面向“双创”的典型接口芯片实验改进与设计

师 维, 饶 坚, 陈 润, 琚生根, 李 勤

(1. 四川大学 计算机学院, 四川 成都 610065；2. 四川大学 外国语学院, 四川 成都 610064)

“大众创业、万众创新”是我国经济发展进入新常态时期,国务院提出的引领经济发展的重大举措[1-2],我校作为国家首批“双创”示范基地,将双创示范基地建设作为实现跨越式发展的重大机遇,以创新创业教育改革作为推动学校教育教学改革的突破口,将创新创业教育贯穿人才培养全过程,促进创新创业教育与专业教育有机结合,从而全面提升学生创新创业知识、能力、品质和本领[3]。为了实现这一目标,我校提出了一系列的政策和举措,提出了建立和实施符合“双创”要求的大学新型人才培养体系和人才培养方案、推进适合“双创”要求的科技创新和成果转化体制改革与创新等主要建设任务。作为一门实践性和专业性都很强的学科,计算机学科的教育教学也面临着机遇和变革。

1 实验项目改进的背景和意义

一直以来,我院都大力投资计算机专业实验室基础设施建设,积极推进专业实验课程的教学改革,开展了多项省级、校级教改项目和实验技术立项,取得了一定的成绩。作为计算机专业核心的硬件课程之一,微机原理与接口技术的实验课程经历了多次改革[4],从最初的验证性实验为主,到后来的实践性、综合性实验的大量开展,很好地培养了学生的动手实践能力和独立思考能力,辅助和提高了理论课教学质量和效果。但创新创业教育改革对这门课程提出了新的挑战,目前该门课程虽然增加了实践性、综合性和少量创新型实验的内容,但大部分实验项目对创新创业的针对性不强,且现有的实验项目与实际应用联系也不够紧密,不利于学生创新创业知识的培养,在学生学习兴趣的激发上也有所欠缺。存在的问题主要有以下几点。

(1) 综合性、创新性实验总数不够,特别是创新性实验,没有形成具有层次性、系统性的题库,因此在覆盖学生需求的多样性和针对性上都有所欠缺,特别是对个别学有余力、极具创新精神的学生,现有的实验没有办法完全满足他们的需求,影响了创新能力的培养。

(2) 部分实验项目实验结果不够直观形象,启迪性内容少,不利于学生学习兴趣的调动和激发,部分学生尤其是汇编基础较差的学生仍会感到枯燥乏味,影响了创新精神的培养。

(3) 部分实验项目中使用器件与实际应用领域有差距,结合不够紧密,同时部分实现问题的方法也与实际应用有差距,虽然产生这种情况的根本原因是因为微机接口这门课程更偏向基础知识的学习,但如果脱节太过严重也会对学生未来的创新创业工作产生负面影响。

因此,在“双创”这一时代背景和现实情况下,本文以创新创业能力的培养为目标,以我院目前使用的TD-PITE集成实验设备为基础,针对微机原理与接口技术课程中典型的接口芯片,再配合紧跟行业标准的接口芯片或终端设备,对现有的实验项目进行升级改造或重新设计,从而为学校的双创示范基地建设添砖加瓦。

2 实验项目详细设计

2.1 设计思路

接口芯片实验项目的改造和设计主要立足于接口课程中重点学习的几个接口芯片,主要包括并行接口芯片8255、定时/计数器芯片8253/8254、中断控制器芯片8259A、A/D转换芯片0809、D/A转换芯片0832等[5-6]。这些芯片分别具有不同的功能,但都是计算机内部CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁,通过这些可编程的典型接口芯片的学习和实验,可以使学生熟悉计算机中各种类型的接口及其应用,树立起微型计算机体系结构的基本概念,掌握微机的硬件组成及使用。这些芯片既可以独立使用完成某个具体功能,也可以配合实现更加复杂的功能[7-9]。

与原有实验项目相比,“双创”型实验项目从设计到开展都应立足于创新创业教育和专业教育,在设计和实施过程中需要满足以下三个条件。

(1) 与专业教育紧密结合。实验项目应深入挖掘学科专业知识、理论和实践中的创新型特质,将创新创业的内容与专业实践教学有机融合、有效衔接,开拓学生的专业创新思维。

(2) 面向实践。实验项目应结合专业动态,融入学科新技术、新标准,紧跟时代潮流和行业技术水平,从而避免理论与实践的脱节,从而达到在专业教育中培养学生创新创业能力的目的。

(3) 综合性强。实验项目设计上应包含多个部件,解决问题的方法上最好能有多种方案,从而锻炼学生综合解决问题的能力和创新开拓能力。

2.2 电子发声实验改造

目前我院开展的电子发生器实验主要来源于教材示例的升级改造,实验利用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。该实验结合了8255和8254两个芯片,使学生在验证课本知识的同时进一步理解了这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。现在看来,该实验实现的电子发生器功能过于简单,更偏向基础能力的培养,在创新创业能力培养上有所不足,因此可以对该实验进行拓展和改造,实现面向实践的、功能更为丰富和全面的模拟电子琴。

实验名称：模拟电子琴实验。

实验目的：

(1) 了解计算机发声原理；

(2) 掌握8254的工作方式及应用编程；

(3) 加深对8255可编程并口芯片的应用理解；

(4) 加深对8259A可编程中断控制器芯片的应用理解；

(5) 了解键盘扫描的基本原理；

(6) 进一步锻炼汇编程序设计能力。

实验内容：连接线路,编写程序,要求主程序运行后,实验箱的扬声器发声,实现预期的电子琴效果。

实验说明及步骤：一个音符对应一个频率,将对应一个音符频率的方波输出到扬声器就可以发出这个音符的声音。音符与频率的对照关系如表1所示。可以把发音频率放入内存单元,建频率表,需要时取出计算计数初值,计数初值=输入时钟/输出频率。

表1 音符与频率对照表

音频的持续时间取决于按键的节拍,下一个键被按下前,之前的音调会一直持续。并设置一个结束键值,按下该键后演奏结束,声音停止。

实验流程如图1所示。

图1 模拟电子琴实验流程图

实验接线如图2所示。

除了这些基本的功能,还可以在教学过程中要求部分学有余力的学生进一步完善电子琴的功能,例如能够演奏更多音域的音符、能够通过PC机按键发声、实现自动演奏和手动演奏的功能切换等。

2.3 模拟电子时钟实验设计

模拟电子时钟是机械、自动化工业技术方面的经典实验,大部分实验都通过单片机或专用时钟芯片实现[10-11],可实现时间、日历、温湿度显示等多种功能。利用现有设备,也可设计一个较简易的模拟电子时钟,这要求学生能够综合各个典型接口芯片功能,并具有较强的汇编程序设计能力。该实验能够较好地训练学生的动手实践和创新能力,同时项目来源于实践,贴近生活,可以激发学生的学习兴趣,避免枯燥乏味。

实验名称：模拟电子时钟实验。

该国财政部长奇纳马萨（Patrick Chinamasa）在2018年预算报告中表示，截至2017年12月底，政府已与46404名玉米种植者签订了根据SAPP计划种植玉米的合同，总面积已达219900公顷。在津巴布韦国内，22万公顷的玉米生产需要种子4109吨，底肥29489吨，硫酸铵（无水）或硫代硫酸铵（液体）作为追肥需要1229吨。

实验目的：

(1) 掌握8254编程定时/计数器的工作方式及应用编程；

(2) 掌握8255可编程并口芯片的工作方式及应用编程；

(3) 加深对8259A中断控制器芯片的应用理解；

(4) 掌握数码管显示的基本原理；

(5) 熟悉软硬件设计过程。

实验内容：利用8254、8259A、8255芯片和七段数码管设计一个电子钟电路,并编写程序使电子钟具备时、分、秒的数值显示功能,还能设定时间、闹钟等。

实验原理：利用8254做定时器，每秒产生一个脉冲信号输出到8259A产生中断,在中断处理程序中对时间计数。利用8255连接LED数码管进行时间显示,并将开关连接8255C口实现时间的复位和设置。

实验说明及步骤：设置8253的计数器通道1工作在方式3,通过计数初值设置传输周期为1 s的方波来产生中断。用3个存储单元来存放时间值,分别对应时、分、秒。每次中断到来时,秒位加1,加到60则分位加1,秒位清零。再判断分位是否加到60,是则时位加1,分位清零,以此类推,从而实现时间的变化。在主程序中读取内存单元的值进行转换后送到数码管进行显示。同时,将实验箱的拨码开关连接到8255C口的低3位,当K0按下时将时间复位,K1按下时将时位加1,K2按下时将分位加1。

实验流程如图3所示,实验接线如图4所示。

该类实验的开展可以采用课程设计的方式,要求学生认真完成硬件和软件设计的全过程,并提交详细的课程设计报告而不是传统形式的实验报告,从而进一步锻炼学生的工程设计能力和应用能力。

图2 模拟电子琴实验连线图

图3 模拟电子时钟实验流程图

图4 模拟电子时钟实验连线图

3 结语

创新创业的精神、素质和能力的培养对于全体学生而言都十分重要,无论他们将来走到任何工作岗位都是适用的。本文以我校“双创”示范基地建设为背景,以创新创业教育改革为指导,以学生的创新创业能力培养为目的,对现有微机接口技术的实验项目进行了升级改造和重新设计,使得该门学科的实验教学具备了创新创业的特质,符合我国目前所提出的将创新创业教育融入高校的培养体系,贯穿人才培养的全过程的指导思想。改造和设计的实验项目立足于我院接口技术实验开展的实际情况,进一步发掘了现有实验设备的潜力,节约了资源。今后应设计更多类似的综合性强、与实践联系紧密的实验项目,例如多功能波形发生器、智能家居创新型实验等,并进一步完善该类实验功能,对实验功能进行层次划分,设计不同要求的实验来满足不同水平学生的需求。