以單片機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)研究

姚剛 歐陽(yáng)中輝 齊玉東 喬勇軍

摘 要：計(jì)算機(jī)組成原理課程主要介紹計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)組成，是本科階段計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的必修課。針對(duì)本課程知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)、實(shí)踐少等特點(diǎn)，探討課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)安排，設(shè)計(jì)一種利用單片機(jī)開展教學(xué)的新方法。教學(xué)過程中，理論內(nèi)容著重于計(jì)算機(jī)組成的基本知識(shí)和單片機(jī)的基本概念;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分。理論講解和實(shí)驗(yàn)實(shí)做相結(jié)合，將抽象的理論通過單片機(jī)應(yīng)用于實(shí)踐中，使學(xué)生做到融會(huì)貫通。課程實(shí)踐表明，該教學(xué)方法的教學(xué)效果明顯，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解深度和動(dòng)手實(shí)踐能力得到了較大提高。

關(guān)鍵詞：89S51單片機(jī);計(jì)算機(jī)組成原理;教學(xué)設(shè)計(jì);基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);自主設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)實(shí)做

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）10-0-02

0 引 言

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)本科階段的必修課，具有理論性強(qiáng)、知識(shí)面涉及廣、信息量大等特點(diǎn)。與其他計(jì)算機(jī)類課程相比，其知識(shí)點(diǎn)繁雜且前后聯(lián)系緊密。該課程雖然是以講解硬件部件為主的課程，但課程內(nèi)容包括較多抽象內(nèi)容，如數(shù)據(jù)流、指令流等。

實(shí)際教學(xué)中存在的問題為：繁多的知識(shí)使學(xué)生感覺學(xué)習(xí)吃力，難以構(gòu)成一個(gè)體系;課程所學(xué)的理論知識(shí)無(wú)法與實(shí)踐相聯(lián)系。

針對(duì)以上問題，結(jié)合本課程的特點(diǎn)，本文以89S51單片機(jī)為背景，介紹計(jì)算機(jī)的基本組成、基本概述及工作原理，使學(xué)生從理論與實(shí)踐上掌握計(jì)算機(jī)的基本概念與工作原理，建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，掌握計(jì)算機(jī)軟、硬件的基本知識(shí)，具備分析、設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本能力。

1 設(shè)計(jì)思路

以單片機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)需要圍繞基礎(chǔ)性與應(yīng)用性展開，突出硬件與軟件相結(jié)合的特點(diǎn)，通過適當(dāng)?shù)恼n堂教學(xué)，幫助學(xué)生搭建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心知識(shí)體系，引導(dǎo)學(xué)生建立完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論體系，初步具備自主開展實(shí)驗(yàn)的能力。

在基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)部分，以課堂講授為主，采用以知識(shí)點(diǎn)為中心的教學(xué)模式，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的基本原理與相關(guān)知識(shí);在工程應(yīng)用教學(xué)部分，以上機(jī)實(shí)驗(yàn)為主，采用案例式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容理論與實(shí)踐的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)做能力，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高理論運(yùn)用于實(shí)踐的能力。

在教學(xué)過程中，應(yīng)注意營(yíng)造利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的氣氛，培養(yǎng)學(xué)生從圖書館和網(wǎng)上查找相關(guān)資料的能力，利用自學(xué)拓展知識(shí)面，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加深對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域新技術(shù)的掌握。

2 理論內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)大綱的要求，將計(jì)算機(jī)組成原理課程的內(nèi)容分為理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)做兩部分。理論知識(shí)部分包括：計(jì)算機(jī)組成的基礎(chǔ)知識(shí)、單片微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行接口、單片微型計(jì)算機(jī)總線與存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、I/O接口擴(kuò)展、單片機(jī)的C語(yǔ)言編程等。

理論授課時(shí)，從計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程出發(fā)，逐步引入計(jì)算機(jī)的基本組成、基本原理，以及計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過程。教師通過課堂授課歸納總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

學(xué)習(xí)了基本的計(jì)算機(jī)組成后，利用現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例引入89S51單片機(jī)，并主要從以下幾個(gè)方面講解。

（1）89S51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能、存儲(chǔ)器空間的配置和功能，時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和內(nèi)部時(shí)序。

（2）89S51單片機(jī)的指令系統(tǒng)。

（3）匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法。

（4）89S51單片機(jī)內(nèi)部并行口P0，P1，P2，P3的特點(diǎn)和使用方法。

（5）89S51中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中斷響應(yīng)過程及中斷程序設(shè)計(jì)。

（6）定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理、工作方式、初值確定及初始化方法。

（7）89S51串行口的工作原理、工作方式及編程使用方法。

（8）89S51擴(kuò)展外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器的原理和方法。

（9）單片機(jī)并行接口的擴(kuò)展方法。

（10）C51的編程方法。

系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)后，學(xué)生可以更好地理解計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)⒊橄蟮挠?jì)算機(jī)組成原理知識(shí)與具體的51單片機(jī)相聯(lián)系，從而對(duì)于重點(diǎn)知識(shí)的理解更加透徹。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)做內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過課堂授課，使學(xué)生掌握基本的理論知識(shí);通過實(shí)驗(yàn)實(shí)做，使學(xué)生掌握單片機(jī)的基本使用方法。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，使學(xué)生初步具備獨(dú)立編寫單片機(jī)程序的能力，從而更好地理解計(jì)算機(jī)組成原理。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，嚴(yán)格要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排不但要考慮鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，而且要以提高學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)新能力為目的。依據(jù)理論知識(shí)點(diǎn)開設(shè)基本實(shí)驗(yàn)，在相關(guān)理論課結(jié)束后立刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、并行接口實(shí)驗(yàn)、中斷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)、串行接口實(shí)驗(yàn)、外圍接口實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成后，安排學(xué)生完成自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析設(shè)計(jì)的能力，需要學(xué)生自主選題、自主設(shè)計(jì)、自主測(cè)試、自主講解。

（2）實(shí)驗(yàn)要求

實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并形成相應(yīng)文檔，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析與解決問題的能力。在第一次實(shí)驗(yàn)前，教師按照教學(xué)計(jì)劃，規(guī)定學(xué)生何時(shí)提交相應(yīng)材料，包括特定的文檔與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出相關(guān)文檔的模板。

在實(shí)驗(yàn)過程中，教師定時(shí)檢查指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)中遇到的問題，并適時(shí)進(jìn)行評(píng)判，指出易錯(cuò)與共性問題。在學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，教師扮演引領(lǐng)者的角色，對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)與引導(dǎo)，不干涉學(xué)生的設(shè)計(jì)思路。當(dāng)學(xué)生請(qǐng)教問題時(shí)，以計(jì)算機(jī)組成原理課程的理論知識(shí)為主體，聯(lián)系其他相關(guān)課程進(jìn)行講解。

在進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師針對(duì)課堂上精講的理論要點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行重難點(diǎn)指導(dǎo);在學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師要把握設(shè)計(jì)的難易程序、工作量等，避免某些學(xué)生偷懶。在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生以實(shí)際生活使用或?qū)W科競(jìng)賽的方式開展，使學(xué)生體會(huì)獨(dú)立完成一件設(shè)計(jì)的艱辛與樂趣。

4 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理課程在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的課程體系中占有重要地位，與許多門專業(yè)課程存在聯(lián)系。針對(duì)課程特點(diǎn)，以單片機(jī)為核心開展教學(xué)，便于學(xué)生加深對(duì)本門課程的認(rèn)識(shí)，形成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念，具備獨(dú)立解決問題的能力。四年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)以理論教學(xué)為主的教學(xué)相比，采用該方法的學(xué)生能夠更好地理解計(jì)算機(jī)的組成，動(dòng)手能力更強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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