李海玲，孟 虎

(西安航空學院 計算機學院，西安 710077)

0 引言

“微機原理與接口技術”是一門重要的專業(yè)基礎課程，在計算機、通信工程、自動化專業(yè)及相關專業(yè)都有開設[1]，該門課程對培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計能力、軟件編程能力和創(chuàng)新發(fā)明能力都非常重要[2]。課程內容抽象，學習難度較大，要求學生具有扎實的基礎知識和較強的綜合能力。西安航空學院計算機學院開設的“微機原理與接口技術”課程，授課內容以Intel 8086/8088為模型機，實驗設備是2005年購置的由啟東市微機應用研究所開發(fā)的QTH-8086B 16位微機原理與接口技術實驗儀，經過十多年的使用，設備陳舊損壞，嚴重影響教學效果。

國內其它高校在“微機原理與接口技術”課程教學中也同樣存在教學內容陳舊、實驗設備落后、學生學習的積極性和主動性不高等問題，一些院校也一直在嘗試改革。西北農林科技大學[3]和運城學院[4]等沿用已有的實驗設備，在實驗內容設計、考核方式等方面進行改革；廣東藥科大學[5]等引入EMU8086和Proteus仿真軟件，進行虛擬仿真實驗教學；常州大學[6]等采用基于FPGA平臺和Proteus平臺的實驗教學方法，但沒有把兩者融合到一起。

西安航空學院計算機學院“微機原理與接口技術”課程教學團隊結合計算機科學與技術專業(yè)的培養(yǎng)方案和學生情況，對該門課程進行了實踐教學改革。從修改大綱、改變教學方法和考核方式入手，變更了教材，更換了傳統(tǒng)的實驗設備，購置了基于現(xiàn)場可編程門陣列(Fielcl-Programmable Gate Array,FPGA)的SOC技術的8086實驗系統(tǒng)，因為SOC技術可以有效降低電子/信息系統(tǒng)產品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產品的競爭力。

經過對兩屆學生的教學實踐，成效顯著。學生在機器人大賽、單片機大賽、智能車大賽等各類競賽中取得了較好的成績，極大地提高了計算機科學與技術專業(yè)學生的計算機系統(tǒng)設計和工程實踐能力。

1 基于FPGA平臺的SOC技術的微機原理與接口技術實踐教學改革

1.1 微機原理與接口技術實踐教學情況

西安航空學院自1983年計算機應用專業(yè)成立就開設了“微機原理與接口技術”課程，主要以Zilog公司的Z80微機作為實踐教學內容，后來逐漸過渡到Intel的16位8086/8088模型機，現(xiàn)在的實踐教學內容仍然是16位處理器，且教學情況如下所述。

第一，實驗設備項目比較多，損壞情況嚴重。尤其是做接口實驗部分，學生首先在實驗箱上連接硬件電路，然后編寫程序運行。如果是硬件連接問題導致錯誤的結果，需要插拔導線進行再調試。通常在實驗過程中，學生會多次改變硬件電路，甚至帶電進行這些操作，因此實驗箱特別容易損壞，實驗室管理人員難以及時維修更換。另外，隨著設計功能的增加，電路的連接也越來越復雜，使得學生排錯變得愈加困難，很容易引起他們的畏難情緒。

第二，實驗設備陳舊，不能適應新的教學形式和要求。目前使用的實驗設備是2005年購置的由啟東市微機應用研究所開發(fā)的QTH-8086B 16位微機原理與接口技術實驗儀，經過十多年的使用，完全沒有問題的實驗儀少之又少，導致原本每生1臺的配置變?yōu)槎嗳斯灿?套，嚴重影響學生學習的積極性和主動性，不能滿足應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要。

隨著社會經濟和科技的快速發(fā)展，社會對各類技術人才的需求量日益增大，特別是西安航空學院自2012年升格為本科院校后，實驗現(xiàn)狀難以滿足計算機科學與技術本科專業(yè)的要求，改革迫在眉睫。

隨著大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展，人們可以把自己的設計實現(xiàn)于FPGA中，從而高效地完成產品的開發(fā)。因為FPGA器件具有研發(fā)周期短、編程靈活、可靠性高、接線少等優(yōu)點，片內擁有豐富的邏輯單元資源，能夠滿足設計復雜電路的需要，而且FPGA允許無限次編程，尤其是SOC技術的出現(xiàn)，設計出性能價格比很高的片上系統(tǒng)已經實現(xiàn)，給微電子及其應用行業(yè)帶來了革命性的變革[7]，也明確了“微機原理與接口技術”課程實踐教學改革的方向。

1.2 微機原理與接口技術實踐教學改革現(xiàn)狀

將現(xiàn)代科技應用到計算機實踐教學過程中，讓學生接觸當今計算機發(fā)展最前沿的科研成果和先進技術，培養(yǎng)他們創(chuàng)造性的思維能力。2015年，課程教學團隊著手對計算機科學與技術專業(yè)6個本科班的課程教學進行了改革。修改了教學大綱、改變了傳統(tǒng)的教學方法和考核方式，變更了教材，更換了舊的實驗設備，購置了新的實驗系統(tǒng)，教改前后情況對比如表1所示。

表1 教學改革前后情況對比

課程教學團隊按照改革后的規(guī)劃對目前計算機學院兩屆本科生實施教學，在教學內容中注入FPGA和SOC技術，實現(xiàn)了現(xiàn)代技術方法在“微機原理與接口技術”課程中的應用，從而更廣泛和深層次的提升了課程的學習效果和學生應用新知識、新方法、新技術、新工具的能力，鍛煉了他們的工程實踐和創(chuàng)新能力。

1.3 實踐教學具體實施方法

在引進了KX-DN9型模塊化微機原理與接口技術SOC實驗系統(tǒng)后，課程教學團隊對該課程的實踐教學環(huán)節(jié)采取了一系列的改革舉措。

第一，將課程擴充為軟件開發(fā)和硬件電路設計兩個部分。軟件開發(fā)部分采用匯編語言，由于實驗室是新建的，PC機都是64位的Windows操作系統(tǒng)，在原來32位系統(tǒng)中使用正常的匯編語言編譯器或匯編軟件包，在64位操作系統(tǒng)上只能編輯，不能運行。課程教學團隊經過多次研究實踐，解決了上機環(huán)境的搭建問題[8]。硬件電路設計部分主要介紹各種硬件接口電路技術，新的實驗系統(tǒng)是基于FPGA平臺的，采用的是SOC技術，SOC技術中最關鍵的是IP核[9]。目前對于“微機原理與接口技術”課程中的微處理器、存儲器、并行接口、定時/計數(shù)器、中斷、串行接口、DMA等傳統(tǒng)內容，都有相應的IP核支持，如8088IP、RAM IP、8255IP、8254IP、8259IP、16550IP、8237IP等等，學生可以致力于整機系統(tǒng)設計，有助于培養(yǎng)他們的系統(tǒng)設計能力。軟件開發(fā)和硬件電路設計兩部分相輔相成，缺一不可。

第二，增加了集中實訓課程。集中實訓課程為時一周，課程教學團隊提前設計出二十多套難度不同、分值有別的題目，以任務書的形式派發(fā)給學生，讓他們2人一組自由組合并選擇完成1道題，每組選擇都不相同，先選先定，定后不改，題目扎堆選擇的再進行調整，同時也鼓勵學生自己提出新的題目。

第三，調整了考核方式。課程教學團隊在考核方式上更加注重學生的實踐操作能力和設計效果，采用“設計過程+程序+答辯+報告”相結合的辦法，其中設計過程占總成績的30%，程序占30%，答辯占20%，報告占20%。透明的考核方式充分調動了學生學習的積極性和主動性，并且真實地反映出每位同學的實際水平。

第四，增大了實踐部分的比例。因為第一屆學生10個學時的課內實驗非常緊張，所以在第二屆本科生實際授課過程中，理論部分減少了4個學時，實驗部分增加了4個學時。通過增大實踐學時，學生的動手能力進一步增強。

第五，采用了“由淺入深，先易后難，先軟后硬、軟硬結合、層層遞進”的教學策略，學生既要學習課程新內容，又要把新技術應用到課程中，難度非常大。在實踐教學中，課程教學團隊提前給出上機內容及要求，讓學生有獨立思考的過程，預先編好程序備用。硬件電路部分通過電路設計自動化工具Quartus軟件，從基于FPGA的最小系統(tǒng)實現(xiàn)做起，然后再逐步增加接口，直至完成更復雜的設計[10]。硬件電路剛開始是完全提供給學生的，逐步讓學生自行修改部分電路，根據(jù)需要增加模塊，最后實現(xiàn)由學生本人設計整個硬件電路。不論系統(tǒng)復雜還是簡單，主要操作都是在Quartus軟件里，相比傳統(tǒng)實驗儀，它的真實連線非常少，幾乎所有功能模塊都集成在一個芯片中，從而縮小了體積，降低了功耗和成本，并提高了系統(tǒng)的可靠性和整機設計效率，可以反復使用。設計者可以更多地考慮系統(tǒng)結構，不必深陷于模塊實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)設計的復雜性[11]。

通過以上改革舉措，經過對兩屆學生的教學實踐，成效顯著。近兩年，西安航空學院計算機科學與技術本科專業(yè)學生在各類競賽中成績大幅提高，并取得了較好的獎項，創(chuàng)新及工程實踐能力進一步增強。兩年來學生參加各類競賽及獲獎情況如表2所示。

表2 2016-2017年學生競賽獲獎情況

2 結語

通過“微機原理與接口技術”課程實踐教學改革過程，從教學大綱、教學方法、考核方式、教材、實驗裝置更新，上機環(huán)境搭建，到最小系統(tǒng)形成、更復雜系統(tǒng)的形成，直至鼓勵學生自主設計實踐方案，在使用新技術詮釋傳統(tǒng)內容的具體實施過程中，整個流程不但讓學生完整、高效、深入地學習和掌握相關原理知識，更重要的是通過實踐，學生掌握了現(xiàn)代SOC數(shù)字系統(tǒng)設計的先進技術，實現(xiàn)了現(xiàn)代技術方法在原理課程實踐教學中的應用，對于準備采用基于FPGA平臺的SOC技術實踐教學的院校具有一定的借鑒意義。隨著科技進步和高校學科建設的不斷發(fā)展，國家對各類高技能人才培養(yǎng)的要求不斷提高，教學改革工作將是一項長期的系統(tǒng)工程?！拔C原理與接口技術”課程經過短期內的實踐教學改革，實驗內容在各種基本微機IO接口基礎上，增加了步進電機、直流電機、動態(tài)數(shù)碼管、串行靜態(tài)數(shù)碼管、LED點陣等IO接口。下一步準備將紅外感應、壓力、光敏、聲控、溫、濕度傳感器等內容加入到微機接口實驗系統(tǒng)，不斷更新擴展，開發(fā)出更高水平的實驗，為學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)助力。

[1] 田輝,徐惠民.“微機原理與接口技術”課程體系與內容探討[J].中國大學教學,2010(4)：35-36.

[2] 吳瓊,周昕.基于應用型人才培養(yǎng)的微機原理課程實踐教學改革[J].西部素質教育,2017,3(14):160.

[3] 蒲攀,張建峰.微機原理與應用課程教學改革與探索[J].管理觀察,2009(7):96-97.

[4] 王曉麗.《微機原理及接口技術》的教學改革與實踐[J].福建電腦,2017,33(10):174-175.

[5] 何永玲,余華芳.“微機原理與接口技術”課程綜合改革[J].電氣電子教學學報,2017,39(3):98-100,104.

[6] 萬軍,衡雪永,屈霞.微機原理課程實驗教學方法探討[J].電腦知識與技術,2015,11(10):138-140.

[7] 林學龍.SOC技術的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(上)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2002(4):5-8,61.

[8] 李海玲,孟虎.64位操作系統(tǒng)下8086環(huán)境搭建方案探究[J].西安航空學院學報,2017,35(3):91-93.

[9] 何立民.以SOC為中心的多學科融合與滲透[J].單片機及嵌入式系統(tǒng)設計,2001(5):5-6,11.

[10] 潘松,潘明,黃繼業(yè).微機原理與接口技術：基基本原理、實用技術和基于FPGA的SOC技術[M].北京：清華大學出版社,2015:1-11.

[11] 馬國俊.SOC技術及設計方法研究[J].自動化與儀器儀表,2012,159(1):6-8.