文章編號：1672-5913(2008)06-0069-03

摘要：本文根據(jù)筆者的親身體驗，結合實際具體分析了給數(shù)學系學生講授微機原理課程的指導思想、技術特點、知識結構以及所遇到的問題和解決方法，系統(tǒng)闡述了學習該課程的重要意義。

關鍵詞：微機原理；教學大綱；實驗；成績

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1引言

2006年春，我校數(shù)學科學學院領導面對本科生就業(yè)形式的嚴峻局面，系統(tǒng)分析了本科生就業(yè)之愈演愈烈的市場化趨勢，同時響應學生對學習計算機知識的強烈要求，決定開設“微機原理”選修課，計劃安排54學時，筆者擔任主講教師。

一般認為，“微機原理”的前導課程是：“電路分析”、“模擬電子技術”和“數(shù)字電子技術”。而數(shù)學專業(yè)的學生完全沒有接受過這些課程的訓練，為此，筆者經過寒假期間一個月的精心策劃，擬訂了一套教學大綱。但要在54個學時完成教學任務，尤其是針對這些沒有經過專業(yè)電子技術訓練的授課對象，必須要有嚴格的教學計劃和周到的實驗準備。限于經費和實驗場地，筆者申請購買了兩套清華大學科教儀器廠生產的TPC2003A實驗設備，一套用于課堂演示實驗，一套用于興趣小組課后實驗練習。

18周教學(每周3學時)完成過后，選修該課程的近40名學生的考試通過率超過了85%，教師得到的由學生參與的教學質量評估分數(shù)達到86.9分，獲得絕大多數(shù)學生的認可。更可喜的是，董建強同學的畢業(yè)設計“北京市花園橋路口交通燈設計”運用計算機工作原理和接口技術，結合線性優(yōu)化理論，成功編寫了匯編語言程序，并在TPC2003A演示實現(xiàn)，在眾多畢業(yè)生中脫穎而出，經專家評審，被評為校級優(yōu)秀畢業(yè)設計。

2教學指導思想的確立

目前還沒有專門為數(shù)學專業(yè)編寫的“微機原理”教材，當然也無此必要。教學的關鍵取決于授課教師的理論素養(yǎng)、知識結構、教學指導思想和課堂授課經驗。筆者曾長期擔任數(shù)學專業(yè)的“C語言程序設計”和“數(shù)據(jù)結構”的教學工作，深感學生計算機基本知識的匱乏。譬如對變量的理解長期局限于邏輯符號，對存儲空間沒有意識，難以建立牢固的指針概念，“數(shù)據(jù)結構”所確立的數(shù)據(jù)存儲模式不能形成物理概念，缺乏基本的計算機思維；同時，對文件的訪問技術也無法深入到物理層面，至于鍵盤訪問等接口技術更是難以貫徹。致使授課教師不得不花費大量時間為學生建立計算機的物理操作觀念，勢必延誤正常教學工作的順利進行。因而導致“C語言程序設計”課程由原來的54學時擴展為72學時，但依然未能從根本上解決問題。

鑒于以上原因，筆者將“微機原理”課程教學的基本指導思想定位為：以培養(yǎng)數(shù)學專業(yè)學生的計算機修養(yǎng)為主旨，把握計算機各個邏輯模塊的總線結構，建立數(shù)據(jù)存儲的物理觀念，了解數(shù)據(jù)運算的物理流程，確立CPU和存儲器的核心地位，解決基本的數(shù)據(jù)輸入輸出問題。

長期以來，從事“微機原理”教學工作的教師有意無意地堅守著這樣一個觀念：學習“微機原理”課程的目的是讓學生掌握計算機的硬件組織原理，為將來從事計算機硬件的設計工作打下堅實的基礎。從教材編寫到課堂教學以及實驗操作過程，這個觀念牢牢地占據(jù)著統(tǒng)治地位。不光是教師講課辛苦，就是學生也不堪重負。在這個觀念的主導下，很多信息工程類的非硬件專業(yè)開始壓縮甚至砍掉這門重要的計算機基礎課程，偏向于軟件編程。如前所述，在傳統(tǒng)的教學觀念里，一個專業(yè)要開設這門課程，就要另外開設三門以上的前導課程，不但占用大量的教學資源，而且短時期似乎看不到什么效果。致使許多專業(yè)陷入非常難堪的境地，而“微機原理”則變成了專業(yè)教學課程中的雞肋。

導致以上尷尬局面的根本原因，就是忽略了“微機原理”在培養(yǎng)學生計算機修養(yǎng)上的重要作用。程序設計尤其是基于面向對象的現(xiàn)代程序設計技術要求學生必須深入理解計算機的物理工作流程，在進程管理、輸入輸出管理、文件管理以及CPU的使用技術上，如果沒有底層知識，是無法基于現(xiàn)有的操作系統(tǒng)編寫出健壯、高效的應用程序。

3授課大綱的擬訂與教學實踐

教學大綱是在明確的教學指導思想的基礎上完成的。首先，建立總線結構思想。這是從通信角度把握計算機各個邏輯模塊統(tǒng)一協(xié)調工作的整體操作思路。總線結構確定計算機的基本組成原則，建立各種總線類型的分工，使計算機的各個模塊形成一個有機整體?？偩€結構必然存在競爭冒險，為了規(guī)避信號沖突，必須考慮優(yōu)先級問題。通過總線結構的深入講解，使學生對計算機產生整體概念，突顯系統(tǒng)分析思維，避免在后續(xù)課程中陷入先入為主，無法建立計算機系統(tǒng)思維的混亂局面。但總線結構的教學重點放在總線分類和相互關系上，旨在把握計算機整體結構，認識到CPU、存儲器、I/O接口等在通信關系上的統(tǒng)一性和操作上的一致性。對總線控制的CPU控制和DMA控制只做技術性介紹。使學生理解CPU為什么要放棄對總線的控制權以及DMA控制器存在的意義。當然，課程一開始就講解總線結構會使許多同行難以接受，因為大多數(shù)教材將這一部分內容放在整個課程的后三分之一。然而，從培養(yǎng)學生的計算機修養(yǎng)、建立計算機思維的角度考慮，放到第一部分講解是符合知識的建立過程的，那就是先規(guī)劃整體，再分塊創(chuàng)建，形成一棵完整的關于計算機結構的知識樹，總線結構正是這棵樹的根。

其次，筆者在教學過程中著重確立了CPU和存儲器的核心地位。深入講解CPU與存儲器是一個不可分割的整體，是一切算法實現(xiàn)的核心。重點放在CPU和存儲器的相互關系的講解上，決不過多地糾纏時序過程。在物理實體上形成一個較高的抽象，使CPU和存儲器的講解保持在同一個授課層面上，而不是象傳統(tǒng)教材中將兩者遠遠分離，比如某著名教材《微型計算機技術及應用》將處理器放在第2章，而存儲器放在第12章，這也是傳統(tǒng)的授課方案，強調“按部就班”。然而筆者在具體教學過程中注重于CPU和存儲器的邏輯結構。對于前者，是以ALU為中心的寄存器的集合，實現(xiàn)一個基本算法單元；對于后者，深入講解物理地址和邏輯地址的關系，充分建立尋址空間的概念。筆者始終以1MB的存儲空間為例，務必使學生明白CPU的基本尋址方案，讓學生理解一個復雜的算法的實現(xiàn)不單是依靠CPU自身，而是與數(shù)據(jù)的存儲策略密切相關的。這樣，不但為“C語言程序設計”課程的指針變量的建立埋下伏筆，也為“數(shù)據(jù)結構”課程的深入理解奠定思想基礎。

再次，將系統(tǒng)指令和匯編語言緊密結合，既強調助記符觀念又綜合語言體系。尤其是在建立變量概念的時候，緊密結合存儲單元，體現(xiàn)數(shù)據(jù)的物理性的一面。學生對變量理解的深度將直接影響到對后續(xù)課程的學習，特別是“C語言程序設計”。如果學生的理解僅限于邏輯符號層次上，或者對數(shù)據(jù)的認識沒有物理概念，就無法靈活使用變量，在算法實現(xiàn)上往往陷入絕境，必然阻礙計算機素養(yǎng)的提高。因此，筆者結合匯編語言實例，既深入探討變量的地址尋址本質，又強調變量的空間屬性，使學生意識到，在計算機內部，變量只是CPU獲得數(shù)據(jù)的一種方法，程序通過對變量的引用而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算，與數(shù)學上的變量概念有著本質的區(qū)別。程序中的變量既封裝了地址，又封裝了操作類型。關于數(shù)據(jù)類型，在系統(tǒng)指令的講解中就已經深入貫徹，使學生明白，數(shù)據(jù)類型的規(guī)劃實際上是數(shù)據(jù)存儲和CPU運算的特點決定的，必須在程序設計中嚴格劃分，否則CPU將混淆指令，在數(shù)據(jù)獲取上也會出現(xiàn)錯誤。這里要著重區(qū)分二進制數(shù)值與ASCII碼字符的差異。根據(jù)以往的授課經驗，多數(shù)學生不能正確認識ASCII的作用。筆者曾在為數(shù)學專業(yè)研究生補習C語言知識的時候，問及ASCII中英文Interchange的交換雙方各是誰？是誰與誰的交換？竟無人知曉，學生的計算機修養(yǎng)之低下可見一斑。顯然，對數(shù)據(jù)類型概念的這種原理性解釋，對學生掌握各種高級語言有著指導性的意義。不過，筆者并沒有花太多時間講解匯編語言的程序設計，而是通過例題和演示實驗加強學生對程序概念的理解。因此，筆者在大綱中并不要求學生掌握匯編語言的程序設計，只要求能讀懂一般難度的匯編程序，初步建立結構化程序思想。這在系統(tǒng)指令中也有所體現(xiàn)，過于復雜的運算指令以及不常用的條件控制指令等完全擯棄不講。在一般教材中所介紹的指令集合，只選擇其中一個不大的子集，倘若在匯編程序中涉及到了沒有學習過的指令，就臨時介紹。總之，講授過程緊緊圍繞“培養(yǎng)學生計算機素養(yǎng)”這個主題，并不要求學生會編寫復雜的匯編語言程序，不過多糾纏指令是本大綱的一個基本特點。

最后，是輸入、輸出接口芯片和中斷技術的運用。接口在計算機中之所以存在的一個基本理由，就是外部設備如何實現(xiàn)對計算機主機(CPU和存儲器)的數(shù)據(jù)輸入和輸出。歸根結底，一切被處理的數(shù)據(jù)都來源于外設，也最終歸口于外設。限于學時，筆者僅講解了三個基本芯片：并行接口8255A，串行通信接口8251A，以及定時器8253。對于8255A芯片，重點介紹了方式0和方式1兩種工作模式；對于8251A，也只著重介紹了異步通信模式；而對于8253，只強調了中斷觸發(fā)脈沖的作用和典型波形的生成功能。對中斷控制器僅做簡單介紹，旨在闡明中斷的優(yōu)先級處理過程，重點放在理解中斷操作在計算機輸入、輸出的重要意義。具體講解的過程，完全依賴實例和演示實驗，更多地闡述各芯片寄存器的作用及CPU對芯片和寄存器的尋址方法，并對比與存儲器尋址的不同之處。通過介紹輸入、輸出指令完成芯片功能的初始化，讓學生理解芯片工作的“可編程性”。同時，也讓學生認識到計算機的輸入、輸出相對于算法而言是一個完全獨立的部分。另外再介紹芯片地址在操作系統(tǒng)中被名稱化，通過專有名稱尋址外設是基于操作系統(tǒng)程序編寫的一般性原則，并結合C語言的鍵盤和顯示器訪問來說明接口在高級語言體系中的運用過程。

4實驗問題

“微機原理”是一門實驗性極強的課程，在數(shù)學專業(yè)，不可能建立專有的實驗機房，而且也不能過高估計學生的動手能力。但學生在“大學物理”課程中已經有了一定的實踐經驗，多數(shù)學生在中學做過電路的實驗，可以較順利理解電平概念。由于學時的限制，筆者普遍采用了演示實驗或利用FLASH技術將實驗過程投影到屏幕，對學生理解數(shù)據(jù)的物理存在和CPU對數(shù)據(jù)的尋址及簡單運算過程具有很大的幫助作用。集體實驗的參與過程非常少，只是在匯編語言的講解過程中采用，利用宏匯編系統(tǒng)環(huán)境和Debug技術加深學生使用存儲器的能力，鞏固對變量的各項屬性的理解。

除了以演示實驗為主之外，在學生中組織興趣小組，教師利用業(yè)余時間指導那些對計算機有強烈愛好的學生做接口實驗。結果發(fā)現(xiàn)，這部分學生迅速成為了“微機原理”課程學習的骨干力量，并帶動了整個班級的學習積極性，個別同學表現(xiàn)出了超強的實驗動手能力，較高水平地完成了各個實驗項目，董建強同學就是其中較為突出的一個。他在后來的畢業(yè)設計中對北京市花園橋路口的交通流量建立了合理的數(shù)學模型，結合并行接口知識，成功編寫了匯編語言源程序，并取得了優(yōu)異的成績。興趣小組的另外一位同學李冬松，畢業(yè)后順利進入了某著名電話公司的北京研究所，從事英漢電子詞典的底層編程工作，據(jù)他后來說，“微機原理”的硬件知識是他戰(zhàn)勝眾多競爭對手的法寶。由于沒有有效的課時分配，他們都是利用暑假完成了全部實驗內容。

5成績考核

成績考核是整個教學過程中重要的一環(huán)。雖然注重平時成績，但期末考試成績依然占了相當大的比重。考試內容完全貫徹教學指導思想，集中考察學生對數(shù)據(jù)存在的物理概念及其CPU尋址的理解程度，強調變量的類型定義及引用，包括一些基礎算法的結構化理念，輸入、輸出的基本過程和中斷概念。從試題類型而言，選擇題、判斷題和程序填空占了70%，簡答題和接口設計占30%。既強調概念理解又涉及實際應用，但放棄了時序、硬件組織、外部設備等內容的考核，圍繞大綱和教學內容，注重計算機的邏輯思維，而不是細微的電平化的數(shù)據(jù)傳輸過程。物理組成為邏輯服務，不陷入到物理細節(jié)，而注重邏輯的物理化是筆者的基本教學思路，也是成績考核的基本方針。

參考文獻

[1] 錢曉捷. 匯編語言程序設計(第二版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 沈美明. IBM－PC匯編語言程序設計(第2版)[M]. 北京:清華大學出版社，2001.

[3] 戴梅萼，史嘉權. 微型計算機及應用[M]. 北京:清華大學出版社，2001.