應(yīng)用型專業(yè)計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)的探討

應(yīng)用型專業(yè)計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)的探討

章韻倪曉軍Summary：高等院校計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向的計(jì)算機(jī)硬件課程體系主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)中小型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。本文分析了許多院校的應(yīng)用型計(jì)算機(jī)硬件課程體系的課程組成及體系內(nèi)課程內(nèi)容的配合關(guān)系，根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況，提出調(diào)整“微型計(jì)算機(jī)原理”和“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程在課程體系中的位置和作用，以改進(jìn)教學(xué)效果的觀點(diǎn)。Key：課程體系；計(jì)算機(jī)硬件；單片機(jī)；系統(tǒng)應(yīng)用：G642：B：1672-5913(2009)04-0099-031引言在高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中，計(jì)算機(jī)硬件系列課程是一個(gè)重要的方面。對(duì)于培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的院校來說，計(jì)算機(jī)硬件系列課程著重于介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的集成應(yīng)用原理和技術(shù)等。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，各種智能控制終端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等末端系統(tǒng)的作用非常重要，有時(shí)甚至是起決定性作用的。社會(huì)對(duì)這方面的人才需求是大量的、迫切的，學(xué)校也需要切實(shí)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、硬件應(yīng)用能力方面的培養(yǎng)。如何設(shè)置及組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和硬件系列課程和實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生在中小型智能終端系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力方面，有著很大影響和作用。2計(jì)算機(jī)硬件課程體系的構(gòu)成工程應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，即計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向人才的知識(shí)體系和專業(yè)能力，在于設(shè)計(jì)和構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，包括研究計(jì)算機(jī)硬件、軟件、通信以及它們之間的交互。計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向的學(xué)生要學(xué)習(xí)包括計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、含有計(jì)算機(jī)設(shè)備的數(shù)字硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且要學(xué)習(xí)這些設(shè)備中軟件的開發(fā)。計(jì)算機(jī)工程覆蓋的范圍從理論、原理到使用硬件和軟件設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。其知識(shí)領(lǐng)域主要強(qiáng)調(diào)以下方面：操作系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)、人機(jī)交互、法律/職業(yè)/倫理/社會(huì)、技術(shù)需求分析、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程、數(shù)字邏輯等。目前，大多數(shù)高等院校應(yīng)用型專業(yè)的計(jì)算機(jī)硬件課程體系構(gòu)成如圖1所示。在計(jì)算機(jī)硬件課程體系中，“模擬電子電路技術(shù)”，“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程是整個(gè)體系的基礎(chǔ)知識(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有部件，各種數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制功能都是基于模擬和數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的，掌握這部分知識(shí)對(duì)于理解計(jì)算機(jī)部件、接口電路器件的工作原理非常重要。在此基礎(chǔ)上，“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”從原理上論述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件的組成和功能模塊之間的關(guān)系、計(jì)算機(jī)中央處理器CPU的工作原理，數(shù)據(jù)處理方法、處理過程、與外部設(shè)備的信息交互等。“操作系統(tǒng)”介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如何對(duì)內(nèi)部資源的進(jìn)行管理以及為用戶提供使用計(jì)算機(jī)資源的手段。掌握這些知識(shí)，就可以從原理上了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成。而“匯編語言程序設(shè)計(jì)”和“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”則是在前面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作原理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上，以具體的某一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(一般是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng))為例，具體說明計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作方式和過程，如CPU指令系統(tǒng)、CPU的操作、存儲(chǔ)器讀寫和外設(shè)接口的輸入輸出操作等。同時(shí)，配合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行簡單匯編語言程序的設(shè)計(jì)和編寫，設(shè)計(jì)接口電路和外部設(shè)備的連接，并完成一定的輸入輸出和控制操作，以驗(yàn)證相應(yīng)匯編指令的作用、接口電路的功能等。在完成以上課程后，還開設(shè)了“單片機(jī)原理與應(yīng)用”、“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”等選修課，使學(xué)生了解多種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，以進(jìn)一步開闊學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)和提高對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)能力。在計(jì)算機(jī)硬件課程體系中的所有課程，基本都配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更好地掌握相關(guān)理論知識(shí)，并進(jìn)行一些應(yīng)用實(shí)踐。這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，培養(yǎng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力，發(fā)揮了很大作用。在計(jì)算機(jī)硬件課程體系教學(xué)中，通過相關(guān)課程的配合，比較全面地介紹了計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，為學(xué)生建立了從基礎(chǔ)到實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的概念。多年的教學(xué)實(shí)踐證明這種計(jì)算機(jī)硬件課程體系具有一定的合理性。3日前的課程體系中存在的問題如圖1所示，在目前大多數(shù)學(xué)校的計(jì)算機(jī)硬件課程體系中，“匯編語言程序設(shè)計(jì)”和“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”及其實(shí)驗(yàn)課程作為計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和應(yīng)用的實(shí)例，為學(xué)生展示了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各個(gè)部件的組成和工作原理，如中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、譯碼電路、接口電路等，以及它們的相互連接。在程序的控制下，計(jì)算機(jī)各個(gè)部件相互配合，完成一定的處理和控制功能，學(xué)生通過編寫匯編程序代碼、設(shè)計(jì)接口電路和外部電路，并通過調(diào)試電路和程序，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，從而更好地理解相關(guān)理論，了解計(jì)算機(jī)各個(gè)部分的功能，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的早期，計(jì)算機(jī)電路的集成度比較低，各種接口電路、控制芯片的功能比較單一，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制非常直觀、有效。從微處理器芯片發(fā)展的早期到目前為止，Intelx86系列處理器在微型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里都占有著絕對(duì)的優(yōu)勢，應(yīng)用非常廣泛。因此大多數(shù)學(xué)校的微型計(jì)算機(jī)理論課程和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都是以Intelx86系列CPU為核心，使用8086系列匯編語言來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這些課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于幫助學(xué)生理解和掌握微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成及其應(yīng)用發(fā)揮了巨大作用，取得了良好的教學(xué)效果。隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)處理器芯片和接口電路的集成度迅速提高，功能和控制更加復(fù)雜，Intelx86系列處理器構(gòu)成的系統(tǒng)已經(jīng)向大規(guī)模、高性能方向發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨向于專業(yè)化、復(fù)雜化。對(duì)于初學(xué)者來說，學(xué)習(xí)、理解這樣的復(fù)雜系統(tǒng)非常困難，用以設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)小型實(shí)驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)也幾乎不可能。而且如果微型計(jì)算機(jī)原理方面的課程仍然以傳統(tǒng)的Intel8086系列CPU芯片為例來介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和應(yīng)用，則又不能適應(yīng)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件處理能力的提高，操作系統(tǒng)也要求提供更加強(qiáng)大的功能和系統(tǒng)安全可靠性，因此，現(xiàn)在流行的操作系統(tǒng)往往采用計(jì)算機(jī)硬件保護(hù)機(jī)制，不允許用戶直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行控制，必須通過操作系統(tǒng)的相關(guān)功能調(diào)用來控制硬件的操作。操作系統(tǒng)的這種思想和實(shí)現(xiàn)，可以更好地保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全，但對(duì)需要詳細(xì)了解計(jì)算機(jī)硬件工作原理和控制過程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)卻造成了障礙。目前大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)原理和接口方面的課程實(shí)驗(yàn)，往往只涉及某些接口電路的功能和應(yīng)用，對(duì)學(xué)生深入了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部控制機(jī)制，培養(yǎng)和訓(xùn)練計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的能力，產(chǎn)生了一定的影響。目前計(jì)算機(jī)硬件課程體系中的“單片機(jī)原理與應(yīng)用”等課程，往往作為專業(yè)選修課，在三年級(jí)第二學(xué)期或四年級(jí)第一學(xué)期開設(shè)，總學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)也相對(duì)較少。同時(shí)由于找工作或考研究生等多方面因素影響，學(xué)生對(duì)這些課程的重視程度不夠，使得這些課程的教學(xué)效果大打折扣。學(xué)生在學(xué)習(xí)完相關(guān)課程后，只能對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組成的理論有所了解，掌握一些接口芯片的簡單、孤立的應(yīng)用技術(shù)，缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用能力。4調(diào)整課程設(shè)置，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)由以上的分析可以看出，目前大多數(shù)高校的應(yīng)用型專業(yè)計(jì)算機(jī)硬件課程體系雖然在理論上可以達(dá)到相應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)，但在實(shí)際上由于各種因素的影響，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和變化，原先的課程設(shè)置可能達(dá)不到預(yù)想的教學(xué)效果，有必要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在微型計(jì)算機(jī)處理器發(fā)展的同時(shí)，單片微型計(jì)算機(jī)系列芯片、嵌入式微型計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為廣泛應(yīng)用的小型智能終端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。目前，在各種領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)有多個(gè)廠家、多種系列，其體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方式、控制方式等方面都存在很大差別。單片機(jī)系統(tǒng)既能夠以單芯片處理器加上少量的輔助電路構(gòu)成小型簡單應(yīng)用系統(tǒng)，也可以配合以一定規(guī)模的外圍電路形成較強(qiáng)功能的系統(tǒng)。雖然目前單片機(jī)芯片的性能迅速提高，但相對(duì)而言處理能力仍然較弱，一般應(yīng)用于相對(duì)簡單的小型控制系統(tǒng)或大中型系統(tǒng)的智能終端部分。這是單片機(jī)系統(tǒng)的局限性，從某些方面來看卻又是優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)規(guī)模雖小，但處理器、存儲(chǔ)器、總線和接口電路等各部分模塊齊全，功能清楚，便于初學(xué)者理解和掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)概念和理論。而且大多數(shù)單片機(jī)系列芯片和接口芯片價(jià)格低廉，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡單，非常適合用于計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)。IntelMCS-51系列單片機(jī)是目前最常見的、典型的單片機(jī)系統(tǒng)，并且與Intelx86系列CPU構(gòu)成的系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)和控制等方面有許多相似之處，因此在多數(shù)高校中都以MCS-51系列單片機(jī)芯片作為典型，進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)。由于IntelMCS-51系列單片機(jī)與Intelx86系列CPU構(gòu)成的系統(tǒng)的相似性，在計(jì)算機(jī)硬件課程體系中，可以用“單片機(jī)原理與應(yīng)用”代替“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，即以MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)代替Intelx86系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)組成原理和體系結(jié)構(gòu)的實(shí)例開展教學(xué)。由于單片機(jī)系統(tǒng)功能和構(gòu)成簡單，便于理解，對(duì)于學(xué)生理解計(jì)算機(jī)硬件體系構(gòu)成，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技能，可能具有更好的教學(xué)效果。而且芯片價(jià)格低廉，在同等教學(xué)經(jīng)費(fèi)的情況下，可以提供更多的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的指令集合、控制時(shí)序、接口芯片的應(yīng)用進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)相關(guān)知識(shí)有更加充分的了解，并能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐動(dòng)手能力。因此，在計(jì)算機(jī)硬件課程系列的設(shè)置中，建議增加“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，作為必修課程，讓學(xué)生通過對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)了解和掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的原理和應(yīng)用。同時(shí)適當(dāng)減少“匯編語言程序設(shè)計(jì)”和“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”的課時(shí)，或者將其精簡合并成為一門選修課程，將Intelx86系列處理器作為一種典型的體系，向?qū)W生介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要的分支——微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。在已經(jīng)掌握單片機(jī)系統(tǒng)原理和應(yīng)用的基礎(chǔ)上再學(xué)習(xí)通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也會(huì)更加容易理解相關(guān)的概念和理論。在調(diào)整課程重點(diǎn)的同時(shí)，還必須進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。只有通過大量的實(shí)驗(yàn)和其它實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，才能更好地理解理論，強(qiáng)化有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，掌握解決實(shí)際問題的能力。由于單片機(jī)系統(tǒng)相對(duì)簡單，因此，理論教學(xué)部分可以適當(dāng)減少，相應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，給學(xué)生更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)。當(dāng)然，在整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件課程體系中，都應(yīng)該盡可能地增加實(shí)踐教學(xué)過程，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力創(chuàng)造條件。近年來，嵌入式系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)新的分支，越來越受到重視，嵌入式系統(tǒng)處理器比一般單片機(jī)系統(tǒng)集成度更高，其尋址空間一般從64KB到16MB，處理速度0.1～2000MIPS(百萬條指令/秒)，系統(tǒng)管理和控制功能更加強(qiáng)大。配合嵌入式系統(tǒng)硬件的發(fā)展，源碼開放、穩(wěn)定高效，易定制、易剪裁的嵌入式操作系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、嵌入式人機(jī)界面、嵌入式軟件開發(fā)工具等得到了廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用包括汽車電子、數(shù)控加工裝備、智能儀器儀表、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。在實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合的具體途徑方面，以芯片和軟件為核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)將發(fā)揮巨大作用，起到連接信息化與工業(yè)化的“橋梁”作用，成為計(jì)算機(jī)技術(shù)中最具活力的部分。嵌入式系統(tǒng)是嵌入式硬件和嵌入式軟件的綜合體，兩者相輔相成，密不可分，硬件的設(shè)計(jì)服務(wù)于軟件功能，軟件的開發(fā)必須考慮硬件資源的有限性。嵌入式系統(tǒng)既有通用微處理器系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，又具有自己獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)的組成和功能比普通單片機(jī)系統(tǒng)更加復(fù)雜、強(qiáng)大，但比目前的Intelx86系統(tǒng)還是簡單得多，而且可以根據(jù)應(yīng)用需求，在系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度方面靈活配置、構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)有著巨大的發(fā)展空間和廣泛的應(yīng)用前景，開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程，既可以作為“單片機(jī)原理和應(yīng)用”課程和“微型計(jì)算機(jī)原理和接口技術(shù)”課程之間的銜接，又可以作為計(jì)算機(jī)新技術(shù)發(fā)展和