系統集成能力的微機原理實驗教學改進與探討

一、引言
《微機原理》是電氣信息類的專業基礎課，通過學習該課程，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，利用匯編語言助記符設計匯編語言程序的基本方法；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。實驗是對理論知識的運用和檢驗理論知識是否扎實，根據微機原理實驗教學現狀和存在的不足，探討了提高微機原理實驗教學的教學方法和實驗內容設計。通過DEBUG來觀察寄存器、存儲器、標志位中的數據現狀和修改后的變化，也可以觀察地址的變化和地址單元的數據變化。程序的運行過程可以通過操作數的數據變化讓學生理解尋址方式實現的過程和指令運行產生的作用。系統集成是利用所學的理論知識和已有技術，模塊化的設計電路系統。以系統集成能力培養學生，學生可以根據需求將各子模塊組成一個完整的電路系統，使整體性能更佳。
二、教學現狀與不足
很多院?！段C原理》重理論教學，輕實驗教學；理論學時長，實驗學時較短。理論課堂上的相關知識不能及時安排實驗進行驗證和應用，出現了學生覺得理論抽象復雜、學習興趣低、實驗環節薄弱的現象。學生在實驗課上根據實驗指導書按部就班，只做驗證性實驗，做設計性實驗時無從下手。在這種教學情況下，教師需要探討多種可提高微機原理實驗教學效果的方法。
三、實驗教學方法和實驗內容的改進
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程、存儲程序原理、存儲器及其管理、接口技術。掌握匯編語言程序的概念、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DEBUG來觀察程序的運行過程，觀察寄存器、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生理解尋址方式實現的過程和指令運行后產生的作用。
（1）DEBUG觀察寄存器和存儲器。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觀察寄存器和存儲器的數據。觀察微型計算機的寄存器、標志位和存儲器的數據，打開系統盤C，啟動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，可觀察寄存器、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，也可以通過執行指令進行修改數據。執行指令修改寄存器和存儲器的數據時，需要編寫匯編源程序，例如，給出一個匯編源程序
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進行編譯和鏈接，無語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觀察寄存器、標志位、存儲器的現狀和修改后的數據，使學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、有結果的實際操作。
（2）DEBUG觀察尋址方式。通過DEBUG觀察操作數的尋址方式，使用DEBUG調試TEST.EXE，執行指令后，由圖1可觀察操作數存放的位置和各種操作數尋址方式的實現過程。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，不同的指令實現不同的功能，通過DEBUG觀察源操作數和目的操作數在操作前后的數據變化來理解指令運行后產生的作用。
2.實驗項目由淺入深，分層次教學。學生對知識的接受能力和應用能力不同，根據學生的差異進行不同程度的引導學習。接受知識能力弱的學生，指導學生完成驗證性實驗，得到實驗結果以及實驗現象才能通過實驗課程；接受知識能力和應用能力強的學生，選做設計性實驗，在已有的驗證性實驗的基礎上，給出實驗條件和實驗現象，在未給出電路圖和操作步驟的情況下，讓學生自主設計電路、編程，得到實驗現象，同時可以引導學生通過多種方法得到同一個實驗現象，讓學生明白為什么要這樣做，教師的教學方法由“教”到“導”。
3.實驗項目設計。實驗項目的設計以系統集成能力培養學生為中心，學生根據需求將各子模塊連接成一個整體性能高的電路系統。實驗指導書的實驗項目內容注重循序漸進，由驗證性到設計性實驗。綜合性實驗主要是對CPU與接口電路的應用，設計性實驗是綜合性實驗的創新應用，是學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、系統總線之間的相互聯系。理論課上介紹了8255、8259、8237、8253等接口芯片的接口技術應用[5]。實驗與教學是緊密聯系在一起的，實驗項目內容圍繞講解的接口技術進行設計。以完成一個簡易寵物定時喂食器的設計為例，具有的功能如下：通過鍵盤輸入定時時間；數碼管顯示時間；定時時間到時，電子發聲器發出響聲；喂食器控制步進電機打開寵物食物儲存器閥門，讓食物下落到容器給寵物進食。此電路系統看似復雜，如果將此電路系統分解成若干個基礎實驗完成，那么就顯得相對簡單了。將所有的基礎性實驗進行整合，終完成相對復雜的寵物定時喂食器設計，具體實驗項目設計如下：①數碼轉換程序實驗設計。實驗的目的在于讓學生掌握程序的設計方法以及DEBUG軟件的使用方法。通過實驗，學生可以掌握程序設計的編譯環境的使用，編譯、鏈接和執行的操作方法，能力強的學生還能進行分支程序結構、循環程序結構以及子程序結構設計。②鍵盤掃描及數碼管顯示程序設計。該實驗目的在于讓學生掌握使用8255芯片完成矩陣式鍵盤掃描以及數碼管顯示。個實驗的學習內容可在第二個實驗中的數碼管顯示部分程序得到應用。這樣既學習了新的知識，又復習了已學的知識，更重要的是學生之前學到的知識得到了應用，增加了學生對實驗的興趣。③系統設計。該實驗是在第二實驗中得到進一步的完善，增加了8254定時器的使用。使用矩陣鍵盤輸入一個時間，啟動后以秒為單位顯示。④電子發聲器的設計。該實驗是在定時器的實驗上得到進一步的應用，使用定時器產生不同頻率的方波信號，將方波信號送給蜂鳴器，蜂鳴器則發出有旋律的聲音。⑤步進電機程序實驗設計。實驗中學生可利用8255芯片的I/O口，控制步進電機的運動時序，從而控制步進電機的運動方向和運動角度。⑥寵物定時喂食器綜合實驗設計。該實驗是對前幾次實驗的一個整合，鍛煉學生將使用模塊整合成系統的能力。整個實驗過程的設計采用由易到難、由基礎到專業、由模塊到系統的思想。每次實驗都能完成一個小“作品”，實驗的結果可以激發學生對實驗的興趣。
4.實驗考核方式改革。傳統的實驗考察方式，如通過簽名考查學生的出勤率和實驗完成報告，終給出實驗成績，使學生的實驗課程都會通過，這些做法缺乏刺激學生積極實驗的動力，因此需要對傳統的實驗考核方式進行改進，應當注重實驗操作過程，而不是片面的通過實驗報告來評定學生的實驗成績。實驗報告數據存在抄襲的現象，實驗課堂上學生的動手操作能力是的，根據實驗操作過程和實驗結果及現象來給學生評分，做到實驗成績公平、公正，令學生信服。
四、總結
通過4年的實驗教學實踐，對比傳統盲目實驗只看實驗結果及現象的教學方法，學生使用DEBUG查看寄存器、存儲器、標志位的數據變化，觀察操作數尋址方式實現的過程和指令運行后所產生的作用，使學生對微機原理產生學習興趣，掌握了微機原理的實質、尋址方式和指令的作用。對比傳統的“依葫蘆畫瓢”的實驗指導書教法，以系統集成能力的方法培養學生，充分調動學生的積極性，提高學生的動手能力，使學生學會自主設計程序、調試程序、發現問題和解決問題。改進的教學方法滿足了不同學生的需求，激發了大部分學生的自主創新能力，實驗教學效果良好。