付幫峰 熊春如 胡菊芳
摘 要:在高職高專微機原理課程的實驗教學(xué)中,傳統(tǒng)的驗證性實驗缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識和獨立設(shè)計能力的培養(yǎng)。在微機原理課程實驗中利用可編程邏輯器件和電子設(shè)計自動化技術(shù)(EDA),有利于老師和學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新性實驗內(nèi)容,開設(shè)創(chuàng)新設(shè)計性開放實驗,能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。
關(guān)鍵詞:微機原理;創(chuàng)新實踐;EDA;開放實驗
基金項目:新余高專校級立項重點課題(xj0807)。
作者簡介:付幫峰(1959-),男,江西新余人,江西新余高等??茖W(xué)校機電與自動化工程系實驗師/工程師,碩士,主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與智能控制。
中圖分類號:G712文獻標識碼:B文章編號:1001-7518(2009)14-0029-03
一、微機原理實驗教學(xué)的背景
《微型計算機原理與應(yīng)用》課程是高職高專計算機類及大多數(shù)電類專業(yè)學(xué)生的必修課程,同時也是一門實用
性和動手性都很強的計算機硬件類課程。很好地掌握這門課程的內(nèi)容并具備一定的實際電路設(shè)計和編程能力,將會使學(xué)生在深刻理解計算機軟、硬件關(guān)系及以后的計算機應(yīng)用開發(fā)中打下必要的計算機硬件基礎(chǔ)。微機原理實驗屬于高職學(xué)校相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課,主要突出鞏固和加深專業(yè)基礎(chǔ)知識及專業(yè)基本實驗技能的訓(xùn)練上。在很多高職高專院校微機原理授課對象是高職高專二年級下學(xué)期的學(xué)生,微機原理實驗的開設(shè)一般分兩個階段進行,循序漸進,逐步深入。第一階段,為了讓學(xué)生掌握實驗的基本原理和方法,一般會有選擇地讓學(xué)生做一些基礎(chǔ)模塊驗證性實驗,并設(shè)置一些問題讓學(xué)生通過實驗分析原因,加深對基礎(chǔ)知識的理解;第二階段,為了讓學(xué)生綜合應(yīng)用微機內(nèi)部的多個資源和外部的接口芯片,同時考慮到課時數(shù)的限制,會要求學(xué)生做一個或者兩個的綜合性實驗,為培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和引導(dǎo)學(xué)生進行自主設(shè)計方面起到拋磚引玉的作用。這些都是微機原理實驗教學(xué)中已被廣泛應(yīng)用并已被證明是增強教學(xué)效果的有效措施。
但是,一直以來微機原理實驗的目的更多地是為了配合理論教學(xué)環(huán)節(jié),實驗內(nèi)容也主要以驗證性實驗為主,驗證理論課教學(xué)的內(nèi)容。在講授實驗課的時候,教師先對本次實驗內(nèi)容、實驗?zāi)康暮妥⒁馐马椬鲋v解,然后學(xué)生按實驗指導(dǎo)書的步驟操作,完成該實驗。這種以驗證性實驗為主的教學(xué)雖然保證了學(xué)生按時完成實驗任務(wù),但不利于學(xué)生理解實驗內(nèi)容的真正內(nèi)涵,即使在驗證性實驗中加入了綜合應(yīng)用多個知識點的綜合實驗,也很難讓學(xué)生真正弄懂如何綜合地應(yīng)用所學(xué)知識去完成一個新的設(shè)計任務(wù),不利于培養(yǎng)科技創(chuàng)新能力和獨立設(shè)計軟硬件的能
力。
二、開展創(chuàng)新性課外開放實驗的重要性
1.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對高職高專學(xué)生的重要性。素質(zhì)教育是現(xiàn)在倡導(dǎo)的教學(xué)理念,創(chuàng)新能力培養(yǎng)是當今高等職業(yè)教育的重要任務(wù)之一。創(chuàng)新能力是指具有科學(xué)的質(zhì)疑能力及獨立思考和實踐的能力。國民經(jīng)濟的建設(shè)不僅需要具有一定理論研究能力的研究型人才,而且需要既具備理論基礎(chǔ)、又具有創(chuàng)新意識和實際應(yīng)用能力的高技能應(yīng)用型人才,這就為我們的高職高專教育提出了新的要求。當前高職的教學(xué)過程主要采取的還是教師授課、學(xué)生聽講,以理論學(xué)習(xí)為主的方式。學(xué)生基本處于被動接受狀態(tài),教師很少注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。畢業(yè)的高職高專學(xué)生雖然具備一定的基礎(chǔ)理論和相關(guān)專業(yè)知識,但實際應(yīng)用和操作動手能力比較弱,與國家要求的具有一定創(chuàng)新能力的高技能應(yīng)用型人才有相當?shù)牟罹?。因此我們有必要重新認識實驗課的作用,改進實驗內(nèi)容,使實驗課成為素質(zhì)教育及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。微機原理實驗的實驗內(nèi)容不能僅停留在單個知識點或者幾個知識點綜合的驗證性實驗,而應(yīng)該要適當?shù)匾朐O(shè)計性的實驗內(nèi)容,要求學(xué)生用所學(xué)知識進行綜合性設(shè)計實驗,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計思維。
2.微機原理課程進行創(chuàng)新性實踐的必要性。為了改進我校高職高專微機原理實驗傳統(tǒng)教學(xué)的不足之處,培養(yǎng)更多的具備一定的系統(tǒng)設(shè)計能力、實際應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的綜合型高技能人才,我們在微機原理實驗內(nèi)容上做了一些探索,利用EDA技術(shù)增加創(chuàng)新設(shè)計性實驗,力求提高學(xué)生的實踐動手和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新設(shè)計性實驗的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決實際問題的能力,激發(fā)學(xué)生潛意識中的創(chuàng)造性。創(chuàng)新設(shè)計性實驗需要緊密配合理論課的教學(xué)內(nèi)容和進度,主要設(shè)計內(nèi)容應(yīng)是已學(xué)過或正在學(xué)習(xí)的內(nèi)容,不致使學(xué)生感到無從下手。同時創(chuàng)新設(shè)計性實驗應(yīng)該分基本要求部分和發(fā)揮部分,要讓大多數(shù)學(xué)生經(jīng)努力在較短的時間內(nèi)都可實現(xiàn)基礎(chǔ)要求部分,樹立學(xué)生的成就感和自信心,發(fā)揮部分則是留給有能力的學(xué)生突破已有系統(tǒng)設(shè)計的思維禁錮,進行創(chuàng)新設(shè)計的機會。
微機原理課程的內(nèi)容包括微型機硬件系統(tǒng)的組成、匯編語言的設(shè)計方法及接口技術(shù)三大部分,涉及的知識點包括微處理器結(jié)構(gòu)、最小系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、存儲器讀寫時序、匯編程序設(shè)計、輸入輸出I/O技術(shù)、接口技術(shù)等,涵蓋的知識點較多。微機原理課程的學(xué)習(xí)需要一定的電子電路基礎(chǔ)和較強的邏輯思維能力,僅依靠課堂上的理論教學(xué)學(xué)生很難理解。驗證性的基礎(chǔ)實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生基本掌握講授內(nèi)容,但由于這類實驗一般都有詳細的實驗步驟指導(dǎo),難以提高學(xué)生的獨立思考和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新設(shè)計性實驗只給出需要完成的實驗項目要求,學(xué)生必須在完成大部分驗證性基礎(chǔ)實驗,較深入理解微機原理教材的內(nèi)容的基礎(chǔ)上,經(jīng)過認真思考,融會貫通多個知識點后,才有能力自己按照實驗項目要求,設(shè)計出硬件線路和軟件程序。在調(diào)試硬件線路和軟件程序,排除設(shè)計上錯誤的過程中,學(xué)生對微處理器內(nèi)部資源的使用、控制時序分析、系統(tǒng)總線連接和外部接口芯片應(yīng)用等方面的理解都會產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
三、創(chuàng)新性課外開放實驗的具體實施
我校微機原理實驗共18學(xué)時(8學(xué)時匯編語言程序設(shè)計實驗,10學(xué)時接口電路實驗),基礎(chǔ)驗證性實驗和綜合驗證性實驗屬于課內(nèi)實驗。由于實驗課時的限制,把創(chuàng)新設(shè)計實驗設(shè)置為課外開放實驗(不在18個實驗學(xué)時內(nèi)),只給出實驗項目要求,讓學(xué)生有獨立思考、自由發(fā)揮、自主學(xué)習(xí)的時間和空間,綜合所學(xué)的知識設(shè)計一個方案,完成電路連接、匯編編程、軟硬件調(diào)試等整個設(shè)計流程。這種創(chuàng)新設(shè)計性開放實驗?zāi)艽蟠蠹由顚W(xué)生對微機原理知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高學(xué)生分析問題和解決問題的實際能力。
目前微機原理實驗課所用的實驗箱硬件電路一般是固定不能更改的,缺乏靈活性,不利于開展創(chuàng)新設(shè)計性實驗。不過利用實驗箱提供的擴展功能板接口,擴展一個基于可編程邏輯器件FPGA的創(chuàng)新設(shè)計性實驗功能板,利用FPGA芯片的可編程特性,通過使用EDA設(shè)計軟件,就可以讓學(xué)生脫離實驗箱硬件,在EDA設(shè)計軟件上進行創(chuàng)新設(shè)計性實驗項目的電子線路設(shè)計。匯編語言程序設(shè)計可以在PC機上使用MASM軟件完成。在調(diào)試階段,把設(shè)計好的電路下載到創(chuàng)新設(shè)計性實驗擴展功能板中,然后把擴展功能板插到實驗箱的擴展接口上,再下載匯編程序到80X86CPU中,進行軟件和硬件的調(diào)試。這樣就保證了創(chuàng)新設(shè)計性課外開放實驗的正常開展。
這種創(chuàng)新設(shè)計性開放實驗需要學(xué)生掌握利用EDA軟件編程設(shè)計數(shù)字電路的能力。微機原理實驗是在高職高專二年級上學(xué)期開設(shè)的,在該學(xué)期一般同時也開設(shè)有EDA設(shè)計課程(有些高職高專放在三年級上學(xué)期開設(shè)),因此在學(xué)期末或三年級上學(xué)期就可以開始創(chuàng)新設(shè)計性開放實驗。該開放實驗綜合了兩門課的知識,我校的做法是將這兩門課程作為一個共同的開放性實驗來進行,首先老師集中幾個課時分配設(shè)計任務(wù)以及相關(guān)知識點的講解,然后老師利用課余時間或網(wǎng)絡(luò)分散指導(dǎo),最后要求提交作品和設(shè)計報告并完成答辯。
創(chuàng)新設(shè)計性實驗擴展功能板主要由一片Altera公司的FPGA(EP1C6)組成,為了實現(xiàn)良好的擴展功能,把EP1C6除了與實驗箱擴展接口相連的引腳外的其他引腳用插針引出來,留給設(shè)計者來連接其他設(shè)計過程中所需的電子器件(如鍵盤、LED等等)。
下面給出一個具體的綜合性的創(chuàng)新設(shè)計性實驗來說明創(chuàng)新設(shè)計性實驗具體的實現(xiàn)流程。
題目要求:設(shè)計實現(xiàn)80X86擴展外部RAM和I/O輸入和輸出,擴展的外部16位RAM地址為0X4000~0X41FF,擴展的外部I/O輸入為8位,要求能采用中斷方式響應(yīng),I/O地址在0X0000~0X01FF之間,擴展的外部I/O輸出為8位,地址在0x0200~0x03FF之間,編寫一個匯編程序,響應(yīng)外部中斷,讀入外部I/O輸入的數(shù)據(jù),將高4位和低4位相加,結(jié)果存放到外部RAM中,并通過擴展的外部輸出I/O輸出。
該創(chuàng)新設(shè)計性實驗綜合應(yīng)用到以下多個基本概念和知識點:(1)地址總線、數(shù)據(jù)總線的作用,片選信號的功能和作用;(2)外部RAM存儲器的連接和讀寫操作;(3)外部擴展I/O芯片的連接和讀寫操作;(4)地址譯碼,內(nèi)存空間和IO空間的地址分配;(5)外部中斷的產(chǎn)生和響應(yīng);(6)FPGA 創(chuàng)新設(shè)計性實驗功能板硬件;(7)QuartusII集成開發(fā)環(huán)境的使用、VHDL硬件描述語言以及80X86匯編語言編程技能(8)微機原理實驗課所用的實驗箱硬件電路與FPGA創(chuàng)新設(shè)計性實驗功能板硬件的聯(lián)合調(diào)試技巧等。
具體實現(xiàn)流程如下圖:
微機原理創(chuàng)新實驗實現(xiàn)流程
上述實驗設(shè)計一個重要特色與創(chuàng)新是:使用Altera提供的集成開發(fā)環(huán)境QuartusII和VHDL語言在PC機上設(shè)計FPGA創(chuàng)新性實驗功能板硬件,靈活性大,而且節(jié)省了硬件開發(fā)成本,若以后設(shè)計其他電路要修改相關(guān)硬件,只要重新編寫程序后再編譯電路,重新下載就完成硬件電路的修改,非常方便,很適合學(xué)生開展創(chuàng)新性電路設(shè)計。
QuartusII軟件提供了不少庫元件可以供設(shè)計過程中直接調(diào)用,包括常用的74系列集成電路、各種類型的邏輯門和針對FPGA內(nèi)部資源定制的MegaFunction(如RAM模塊lpm_ram_dp0)。可以用FPGA中的74373替代微機原理實驗中用到的8282,用FPGA內(nèi)部的M4K RAM作外部RAM,用74245替代8286,地址譯碼功能用VHDL語言描述實現(xiàn)。除此之外,完全可以另辟蹊徑,使用VHDL語言編程,把鎖存器和雙向總線緩沖器功能集成到一個Block中實現(xiàn)。此外,地址譯碼部分也可以自由修改,把RAM和外部輸入輸出I/O分配到其他地址空間中。
四、結(jié)語
基礎(chǔ)驗證性實驗和綜合驗證性實驗基本上都是學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書上詳細的指導(dǎo)一步一步完成,適用于驗證理論教學(xué)教材上的知識點,但難以激發(fā)學(xué)生進行獨立思考的熱情以及進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在高職高專微機原理實驗中嘗試引入EDA技術(shù),利用可編程邏輯器件在數(shù)字電路設(shè)計方面的可編程特性,可以很靈活方便地開展創(chuàng)新設(shè)計性課外開放實驗。把具有開拓思維和創(chuàng)新性質(zhì)的設(shè)計性實驗以課外開放實驗的形式開設(shè),彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式和課時少等方面的不足,激發(fā)學(xué)生進行創(chuàng)新的電路設(shè)計和程序設(shè)計,提高學(xué)生對綜合性問題的解決能力,能有效地培養(yǎng)高職高專學(xué)生的創(chuàng)新意識和獨立進行系統(tǒng)設(shè)計的能力。
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責(zé)任編輯:夏煥堂