文章編號：1672-5913(2008)08-0038-02

摘要：本文通過實例對大學(xué)計算機硬件類課程中缺乏“低端”實驗這一問題進行了深入的探討。

關(guān)鍵詞：計算機硬件類課程；低端實驗；實驗；接口概念

中圖分類號：G642

文獻標(biāo)識碼：B

1計算機硬件類課程的不足

計算機硬件類課程主要包括“電子電路”、“計算機組成原理”、“微機原理與接口技術(shù)”、“單片機”、“計算機控制技術(shù)”等多門課程，這些課程不光是計算機專業(yè)的專業(yè)課，也是電子、機械、自動化及其他相關(guān)工科類專業(yè)的必修課程，這些課程都具有工程實踐性強，應(yīng)用技術(shù)含量高，課程內(nèi)容枯燥難學(xué)的特點。因此，各學(xué)校在開設(shè)此類課程時，都把實驗課作為重要的教學(xué)手段，有些學(xué)校甚至將實驗課時比例提升到全部課時的50~60%以上。

經(jīng)過我們多年對實驗內(nèi)容的研究并結(jié)合自身的教學(xué)體驗發(fā)現(xiàn)，這些實驗大都是一些在實驗箱內(nèi)直接使用芯片進行的實驗，都是直接以芯片為研究對象或為主體，內(nèi)容多是驗證現(xiàn)成芯片功能和引腳特性或使用芯片進行硬件設(shè)計開發(fā)的實驗。這種實驗是在基本知識已經(jīng)掌握，芯片內(nèi)部工作原理已經(jīng)精通的前提下進行的更高一層次的實驗，在此我們謂之“高端”實驗。很少有直接輔助基本教學(xué)，幫助理解基礎(chǔ)知識的“低端”實驗，這樣的實驗用來輔助說明某些知識點或特定概念，一般設(shè)計起來電路簡單，功能也比較單一，層次較低，甚至用不上實驗箱，所以在許多學(xué)?？磥黼y登“大雅之堂”，因而對此忽視不見，眾多實驗教材在這方面也是一片空白。但我認(rèn)為這是一個“誤區(qū)”，因為任何課程都是由“低端”知識逐步過渡至“高端”的。那么，怎樣創(chuàng)制設(shè)計“低端”實驗？它們對于課程教學(xué)有哪些重要意義呢？

我們知道，計算機硬件類課程大都具有濃重的工程背景，具備豐富的可選實例，所以“低端”實驗的創(chuàng)設(shè)并不缺乏素材。另外，還要注意實驗內(nèi)容的設(shè)計如何與課程知識有機銜接，在實際教學(xué)中如何巧妙引入。實際上，“低端”實驗其意義并不“低端”，實驗雖小卻對重點、難點的理解掌握有著不容小視的“四兩撥千斤”之功效。

2“低端”實驗實例

下面介紹一個較典型的實例，權(quán)當(dāng)拋磚引玉，希望對廣大同行具有一定的啟發(fā)意義。就以“微機接口技術(shù)”課程中令眾多教師頗感頭疼的“接口”概念的講解為例。這一概念不僅抽象，而且所涉知識比較繁雜晦澀，學(xué)生學(xué)習(xí)效果很不理想。分析定義可以看出，接口就是位于微機與外設(shè)之間的硬件電路，作用就是讓微機與外設(shè)間能進行信號交換，從而順利完成檢測與控制任務(wù)。但是光這樣說有點蒼白無力，學(xué)生還是不明就里。于是我們通過引入“低端”實驗來輔助教學(xué)，具體說明接口到底是什么，為什么要用接口，它的主要功能有哪些，由此體會“低端”實驗的優(yōu)越之處。

我們先來設(shè)計一個電路(如圖1所示)，目的是通過計算機來檢測開關(guān)K的狀態(tài)(打開還是閉合)。相對于計算機系統(tǒng)，開關(guān)K就是一個外設(shè)。K打開時，A點為高電平1；K閉合時，A點為低電平0。這個0或者1可以通過數(shù)據(jù)總線最低位DB0被讀入到CPU中，從而實現(xiàn)微機對外設(shè)狀態(tài)的檢測。但是如果像圖1那樣，把開關(guān)K和計算機系統(tǒng)中的DB0直接相連行不行呢？

圖1 輸入外設(shè)數(shù)據(jù)線直接接至數(shù)據(jù)總線

我們知道，在計算機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線還連接著CPU和存儲器，并且在程序執(zhí)行過程中，CPU與存儲器之間要頻繁地交換數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在不斷變化的。如果此時又將其與外設(shè)直接相連(這里是將DB0直接連入A點)，那么數(shù)據(jù)總線上外設(shè)數(shù)據(jù)和存儲器數(shù)據(jù)就會因走同一線路而相互干擾。比如此時開關(guān)K閉合，A點為0，這個0會通過DB0傳入CPU，若此時恰逢存儲器通過DB0送來一個數(shù)據(jù)1，這樣不但發(fā)生相互干擾，還會由于高低電平直接相連而引起電路損壞。

為解決這一問題，我們可以在A點與數(shù)據(jù)總線DB0間加一個帶低電平選通端的緩沖器，緩沖器的選通端接一個帶3個輸入端的與門，其接線如圖2所示。

圖2 輸入外設(shè)數(shù)據(jù)線經(jīng)緩沖器接至數(shù)據(jù)總線

我們知道，只有當(dāng)與門的3個輸入端同時為0時，與門的輸出端才為0，才會將緩沖器選通，緩沖器輸入端的數(shù)據(jù)才能夠到達緩沖器的輸出端。要實現(xiàn)這一過程，我們可以執(zhí)行如下指令：

MOV DX，開關(guān)地址；傳送外設(shè)地址，地址譯碼端有效

IN AL，DX；執(zhí)行I/O讀操作，M/ 、 有效

這樣，CPU的輸出引腳(即與門的輸入信號)M/ 、 及地址譯碼信號同時為0，使得與門輸出為0，緩沖器被選通，開關(guān)K的狀態(tài)才會被讀入到CPU中。同時，為低電平的M/ 信號還會使CPU與存儲器暫時隔開，從而避免了存儲器數(shù)據(jù)的干擾；若CPU要與存儲器進行數(shù)據(jù)交換，則M/ 變成高電平，使與門輸出為1，緩沖器截止斷開，又避免了外設(shè)數(shù)據(jù)的干擾。由此可以看出，經(jīng)過這些電路添加之后，前面的問題順利解決。實際上，這些后添加的電路就是該系統(tǒng)的接口電路，此處接口電路表現(xiàn)出來的功能是輸入緩沖。

相類地，我們再設(shè)計第二個電路(如圖3所示)。功能是讓計算機控制發(fā)光二極管發(fā)光。此處二極管一端已固定接入5V高電平，另一端通過數(shù)據(jù)總線最低位DB0連至計算機系統(tǒng)。當(dāng)CPU通過DB0輸出為0時，發(fā)光二極管兩端產(chǎn)生電位差，從而導(dǎo)通發(fā)光；如果CPU通過DB0輸出為1，則發(fā)光二極管電路兩端電位相同(都是高電平)，發(fā)光二極管截止熄滅。我們以這種方式，實現(xiàn)微機對外設(shè)(此處為發(fā)光二極管)的控制功能。但是像圖3那樣，讓發(fā)光二極管的B點與計算機系統(tǒng)中的DB0直接相連行不行呢？

圖3 數(shù)據(jù)總線直接接至輸出外設(shè)數(shù)據(jù)線

根據(jù)前面所述可知，數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在不斷變化的，不可能只保持為固定的0或1。雖然這個時刻為使發(fā)光二極管發(fā)光，可以通過執(zhí)行輸出數(shù)據(jù)指令從DB0向B點輸出數(shù)據(jù)0，但在下個時刻存儲器上過來的數(shù)據(jù)又會將其覆蓋，如果后來的這個數(shù)據(jù)是1，就會使發(fā)光二極管熄滅掉。

怎樣讓發(fā)光二極管的狀態(tài)得以保持呢？為解決這一問題，我們?nèi)匀恍枰砑与娐?，可在?shù)據(jù)總線的DB0與發(fā)光二極管的B點間加一個由低電平觸發(fā)的鎖存器，鎖存器觸發(fā)端接一個帶3個輸入端的與門，電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)總線經(jīng)鎖存器接至輸出外設(shè)數(shù)據(jù)線

從該電路中可以看出，只有當(dāng)與門的3個輸入端同時為0時，與門的輸出端才為0，才能給鎖存器的觸發(fā)端CLK加一個觸發(fā)信號，鎖存器的輸出端Q才等于鎖存器輸入端D即DB0上的狀態(tài)。當(dāng)與門的輸入端有一個為1時，與門輸出就為1，由于鎖存器為低電平觸發(fā)，所以這個1不能觸發(fā)鎖存器，鎖存器輸出端Q(即B點的電平)就保持原態(tài)不變，從而使發(fā)光二極管的狀態(tài)保持下來。這一過程我們可通過執(zhí)行如下指令來實現(xiàn)：

MOV AL，0(或1)；0使發(fā)光二極管亮，1使該二極管滅

MOV DX，發(fā)光二極管地址 ；傳送外設(shè)地址，地址譯碼端有效

OUT DX，AL；執(zhí)行I/O寫操作，M/ 、 有效

這樣，與門輸入端M/ 、 及地址譯碼信號同時為0，使得與門輸出為0，鎖存器被打開，此時從寄存器AL中沿著DB0送出的0或1能夠到達鎖存器的輸出端直至B點，致使發(fā)光二極管發(fā)光或熄滅。當(dāng)CPU執(zhí)行其他指令或者與存儲器交換數(shù)據(jù)時，與門的三個輸入端就不會同時為0，這樣與門輸出為1，鎖存器的輸出端Q(即B點的電平)就保持不變，發(fā)光二極管的狀態(tài)便得以保持。

在這個例子中，我們后添加上去的那些電路也是接口電路，在此表現(xiàn)出來的功能是輸出鎖存。

3結(jié)束語

通過對上述實例的分析可以看出，我們在用“低端”實驗解決實際問題的過程中已經(jīng)不自覺地設(shè)計出了相應(yīng)的接口電路，所需器材不多，所起的作用卻不小。這兩個接口電路一個用于完成系統(tǒng)檢測，一個用于完成系統(tǒng)控制，正符合接口定義的外延。這樣一來，學(xué)生既看見了實實在在的接口電路，又體會到了接口實實在在的“輸入緩沖，輸出鎖存”的基本功能。有了這兩個“著陸點”的幫助，“接口”這一概念還有什么不能讓人理解的呢？這樣的難點一個個地被靈巧的實驗化為無形，整個微機接口課程還有什么難度可言呢？鑒于硬件類課程工程實踐性強的普遍共性，“低端”實驗這一利器不正好因勢而生，大有可為嗎？

參考文獻

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[2] 孫琦. 微機接口技術(shù)[M]. 北京:中央廣播電視大學(xué)出版社，2000:4-8.

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