应用型专业计算机硬件课程体系建设的探讨

应用型专业计算机硬件课程体系建设的探讨

章韵倪晓军Summary：高等院校计算机工程专业方向的计算机硬件课程体系主要培养学生对中小型计算机应用系统的设计和应用能力。本文分析了许多院校的应用型计算机硬件课程体系的课程组成及体系内课程内容的配合关系，根据计算机技术的发展情况，提出调整“微型计算机原理”和“单片机原理与应用”课程在课程体系中的位置和作用，以改进教学效果的观点。Key：课程体系；计算机硬件；单片机；系统应用：G642：B：1672-5913(2009)04-0099-031引言在高等院校计算机专业课程中，计算机硬件系列课程是一个重要的方面。对于培养工程应用型人才的院校来说，计算机硬件系列课程着重于介绍计算机系统的组成和体系结构，计算机应用系统的设计和构成，计算机系统和数据通信系统的集成应用原理和技术等。在计算机应用领域中，各种智能控制终端、数据采集设备等末端系统的作用非常重要，有时甚至是起决定性作用的。社会对这方面的人才需求是大量的、迫切的，学校也需要切实加强对学生在计算机系统、硬件应用能力方面的培养。如何设置及组织计算机系统和硬件系列课程和实验，加强实践训练，对培养学生在中小型智能终端系统、控制系统的设计和应用能力方面，有着很大影响和作用。2计算机硬件课程体系的构成工程应用型计算机专业人才，即计算机工程专业方向人才的知识体系和专业能力，在于设计和构建计算机系统和基于计算机的系统，包括研究计算机硬件、软件、通信以及它们之间的交互。计算机工程专业方向的学生要学习包括计算机、通信系统、含有计算机设备的数字硬件系统的设计，并且要学习这些设备中软件的开发。计算机工程覆盖的范围从理论、原理到使用硬件和软件设计开发产品的实际应用。其知识领域主要强调以下方面：操作系统原理与设计、人机交互、法律/职业/伦理/社会、技术需求分析、嵌入式系统、分布式系统、计算机体系结构与组织、计算机系统工程、数字逻辑等。目前，大多数高等院校应用型专业的计算机硬件课程体系构成如图1所示。在计算机硬件课程体系中，“模拟电子电路技术”，“数字电路与逻辑设计”课程是整个体系的基础知识，计算机系统的所有部件，各种数据采集、系统控制功能都是基于模拟和数字电路来实现的，掌握这部分知识对于理解计算机部件、接口电路器件的工作原理非常重要。在此基础上，“计算机组成原理”、“计算机系统结构”从原理上论述了计算机系统内各个部件的组成和功能模块之间的关系、计算机中央处理器CPU的工作原理，数据处理方法、处理过程、与外部设备的信息交互等。“操作系统”介绍了计算机系统如何对内部资源的进行管理以及为用户提供使用计算机资源的手段。掌握这些知识，就可以从原理上了解计算机系统的工作原理和系统构成。而“汇编语言程序设计”和“微型计算机原理与接口技术”则是在前面计算机系统工作原理学习的基础之上，以具体的某一种计算机系统(一般是微型计算机系统)为例，具体说明计算机各个部件的工作方式和过程，如CPU指令系统、CPU的操作、存储器读写和外设接口的输入输出操作等。同时，配合相应的实验，进行简单汇编语言程序的设计和编写，设计接口电路和外部设备的连接，并完成一定的输入输出和控制操作，以验证相应汇编指令的作用、接口电路的功能等。在完成以上课程后，还开设了“单片机原理与应用”、“计算机设计技术”、“嵌入式系统与应用”等选修课，使学生了解多种计算机系统的应用，以进一步开阔学生的知识面，培养和提高对计算机应用系统的设计和开发能力。在计算机硬件课程体系中的所有课程，基本都配有相应的实验。通过实验，让学生更好地掌握相关理论知识，并进行一些应用实践。这些实验对于学生深刻理解计算机系统的工作原理，培养设计和构建计算机应用系统的能力，发挥了很大作用。在计算机硬件课程体系教学中，通过相关课程的配合，比较全面地介绍了计算机硬件技术，为学生建立了从基础到实际应用的一个完整的计算机硬件系统的概念。多年的教学实践证明这种计算机硬件课程体系具有一定的合理性。3日前的课程体系中存在的问题如图1所示，在目前大多数学校的计算机硬件课程体系中，“汇编语言程序设计”和“微型计算机原理与接口技术”及其实验课程作为计算机硬件系统和应用的实例，为学生展示了计算机硬件系统各个部件的组成和工作原理，如中央处理器CPU、存储器、译码电路、接口电路等，以及它们的相互连接。在程序的控制下，计算机各个部件相互配合，完成一定的处理和控制功能，学生通过编写汇编程序代码、设计接口电路和外部电路，并通过调试电路和程序，完成相应的实验，从而更好地理解相关理论，了解计算机各个部分的功能，掌握计算机系统设计和应用能力。在计算机技术发展的早期，计算机电路的集成度比较低，各种接口电路、控制芯片的功能比较单一，对计算机系统的控制非常直观、有效。从微处理器芯片发展的早期到目前为止，Intelx86系列处理器在微型计算机领域里都占有着绝对的优势，应用非常广泛。因此大多数学校的微型计算机理论课程和实验系统都是以Intelx86系列CPU为核心，使用8086系列汇编语言来进行实验。这些课程的理论和实验教学对于帮助学生理解和掌握微型计算机系统组成及其应用发挥了巨大作用，取得了良好的教学效果。随着电子技术和集成电路技术的发展，微型计算机处理器芯片和接口电路的集成度迅速提高，功能和控制更加复杂，Intelx86系列处理器构成的系统已经向大规模、高性能方向发展，微型计算机系统的设计趋向于专业化、复杂化。对于初学者来说，学习、理解这样的复杂系统非常困难，用以设计、实现小型实验应用系统也几乎不可能。而且如果微型计算机原理方面的课程仍然以传统的Intel8086系列CPU芯片为例来介绍计算机系统的系统组成和应用，则又不能适应微型计算机技术的发展。随着计算机硬件处理能力的提高，操作系统也要求提供更加强大的功能和系统安全可靠性，因此，现在流行的操作系统往往采用计算机硬件保护机制，不允许用户直接对计算机硬件进行控制，必须通过操作系统的相关功能调用来控制硬件的操作。操作系统的这种思想和实现，可以更好地保护计算机系统的安全，但对需要详细了解计算机硬件工作原理和控制过程的学习和实验却造成了障碍。目前大多数微型计算机原理和接口方面的课程实验，往往只涉及某些接口电路的功能和应用，对学生深入了解计算机内部控制机制，培养和训练计算机系统整体设计和应用方面的能力，产生了一定的影响。目前计算机硬件课程体系中的“单片机原理与应用”等课程，往往作为专业选修课，在三年级第二学期或四年级第一学期开设，总学时和实验学时也相对较少。同时由于找工作或考研究生等多方面因素影响，学生对这些课程的重视程度不够，使得这些课程的教学效果大打折扣。学生在学习完相关课程后，只能对计算机体系结构和组成的理论有所了解，掌握一些接口芯片的简单、孤立的应用技术，缺乏对计算机系统的整体设计和综合应用能力。4调整课程设置，加强实践环节由以上的分析可以看出，目前大多数高校的应用型专业计算机硬件课程体系虽然在理论上可以达到相应的培养目标，但在实际上由于各种因素的影响，而且随着计算机技术的发展和变化，原先的课程设置可能达不到预想的教学效果，有必要进行相应的调整。在微型计算机处理器发展的同时，单片微型计算机系列芯片、嵌入式微型计算机技术也得到了迅速发展，已经逐渐成为广泛应用的小型智能终端计算机系统的核心。目前，在各种领域中广泛应用的单片机系统有多个厂家、多种系列，其体系结构、数据处理方式、控制方式等方面都存在很大差别。单片机系统既能够以单芯片处理器加上少量的辅助电路构成小型简单应用系统，也可以配合以一定规模的外围电路形成较强功能的系统。虽然目前单片机芯片的性能迅速提高，但相对而言处理能力仍然较弱，一般应用于相对简单的小型控制系统或大中型系统的智能终端部分。这是单片机系统的局限性，从某些方面来看却又是优点。单片机系统规模虽小，但处理器、存储器、总线和接口电路等各部分模块齐全，功能清楚，便于初学者理解和掌握计算机系统的相关概念和理论。而且大多数单片机系列芯片和接口芯片价格低廉，系统设计和实现简单，非常适合用于计算机硬件的教学。IntelMCS-51系列单片机是目前最常见的、典型的单片机系统，并且与Intelx86系列CPU构成的系统在体系结构和控制等方面有许多相似之处，因此在多数高校中都以MCS-51系列单片机芯片作为典型，进行单片机系统的教学。由于IntelMCS-51系列单片机与Intelx86系列CPU构成的系统的相似性，在计算机硬件课程体系中，可以用“单片机原理与应用”代替“微型计算机原理与接口技术”课程，即以MCS-51单片机系统代替Intelx86系统作为计算机组成原理和体系结构的实例开展教学。由于单片机系统功能和构成简单，便于理解，对于学生理解计算机硬件体系构成，掌握计算机系统的设计和实现技能，可能具有更好的教学效果。而且芯片价格低廉，在同等教学经费的情况下，可以提供更多的实验系统和实验时间，让学生有更多的机会对单片机系统的指令集合、控制时序、接口芯片的应用进行学习，对相关知识有更加充分的了解，并能够设计和实现简单的单片机应用系统，培养学生的创新和实践动手能力。因此，在计算机硬件课程系列的设置中，建议增加“单片机原理与应用”课程的教学课时和实验学时，作为必修课程，让学生通过对单片机系统的学习和实验了解和掌握计算机系统的原理和应用。同时适当减少“汇编语言程序设计”和“微型计算机原理与接口技术”的课时，或者将其精简合并成为一门选修课程，将Intelx86系列处理器作为一种典型的体系，向学生介绍计算机系统的一个重要的分支——微型计算机系统的特点和体系结构，及其相关应用技术。在已经掌握单片机系统原理和应用的基础上再学习通用微型计算机系统，也会更加容易理解相关的概念和理论。在调整课程重点的同时，还必须进一步加强实践教学环节。只有通过大量的实验和其它实践教学环节，才能更好地理解理论，强化有关知识点的学习，掌握解决实际问题的能力。由于单片机系统相对简单，因此，理论教学部分可以适当减少，相应增加实验课时，给学生更多的实践机会。当然，在整个计算机硬件课程体系中，都应该尽可能地增加实践教学过程，为培养学生的实际应用能力创造条件。近年来，嵌入式系统作为计算机技术发展的又一个新的分支，越来越受到重视，嵌入式系统处理器比一般单片机系统集成度更高，其寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度0.1～2000MIPS(百万条指令/秒)，系统管理和控制功能更加强大。配合嵌入式系统硬件的发展，源码开放、稳定高效，易定制、易剪裁的嵌入式操作系统也得到了迅速发展，嵌入式网络协议栈、嵌入式人机界面、嵌入式软件开发工具等得到了广泛应用。嵌入式系统的典型应用包括汽车电子、数控加工装备、智能仪器仪表、自动化控制系统等。在实现信息化与工业化融合的具体途径方面，以芯片和软件为核心的嵌入式系统技术将发挥巨大作用，起到连接信息化与工业化的“桥梁”作用，成为计算机技术中最具活力的部分。嵌入式系统是嵌入式硬件和嵌入式软件的综合体，两者相辅相成，密不可分，硬件的设计服务于软件功能，软件的开发必须考虑硬件资源的有限性。嵌入式系统既有通用微处理器系统的共同特点，又具有自己独特的技术特点。嵌入式系统的组成和功能比普通单片机系统更加复杂、强大，但比目前的Intelx86系统还是简单得多，而且可以根据应用需求，在系统规模和复杂度方面灵活配置、构造应用系统。嵌入式系统有着巨大的发展空间和广泛的应用前景，开设“嵌入式系统与应用”课程，既可以作为“单片机原理和应用”课程和“微型计算机原理和接口技术”课程之间的衔接，又可以作为计算机新技术发展和