“微機原理與接口技術”課程綜合改革

何永玲， 余華芳

(廣東藥科大學 醫藥信息工程學院， 廣東 廣州 510006)

“微機原理與接口技術”課程綜合改革

何永玲， 余華芳

(廣東藥科大學 醫藥信息工程學院， 廣東 廣州 510006)

本文分析了“微機原理與接口技術”課程特點，針對我校電子信息工程專業課程設置和培養目標，在教學實施中引入EMU8086和Proteus等先進的仿真設計軟件，對課程內容和結構進行了優化。實踐表明，改革后課程銜接更自然，課程重點更突出，教學效率有顯著提高。

微機原理與接口技術；EMU8086；Proteus

0 引言

“微機原理與接口技術”是電子信息工程專業的一門重要主干課程，也是理工科學生學習和掌握計算機硬件基礎知識、匯編語言程序設計及常用接口技術的入門課程，在各門專業課及基礎專業課之間起著承上啟下的銜接作用。

通過本課程的學習，學生從應用的角度出發，在理論和實踐的基礎上掌握微型計算機的基本組成、工作原理、匯編語言程序設計、接口電路及硬件的連接，建立系統的整體概念，具有微機應用系統軟、硬件開發的初步能力[1]。

本課程內容兼顧了硬件和軟件兩方面，具有涉及知識面廣、實踐性強的特點。

針對該課程的特點以及我校電子信息工程專業的課程設置情況，我們嘗試著將該課程與“單片機原理與應用”課程進行整合和優化，整合后，兩門課程各自內容精煉且無重復，結構更趨合理。同時在該實踐教學中，在傳統實驗箱實驗的基礎上引入先進的虛擬仿真和設計技術，增強學生的設計能力。

1 “微機原理與接口技術”課程特點

1.1 課程涉及知識面廣，學習難度大

“微機原理與接口技術”這門課程主要講述計算機的硬件結構及工作原理，通過分析CPU、存儲器、總線、輸入設備及輸出設備，使學生熟悉這四大部件的結構及功能，掌握計算機的工作方式以及計算機內部數據處理和控制過程，同時還要掌握對應CPU的匯編語言程序設計方法和相關接口的具體應用，該課程的內容覆蓋面廣、內容多、知識更新快，難度大、較抽象。再加上學生普遍有一種“重軟件，輕硬件”心態，對課程不加重視，歷來的反映是“教師難教，學生難學”。

1.2 實踐性強，實踐環境要求高

“微機原理與接口技術”課程是一門實用性和動手性能力要求高的計算機硬件類課程。很好地掌握這門課程的內容并具備一定的實際電路設計和編程能力，將會使學生在深刻理解計算機軟、硬件關系及以后的計算機應用開發中打下必要的計算機硬件基礎。但是在傳統的實驗箱上，大部分連線已經固定，學生實際操作較少也較簡單，實驗未能使學生對理論課程內容有深刻的感性理解；另一方面，學生沒有良好的實驗環境，課后實踐時間和機會很少[2]。

1.3 在課程體系中地位重要

“微機原理與接口技術”課程以“數字電子技術”、“模擬電子技術”以及“高級語言程序設計”為前導課程，其后續課程眾多，如“單片機技術”、“可編程控制器原理及應用”、“DSP 原理及應用”、“嵌入式系統設計”、“計算機控制技術”等都需要它作為學習的重要基礎。很多學校由于專業設置學時有限，很多課程無法開設，但是為了讓學生掌握計算機系統的思想，僅僅開設一門微機原理與接口技術課程，可見該門課程的重要性。

2 我校電子信息工程專業課程設置

我校電子信息工程專業2010年開始招生，是硬件與軟件結合，面向應用的技術型專業。專業培養的目標是把學生培養成掌握電子技術、計算機技術、信息工程、通信工程技術的基本理論、基本知識、基本技能的高素質、實用性、富有創新精神的應用型人才?；谀壳捌髽I的需求，選擇嵌入式系統為本專業的電子應用型人才培養方向。相關課程設置包括：專業基礎課程里的“電路分析基礎”、“數字電子技術”、“模擬電子技術”、“C語言程序設計”，專業課程里的“微機原理與接口技術”、“單片機原理與應用”、“嵌入式系統原理與應用”；特色課程里的“EDA技術與應用”、“DSP技術及應用”；實踐教學環節里有電子工藝實習、電子設計創新實驗、畢業設計與畢業論文。

從上面的專業培養目標和課程設置可以看出，在整個課程體系里，“微機原理與接口技術”是處于一個非常重要的環節，為專業基礎課和專業課以及特色課起到了承上啟下的作用，如圖1所示。

圖1 電子信息工程專業硬件課程設置圖

3 課程改革的具體內容

3.1 課程內容和結構優化

作為專業基礎課程，“微機原理與接口技術”教學內容組織的指導思想是：從基本概念、基本分析方法和基本能力的培養入手，在保證基礎的前提下，吸收計算機技術發展中涌現的新技術，科學合理地更新課程內容，保持先進性和時代性[3]。課程內容上，還是保持CPU、存儲器、總線和接口的四大主件，主要側重CPU及其對應匯編語言程序設計和存儲器上面，將接口和總線的大部分內容放到“單片機原理與應用”課程里。這在某種程度上減少了該門課程內容，降低了難度，同時對于課程銜接很有好處，使微機原理和單片機原理兩門課程各有側重，便于學時分配和內容精講。

具體來講，選擇英特爾8086 CPU 為微處理器部分的主要內容，詳細講解其BIU 和 EU架構、管腳信號、總線時序、指令系統(匯編語言程序設計)、存儲器管理和配置、中斷系統等；I/O 接口部分以并行接口和定時器/計數器接口為例，重點講解 I/O 接口的基本原理及典型電路。同時將Cache、超標量流水、虛擬存儲器、分支預測、PCI 總線和多核處理器等現代微機系統中具有代表性的新技術合理引入到教學中來。這種內容組織有利于學生對微機基本原理的學習，避免糾纏于高端CPU 等一些技術細節中，簡化基礎知識的學習，同時開闊了學生的視野，也為他們以后的學習和研究作了鋪墊。

3.2 虛擬仿真和先進設計技術的使用

隨著計算機技術的發展，虛擬儀器和仿真技術已經成為現代科學研究和技術開發的利器。同樣，將這些現代仿真技術引入課堂教學中，彌補課堂教學中只有枯燥講解而缺乏實際操作環境的不足，可以大大提高教學質量。

1) EMU8086 仿真軟件的使用

在講解尋址方式的過程中，涉及到CPU內部寄存器和外部存儲單元內容等問題，學生往往會覺得枯燥和難以理解。在課堂上使用EMU8086 仿真軟件可以很好地解決此問題。EMU8086 是基于 8086 CPU 的仿真軟件，與8086 的功能十分相近，它能模擬真實微處理器的每一步驟，并顯示內部寄存器、存儲器、堆棧、變量和標志寄存器，而且其中任何一個數值都可通過鼠標雙擊來改變[4]。圖2和圖3是EMU8086 窗口界面功能模塊和內存單元信息圖。由圖可知，程序可以單步執行或全速執行，每步執行過程中，各寄存器內容變化一目了然，學生可以設置觀察窗口觀察變量與堆棧變化等，形象具體，容易理解。學生在實踐環節中，匯編語言程序設計部分實驗均可在EMU8086 仿真軟件上完成，無需在指定實驗室和實驗箱上操作，十分方便。

2) Proteus仿真設計軟件的使用

傳統的“微機原理與接口技術”實驗大部分在實驗箱上進行。在操作實驗中，因為上課時間有限，學生沒有足夠時間對一些異?，F象或預期之外的情況進行仔細觀測、研究和試驗。加之由于實驗設備的大部分連線已經固定，學生實際設計操作過少，只需要連接少量引線即可完成，實驗未能使學生對理論課程內容有深刻的感性理解。甚至由于實驗設備接口的頻繁插拔，造成設備的損壞而一時難以修復，導致實驗無法繼續進行。因此，我們在實驗教學中引入了先進的虛擬儀器仿真技術Proteus，來彌補實驗室和實驗箱實驗的缺陷，增加實驗的靈活性，加深學生對課程內容的理解。

Proteus是一款嵌入式系統設計和仿真軟件，可以分析、仿真各種模擬器件和集成電路，同時提供示波器、邏輯分析儀、信號發生器等虛擬儀器儀表。在Proteus7.5SP3 版本中，已經開始提供對8086芯片及相關接口的支持，可以用于微機原理實驗教學的虛擬仿真[5]。

圖2 Emulator 窗口界面功能模塊

圖3 Emulator 內存單元查看方法圖

圖4給出了一個利用 8086 CPU、8255A進行開關實驗的仿真原理圖，加上相應匯編程序，則可實現開關控制LED亮滅的仿真。同樣地，我們可以利用 Proteus 實現微機原理實驗教學中的內存擴展、并行接口、串行接口、A/D 和D/A 轉換、中斷等實驗[6]。同時，也可以利用 Proteus仿真軟件進行開放性實驗的設計，提高學生的綜合知識應用能力。

圖4 Proteus仿真開關控制LED實驗圖

4 結語

通過對“微機原理與接口技術”課程內容與結構的整合優化，該課和后續課程之間的銜接以及課程本身的重點更加明顯，教學效率更高。在教學和實驗過程中引入EMU8086和Proteus后，學生學習的積極主動性有了明顯提高，課堂氣氛活躍，參與度高，上課和實驗效果更好。對相關后續課程和設計的跟蹤調查也表明，學生在此課程中普遍提高了知識綜合和系統設計能力。

(何永玲等文)

[1] 鄭學堅,周斌.微型計算機原理及應用[M].第3版.北京:清華大學出版社,2007:421-422.

[2] 陳治明.微機原理與接口技術課程的教學優化[J]. 北京: 計算機教育,2011(11):78-81.

[3] 王志軍,王克義，楊延軍.微機原理教學中幾個問題的探討[J]. 北京:計算機教育,2010(7):64-66.

[4] 谷兆麟.基于 EMU8086 的微機系統的輔助學習方法[J]. 天津:天津工程師范學院學報,2006,16(4):26-28.

[5] 喬建華,李臨生,田啟川. Proteus 在單片機教學中的應用分析[J]. 南京:電氣電子教學學報, 2008,30(3):70-73.

[6] 吉向東, 李新鄂. 基于Proteus的微機原理實驗仿真[J]. 哈爾濱:信息技術, 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

廣東藥學院教改項目(GYJGYB201511);廣東藥學院“微機原理與接口技術”優質課程項目

何永玲(1981-)，女，碩士，講師，主要從事微型機、嵌入式系統的教學和研究工作，E-mail：524932995@qq.com

G420

A

1008-0686(2017)03-0098-04