞赛内容和工程实践进行总结发表了实践论文3篇：① 张良，葛荣骏，张志钊，马义德．“基于FPGA和Nios系统设计的智能电子测试仪器”，（微型机与应用，2016年04期）；② 何晋红，潘桃，于婷，马义德．“基于STM32的通用高速编程器的设计与实现”，（电子技术，2016年04期）；③ 王兆滨，马义德，张红娟，汤书森，绽琨．“新形势下嵌入式系统应用开发人才培养模式探索”，（高等理科教育，2013年04期）。

各种竞赛活动使理论与实践结合，既锻炼了教师科研实践技能，又提高了青年教师解决实际问题的能力。

3 结语

总结多年来的教学科研实践，我们持续进行了“微型计算机原理及应用”课程教学研究与改革。在探索产学研结合新途径过程中，我们完成的USB、DSP和ARM等课题支持了该课程群的教学实践，授权多项国家专利。先后获得：① 甘肃省教学成果一、二等奖、兰州大学教学成果一、二等奖等多项奖励；②甘肃省自然科学奖、高校科技进步奖等多项；③指导学生参加全国各类竞赛活动，先后获得全国大学生电子设计大赛一、二等奖和甘肃省特等奖、甘肃省挑战杯特等奖；④先后指导了国家高等学校质量工程项目和国家大学生创新性实验计划项目、鼓励学生参加全国大学生电子技术大赛、TI-DSP大赛、嵌入式系统设计应用大赛；⑤荣现多名“君政学者”（秦惠君与李政道主建的“中国大学生见习进修基金”获奖者）；⑥建成2013年度甘肃省“嵌入式系统课程群”教学团队。

经过教学实验团队的多年努力，我们已经形成了一个中青年教师为主的“微机原理及其应用”主干基础课成群教学团队，团队成员积极投入教学改革研究、教学内容更新、教学方法改进、教材撰写、实验技术和方法的研究和探讨等活动中，制定了一套完整建设思路和具体计划，并一直坚持努力，不断加强团队合作，加强教学研讨和经验交流，促进教师教学发展，加快课堂教学改革，提高团队实力和整体教学质量。