“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)改革探索
——以西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院為例

李海玲，孟 虎

(西安航空學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安 710077)

0 引言

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計(jì)算機(jī)、通信工程、自動化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)都有開設(shè)[1]，該門課程對培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、軟件編程能力和創(chuàng)新發(fā)明能力都非常重要[2]。課程內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)難度較大，要求學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識和較強(qiáng)的綜合能力。西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院開設(shè)的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，授課內(nèi)容以Intel 8086/8088為模型機(jī)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備是2005年購置的由啟東市微機(jī)應(yīng)用研究所開發(fā)的QTH-8086B 16位微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀，經(jīng)過十多年的使用，設(shè)備陳舊損壞，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

國內(nèi)其它高校在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程教學(xué)中也同樣存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后、學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性不高等問題，一些院校也一直在嘗試改革。西北農(nóng)林科技大學(xué)[3]和運(yùn)城學(xué)院[4]等沿用已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、考核方式等方面進(jìn)行改革；廣東藥科大學(xué)[5]等引入EMU8086和Proteus仿真軟件，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；常州大學(xué)[6]等采用基于FPGA平臺和Proteus平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，但沒有把兩者融合到一起。

西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)方案和學(xué)生情況，對該門課程進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)改革。從修改大綱、改變教學(xué)方法和考核方式入手，變更了教材，更換了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，購置了基于現(xiàn)場可編程門陣列(Fielcl-Programmable Gate Array,FPGA)的SOC技術(shù)的8086實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因?yàn)镾OC技術(shù)可以有效降低電子/信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。

經(jīng)過對兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，成效顯著。學(xué)生在機(jī)器人大賽、單片機(jī)大賽、智能車大賽等各類競賽中取得了較好的成績，極大地提高了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力。

1 基于FPGA平臺的SOC技術(shù)的微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革

1.1 微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)踐教學(xué)情況

西安航空學(xué)院自1983年計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)成立就開設(shè)了“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，主要以Zilog公司的Z80微機(jī)作為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，后來逐漸過渡到Intel的16位8086/8088模型機(jī)，現(xiàn)在的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容仍然是16位處理器，且教學(xué)情況如下所述。

第一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目比較多，損壞情況嚴(yán)重。尤其是做接口實(shí)驗(yàn)部分，學(xué)生首先在實(shí)驗(yàn)箱上連接硬件電路，然后編寫程序運(yùn)行。如果是硬件連接問題導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，需要插拔導(dǎo)線進(jìn)行再調(diào)試。通常在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生會多次改變硬件電路，甚至帶電進(jìn)行這些操作，因此實(shí)驗(yàn)箱特別容易損壞，實(shí)驗(yàn)室管理人員難以及時(shí)維修更換。另外，隨著設(shè)計(jì)功能的增加，電路的連接也越來越復(fù)雜，使得學(xué)生排錯(cuò)變得愈加困難，很容易引起他們的畏難情緒。

第二，實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，不能適應(yīng)新的教學(xué)形式和要求。目前使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是2005年購置的由啟東市微機(jī)應(yīng)用研究所開發(fā)的QTH-8086B 16位微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀，經(jīng)過十多年的使用，完全沒有問題的實(shí)驗(yàn)儀少之又少，導(dǎo)致原本每生1臺的配置變?yōu)槎嗳斯灿?套，嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，不能滿足應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要。

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，社會對各類技術(shù)人才的需求量日益增大，特別是西安航空學(xué)院自2012年升格為本科院校后，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀難以滿足計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的要求，改革迫在眉睫。

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，人們可以把自己的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)于FPGA中，從而高效地完成產(chǎn)品的開發(fā)。因?yàn)镕PGA器件具有研發(fā)周期短、編程靈活、可靠性高、接線少等優(yōu)點(diǎn)，片內(nèi)擁有豐富的邏輯單元資源，能夠滿足設(shè)計(jì)復(fù)雜電路的需要，而且FPGA允許無限次編程，尤其是SOC技術(shù)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)出性能價(jià)格比很高的片上系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，給微電子及其應(yīng)用行業(yè)帶來了革命性的變革[7]，也明確了“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)改革的方向。

1.2 微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革現(xiàn)狀

將現(xiàn)代科技應(yīng)用到計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)過程中，讓學(xué)生接觸當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展最前沿的科研成果和先進(jìn)技術(shù)，培養(yǎng)他們創(chuàng)造性的思維能力。2015年，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)著手對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)6個(gè)本科班的課程教學(xué)進(jìn)行了改革。修改了教學(xué)大綱、改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法和考核方式，變更了教材，更換了舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，購置了新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，教改前后情況對比如表1所示。

表1 教學(xué)改革前后情況對比

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)按照改革后的規(guī)劃對目前計(jì)算機(jī)學(xué)院兩屆本科生實(shí)施教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容中注入FPGA和SOC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)方法在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中的應(yīng)用，從而更廣泛和深層次的提升了課程的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生應(yīng)用新知識、新方法、新技術(shù)、新工具的能力，鍛煉了他們的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

1.3 實(shí)踐教學(xué)具體實(shí)施方法

在引進(jìn)了KX-DN9型模塊化微機(jī)原理與接口技術(shù)SOC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)對該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采取了一系列的改革舉措。

第一，將課程擴(kuò)充為軟件開發(fā)和硬件電路設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。軟件開發(fā)部分采用匯編語言，由于實(shí)驗(yàn)室是新建的，PC機(jī)都是64位的Windows操作系統(tǒng)，在原來32位系統(tǒng)中使用正常的匯編語言編譯器或匯編軟件包，在64位操作系統(tǒng)上只能編輯，不能運(yùn)行。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次研究實(shí)踐，解決了上機(jī)環(huán)境的搭建問題[8]。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要介紹各種硬件接口電路技術(shù)，新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于FPGA平臺的，采用的是SOC技術(shù)，SOC技術(shù)中最關(guān)鍵的是IP核[9]。目前對于“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中的微處理器、存儲器、并行接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷、串行接口、DMA等傳統(tǒng)內(nèi)容，都有相應(yīng)的IP核支持，如8088IP、RAM IP、8255IP、8254IP、8259IP、16550IP、8237IP等等，學(xué)生可以致力于整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有助于培養(yǎng)他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。軟件開發(fā)和硬件電路設(shè)計(jì)兩部分相輔相成，缺一不可。

第二，增加了集中實(shí)訓(xùn)課程。集中實(shí)訓(xùn)課程為時(shí)一周，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)提前設(shè)計(jì)出二十多套難度不同、分值有別的題目，以任務(wù)書的形式派發(fā)給學(xué)生，讓他們2人一組自由組合并選擇完成1道題，每組選擇都不相同，先選先定，定后不改，題目扎堆選擇的再進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)也鼓勵學(xué)生自己提出新的題目。

第三，調(diào)整了考核方式。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在考核方式上更加注重學(xué)生的實(shí)踐操作能力和設(shè)計(jì)效果，采用“設(shè)計(jì)過程+程序+答辯+報(bào)告”相結(jié)合的辦法，其中設(shè)計(jì)過程占總成績的30%，程序占30%，答辯占20%，報(bào)告占20%。透明的考核方式充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，并且真實(shí)地反映出每位同學(xué)的實(shí)際水平。

第四，增大了實(shí)踐部分的比例。因?yàn)榈谝粚脤W(xué)生10個(gè)學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)非常緊張，所以在第二屆本科生實(shí)際授課過程中，理論部分減少了4個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分增加了4個(gè)學(xué)時(shí)。通過增大實(shí)踐學(xué)時(shí)，學(xué)生的動手能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

第五，采用了“由淺入深，先易后難，先軟后硬、軟硬結(jié)合、層層遞進(jìn)”的教學(xué)策略，學(xué)生既要學(xué)習(xí)課程新內(nèi)容，又要把新技術(shù)應(yīng)用到課程中，難度非常大。在實(shí)踐教學(xué)中，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)提前給出上機(jī)內(nèi)容及要求，讓學(xué)生有獨(dú)立思考的過程，預(yù)先編好程序備用。硬件電路部分通過電路設(shè)計(jì)自動化工具Quartus軟件，從基于FPGA的最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)做起，然后再逐步增加接口，直至完成更復(fù)雜的設(shè)計(jì)[10]。硬件電路剛開始是完全提供給學(xué)生的，逐步讓學(xué)生自行修改部分電路，根據(jù)需要增加模塊，最后實(shí)現(xiàn)由學(xué)生本人設(shè)計(jì)整個(gè)硬件電路。不論系統(tǒng)復(fù)雜還是簡單，主要操作都是在Quartus軟件里，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀，它的真實(shí)連線非常少，幾乎所有功能模塊都集成在一個(gè)芯片中，從而縮小了體積，降低了功耗和成本，并提高了系統(tǒng)的可靠性和整機(jī)設(shè)計(jì)效率，可以反復(fù)使用。設(shè)計(jì)者可以更多地考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不必深陷于模塊實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[11]。

通過以上改革舉措，經(jīng)過對兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，成效顯著。近兩年，西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)學(xué)生在各類競賽中成績大幅提高，并取得了較好的獎項(xiàng)，創(chuàng)新及工程實(shí)踐能力進(jìn)一步增強(qiáng)。兩年來學(xué)生參加各類競賽及獲獎情況如表2所示。

表2 2016-2017年學(xué)生競賽獲獎情況

2 結(jié)語

通過“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)改革過程，從教學(xué)大綱、教學(xué)方法、考核方式、教材、實(shí)驗(yàn)裝置更新，上機(jī)環(huán)境搭建，到最小系統(tǒng)形成、更復(fù)雜系統(tǒng)的形成，直至鼓勵學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)踐方案，在使用新技術(shù)詮釋傳統(tǒng)內(nèi)容的具體實(shí)施過程中，整個(gè)流程不但讓學(xué)生完整、高效、深入地學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)原理知識，更重要的是通過實(shí)踐，學(xué)生掌握了現(xiàn)代SOC數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)方法在原理課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，對于準(zhǔn)備采用基于FPGA平臺的SOC技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的院校具有一定的借鑒意義。隨著科技進(jìn)步和高校學(xué)科建設(shè)的不斷發(fā)展，國家對各類高技能人才培養(yǎng)的要求不斷提高，教學(xué)改革工作將是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程。“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程經(jīng)過短期內(nèi)的實(shí)踐教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在各種基本微機(jī)IO接口基礎(chǔ)上，增加了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、動態(tài)數(shù)碼管、串行靜態(tài)數(shù)碼管、LED點(diǎn)陣等IO接口。下一步準(zhǔn)備將紅外感應(yīng)、壓力、光敏、聲控、溫、濕度傳感器等內(nèi)容加入到微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不斷更新擴(kuò)展，開發(fā)出更高水平的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)助力。

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