系統集成能力的微機原理實(shí)驗教學(xué)改進(jìn)與探討

一、引言
《微機原理》是電氣信息類(lèi)的專(zhuān)業(yè)基礎課，通過(guò)學(xué)習該課程，建立起微型計算機系統的基本概念和結構；了解微處理器指令集和指令系統的概念、功能及機內編碼格式，熟悉計算機系統內部指令的執行過(guò)程；掌握程序的基本概念和利用指令構成程序的方法，利用匯編語(yǔ)言助記符設計匯編語(yǔ)言程序的基本方法；掌握微型計算機接口的基本概念和接口的硬件設計方法。程序的執行過(guò)程一定要建立起存儲程序的工作原理的概念、指令及程序在機器內部的表示方法。實(shí)驗是對理論知識的運用和檢驗理論知識是否扎實(shí)，根據微機原理實(shí)驗教學(xué)現狀和存在的不足，探討了提高微機原理實(shí)驗教學(xué)的教學(xué)方法和實(shí)驗內容設計。通過(guò)DEBUG來(lái)觀(guān)察寄存器、存儲器、標志位中的數據現狀和修改后的變化，也可以觀(guān)察地址的變化和地址單元的數據變化。程序的運行過(guò)程可以通過(guò)操作數的數據變化讓學(xué)生理解尋址方式實(shí)現的過(guò)程和指令運行產(chǎn)生的作用。系統集成是利用所學(xué)的理論知識和已有技術(shù)，模塊化的設計電路系統。以系統集成能力培養學(xué)生，學(xué)生可以根據需求將各子模塊組成一個(gè)完整的電路系統，使整體性能更佳。
二、教學(xué)現狀與不足
很多院?！段C原理》重理論教學(xué)，輕實(shí)驗教學(xué)；理論學(xué)時(shí)長(cháng)，實(shí)驗學(xué)時(shí)較短。理論課堂上的相關(guān)知識不能及時(shí)安排實(shí)驗進(jìn)行驗證和應用，出現了學(xué)生覺(jué)得理論抽象復雜、學(xué)習興趣低、實(shí)驗環(huán)節薄弱的現象。學(xué)生在實(shí)驗課上根據實(shí)驗指導書(shū)按部就班，只做驗證性實(shí)驗，做設計性實(shí)驗時(shí)無(wú)從下手。在這種教學(xué)情況下，教師需要探討多種可提高微機原理實(shí)驗教學(xué)效果的方法。
三、實(shí)驗教學(xué)方法和實(shí)驗內容的改進(jìn)
1.DEBUG的使用。微機原理的工作原理包括指令集機內表示、指令及程序的機內執行過(guò)程、存儲程序原理、存儲器及其管理、接口技術(shù)。掌握匯編語(yǔ)言程序的概念、設計與調試方法，從而建立起面向計算機的程序設計方法，這是今后面向對象的程序設計方法的基礎。通過(guò)DEBUG來(lái)觀(guān)察程序的運行過(guò)程，觀(guān)察寄存器、存儲器、標志位中數據現狀和修改后的變化，用操作數的數據變化使學(xué)生理解尋址方式實(shí)現的過(guò)程和指令運行后產(chǎn)生的作用。
（1）DEBUG觀(guān)察寄存器和存儲器。微型計算機的寄存器有通用寄存器、變址寄存器、指針寄存器、段寄存器和標志寄存器[3]。DEBUG觀(guān)察寄存器、標志位和存儲器的數據現狀與修改后的變化。①觀(guān)察寄存器和存儲器的數據。觀(guān)察微型計算機的寄存器、標志位和存儲器的數據，打開(kāi)系統盤(pán)C，啟動(dòng)DEBUG.EXE，顯示連接符“-”后可輸入各種DEBUG命令。常用的DEBUG命令有A、D、E、G、P、R、T、U等，輸入DEBUG命令后回車(chē)，可觀(guān)察寄存器、標志位和存儲器的數據。②修改寄存器和存儲器的數據。修改寄存器和存儲器的數據可以直接使用DEBUG命令修改數據，也可以通過(guò)執行指令進(jìn)行修改數據。執行指令修改寄存器和存儲器的數據時(shí)，需要編寫(xiě)匯編源程序，例如，給出一個(gè)匯編源程序
TEST.ASM。
DATA SEGMENT
SHU DB 00H,01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,
08H,09H,0AH,0BH,0CH,0DH,0EH,0FH
DATA ENDS
CODE SEGMENT
ASSUME CS:CODE,DS:DATA
START:MOV AX,DATA
MOV DS,AX
MOV BX,5;立即尋址
ADD BX,BX;寄存器尋址
MOV SI,[0001];直接尋址
MOV AX,[BX];寄存器間接尋址
MOV AX,[BX+4];寄存器相對尋址
MOV AX,[BX+SI];基址加變址尋址
MOV AX,[BX+SI+4];相對的基址和變址尋址
CODE ENDS
END START

圖1 指令修改寄存器和存儲器的數據
在MS-DOS下對匯編源程序TEST.ASM進(jìn)行編譯和鏈接，無(wú)語(yǔ)法錯誤和結構錯誤后得到可執行文件TEST.EXE，DEBUG調試可執行文件TEST.EXE。指令修改寄存器和存儲器的數據如圖1所示。由圖1觀(guān)察寄存器、標志位、存儲器的現狀和修改后的數據，使學(xué)生對微型計算機的寄存器、標志位、存儲器、數據、地址有深入的認識，由抽象思維轉變成看得見(jiàn)、有結果的實(shí)際操作。
（2）DEBUG觀(guān)察尋址方式。通過(guò)DEBUG觀(guān)察操作數的尋址方式，使用DEBUG調試TEST.EXE，執行指令后，由圖1可觀(guān)察操作數存放的位置和各種操作數尋址方式的實(shí)現過(guò)程。立即尋址是操作數包含在指令字節中，CPU在指令隊列中直接取得立即數，指令執行速度快。寄存器尋址是操作數在指令中CPU內部寄存器中，可以減少指令碼的長(cháng)度，執行速度較快。存儲器尋址是操作數在內存的數據區，指令給出操作數在內存中的地址信息，CPU可求出存放操作數的有效地址，執行速度慢。由圖1可知AX、BX、SI、IP值的變化過(guò)程，根據AX、BX、SI、IP的數據變化，可以理解操作數存放的位置和各種操作數的尋址方式。
（3）DEBUG觀(guān)察指令系統的作用。微型計算機的指令系統功能強大，由圖1可知，不同的指令實(shí)現不同的功能，通過(guò)DEBUG觀(guān)察源操作數和目的操作數在操作前后的數據變化來(lái)理解指令運行后產(chǎn)生的作用。
2.實(shí)驗項目由淺入深，分層次教學(xué)。學(xué)生對知識的接受能力和應用能力不同，根據學(xué)生的差異進(jìn)行不同程度的引導學(xué)習。接受知識能力弱的學(xué)生，指導學(xué)生完成驗證性實(shí)驗，得到實(shí)驗結果以及實(shí)驗現象才能通過(guò)實(shí)驗課程；接受知識能力和應用能力強的學(xué)生，選做設計性實(shí)驗，在已有的驗證性實(shí)驗的基礎上，給出實(shí)驗條件和實(shí)驗現象，在未給出電路圖和操作步驟的情況下，讓學(xué)生自主設計電路、編程，得到實(shí)驗現象，同時(shí)可以引導學(xué)生通過(guò)多種方法得到同一個(gè)實(shí)驗現象，讓學(xué)生明白為什么要這樣做，教師的教學(xué)方法由“教”到“導”。
3.實(shí)驗項目設計。實(shí)驗項目的設計以系統集成能力培養學(xué)生為中心，學(xué)生根據需求將各子模塊連接成一個(gè)整體性能高的電路系統。實(shí)驗指導書(shū)的實(shí)驗項目?jì)热葑⒅匮驖u進(jìn)，由驗證性到設計性實(shí)驗。綜合性實(shí)驗主要是對CPU與接口電路的應用，設計性實(shí)驗是綜合性實(shí)驗的創(chuàng )新應用，是學(xué)生掌握微型計算機體系結構的表現，熟悉微處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路、系統總線(xiàn)之間的相互聯(lián)系。理論課上介紹了8255、8259、8237、8253等接口芯片的接口技術(shù)應用[5]。實(shí)驗與教學(xué)是緊密聯(lián)系在一起的，實(shí)驗項目?jì)热輫@講解的接口技術(shù)進(jìn)行設計。以完成一個(gè)簡(jiǎn)易寵物定時(shí)喂食器的設計為例，具有的功能如下：通過(guò)鍵盤(pán)輸入定時(shí)時(shí)間；數碼管顯示時(shí)間；定時(shí)時(shí)間到時(shí)，電子發(fā)聲器發(fā)出響聲；喂食器控制步進(jìn)電機打開(kāi)寵物食物儲存器閥門(mén)，讓食物下落到容器給寵物進(jìn)食。此電路系統看似復雜，如果將此電路系統分解成若干個(gè)基礎實(shí)驗完成，那么就顯得相對簡(jiǎn)單了。將所有的基礎性實(shí)驗進(jìn)行整合，終完成相對復雜的寵物定時(shí)喂食器設計，具體實(shí)驗項目設計如下：①數碼轉換程序實(shí)驗設計。實(shí)驗的目的在于讓學(xué)生掌握程序的設計方法以及DEBUG軟件的使用方法。通過(guò)實(shí)驗，學(xué)生可以掌握程序設計的編譯環(huán)境的使用，編譯、鏈接和執行的操作方法，能力強的學(xué)生還能進(jìn)行分支程序結構、循環(huán)程序結構以及子程序結構設計。②鍵盤(pán)掃描及數碼管顯示程序設計。該實(shí)驗目的在于讓學(xué)生掌握使用8255芯片完成矩陣式鍵盤(pán)掃描以及數碼管顯示。個(gè)實(shí)驗的學(xué)習內容可在第二個(gè)實(shí)驗中的數碼管顯示部分程序得到應用。這樣既學(xué)習了新的知識，又復習了已學(xué)的知識，更重要的是學(xué)生之前學(xué)到的知識得到了應用，增加了學(xué)生對實(shí)驗的興趣。③系統設計。該實(shí)驗是在第二實(shí)驗中得到進(jìn)一步的完善，增加了8254定時(shí)器的使用。使用矩陣鍵盤(pán)輸入一個(gè)時(shí)間，啟動(dòng)后以秒為單位顯示。④電子發(fā)聲器的設計。該實(shí)驗是在定時(shí)器的實(shí)驗上得到進(jìn)一步的應用，使用定時(shí)器產(chǎn)生不同頻率的方波信號，將方波信號送給蜂鳴器，蜂鳴器則發(fā)出有旋律的聲音。⑤步進(jìn)電機程序實(shí)驗設計。實(shí)驗中學(xué)生可利用8255芯片的I/O口，控制步進(jìn)電機的運動(dòng)時(shí)序，從而控制步進(jìn)電機的運動(dòng)方向和運動(dòng)角度。⑥寵物定時(shí)喂食器綜合實(shí)驗設計。該實(shí)驗是對前幾次實(shí)驗的一個(gè)整合，鍛煉學(xué)生將使用模塊整合成系統的能力。整個(gè)實(shí)驗過(guò)程的設計采用由易到難、由基礎到專(zhuān)業(yè)、由模塊到系統的思想。每次實(shí)驗都能完成一個(gè)小“作品”，實(shí)驗的結果可以激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗的興趣。
4.實(shí)驗考核方式改革。傳統的實(shí)驗考察方式，如通過(guò)簽名考查學(xué)生的出勤率和實(shí)驗完成報告，終給出實(shí)驗成績(jì)，使學(xué)生的實(shí)驗課程都會(huì )通過(guò)，這些做法缺乏刺激學(xué)生積極實(shí)驗的動(dòng)力，因此需要對傳統的實(shí)驗考核方式進(jìn)行改進(jìn)，應當注重實(shí)驗操作過(guò)程，而不是片面的通過(guò)實(shí)驗報告來(lái)評定學(xué)生的實(shí)驗成績(jì)。實(shí)驗報告數據存在抄襲的現象，實(shí)驗課堂上學(xué)生的動(dòng)手操作能力是的，根據實(shí)驗操作過(guò)程和實(shí)驗結果及現象來(lái)給學(xué)生評分，做到實(shí)驗成績(jì)公平、公正，令學(xué)生信服。
四、總結
通過(guò)4年的實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐，對比傳統盲目實(shí)驗只看實(shí)驗結果及現象的教學(xué)方法，學(xué)生使用DEBUG查看寄存器、存儲器、標志位的數據變化，觀(guān)察操作數尋址方式實(shí)現的過(guò)程和指令運行后所產(chǎn)生的作用，使學(xué)生對微機原理產(chǎn)生學(xué)習興趣，掌握了微機原理的實(shí)質(zhì)、尋址方式和指令的作用。對比傳統的“依葫蘆畫(huà)瓢”的實(shí)驗指導書(shū)教法，以系統集成能力的方法培養學(xué)生，充分調動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生學(xué)會(huì )自主設計程序、調試程序、發(fā)現問(wèn)題和解決問(wèn)題。改進(jìn)的教學(xué)方法滿(mǎn)足了不同學(xué)生的需求，激發(fā)了大部分學(xué)生的自主創(chuàng )新能力，實(shí)驗教學(xué)效果良好。