“微机系统”课程教学体系改革

“微机系统”课程教学体系改革

吴乃陵

（东南大学电子科学与工程学院，江苏南京，210096）

【摘要】　“微机系统”课程目前的教学体系已经不再适应微机技术的发展。原有的教学体系无法使学生理解386以上体系的核心思想——在硬件级别上支持操作系统。尽管微机芯片迅速更新换代，但386体系结构的基本原理自1985年夏推出80386，到新世纪的P4仍在用。本文提出以MPU对操作系统的支持为主干，辅以微机硬件和操作系统的相关知识来重新整合，建立全新的“微机系统”课程体系。新的教学体系内容包括：进程和线程、高速缓存、虚拟存储器、流水线、超标量和超级流水线等先进技术。

【关键词】　微机系统　操作系统　计算机组织与结构

【中图分类号】　G423107；P36　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2003）04－0005－04

“微机系统”课程在传统上是作为理工科非计算机专业类的专业基础课的，所用课程名称多样，诸如“微机系统原理及接口技术”、“微机原理与应用”、“微机系统及接口技术”、“微机技术及应用”、“微机硬件技术基础”等等不一，但其基本内容则大同小异，故统称为“微机系统”类课程。目前其教学内容一般以8086十六位机为基础，扩展到80386三十二位机系统。包括：CPU的操作与时序，寻址方式和指令系统，中断与DMA技术，汇编语言程序设计，接口电路与外设，总线结构，386的简介。在有些教材中还包括有单片机系统的内容。

1．“微机系统”类课程的发展

（1）第一阶段

最早的“计算机原理”课程多开设在弱电类非计算机专业，是以二进制、数字逻辑电路、加法器、算术逻辑运算单元、（学习机）指令译码及控制单元等这样一条纯硬件构成的思路来编写大纲和教材的。

（2）第二阶段

在20世纪80年代初，随着微机大量进入学校，本类课程的大纲和教材也进入微机时代，使课程的面貌有了很大改革。以大规模和超大规模集成电路为基础的MPU芯片使用改变了课程的结构，不再去讨论算术逻辑单元和控制器的构成，而是讲MPU的外部特性和编程，加上众多接口芯片的使用，教学体系与第一阶段有本质的不同，其课程架构基本上是：绪论→某种MPU的主要特点→该MPU的时序→指令系统→汇编语言编程→总线→接口技术（包括中断，串行和并行接口，DMA接口，键盘接口，显示接口，A／D和D／A转换接口等等）。

本阶段的前期是以Z80和MCS－51为代表的8位机时代；本阶段的后期是进入20世纪90年代后，逐步改变为以主流微机PC及其兼容机为背景（8086／8088）的16位机时代。这时操作系统内核的使用悄然进入。在汇编语言的编程中，由软中断对BIOS和DOS系统功能的调用成了基本内容之一。同时磁盘文件格式与运行方式也在部分教材中出现。最近几年386的工作方式进入教材，同时也对486、Pentium的知识作了介绍。

本阶段的前后两个时期，应该说教学体系没有本质的变化，所变的只是以什么机为背景机。教材不断更新，但微机的更新速度更快，甚至进入了编写好的教材还没出来就已经落后的怪圈。

2．当前“微机系统”类课程教学内容安排上存在的三个问题

（1）教材与具体芯片联系过紧，这样教材跟着CPU芯片的发展跑，从8位到16位到32位，具体芯片及微机相关技术发展太快，致使教材还没有编写完成，内容已显陈旧。

（2）微机系统是硬件与软件的结构，这里软件主要指操作系统，但传统教材往往单纯介绍硬件，或很少介绍软件，即使介绍操作系统也是单任务的DOS，主要是编程时调用其系统资源（软中断）。所以在扩展到32位的386时，学生基本不能理解386体系对多任务、多线程操作系统的全面的硬件支持，这样一个核心思想。

（3）单纯从应用的角度出发，导致对新技术、新思想反映不足。对接口电路过分的倚重，使接口电路部分的教学成为典型芯片的实验指导书，甚至把8位单片机也包含进来，内容显得繁杂和陈旧。

3．建立新的“微机系统”类课程体系

（1）建立新课程体系的必要性

我们认为应该建立新的思维方式，放弃现有“微机系统”类课程的体系，重新建立一套“微机系统”类课程全新的教学思路和构成。

我们认为微机技术发展到今天，作为理工类本科大学生必修的“微机系统”课也应进入一个新阶段，也就是应该进入“微机系统”课程发展的第三阶段。所以我们另辟蹊径，不再盲目追随芯片的更新。

从MPU与操作系统的发展看，DOS是建立在8086工作方式上的，但是8086MPU不能直接支持操作系统的许多功能，特别是多任务多进程的操作系统。与操作系统的发展不相适应。而80386体系的保护工作方式为操作系统提供了全方位的支持，特别是通过线程控制对多任务提供硬件支持，使操作系统可以非常有效和安全地实现多任务管理。而时钟速度的提高，高速缓存的使用，流水线工作方式的进步，多媒体指令（MMX）到网络指令的出现，从教学的角度看并没有真正改变微机的工作方式和基本架构。

在教学实践中我们发现，386体系的保护方式非常难讲，学生也难理解，但我们与Windows　95操作系统结合起来，按386保护主式对Windows　95的硬件支持来授课，教学就变得活跃。而且从微机系统的基本概念看，微机系统就是硬件加软件的总和。基于这样的知识，我们提出：以操作系统的硬件支持为主干来重建“微机系统”课程，而辅以操作系统和微机硬件系统中的主要子系统，各种可编程接口电路的原理及MPU中的新技术的介绍。不去过多卷入具体芯片（包括MPU和各种接口芯片）。

我们再来看看计算机专业相应的有关计算机原理方面的课程安排。计算机专业有关课程是一个系列化的课程：“体系结构——组成原理——微机技术”。教育部将配套的3本教材作为“面向21世纪课程教材”，由高教出版社出版。电子工业出版社也出版了一些国外的有关计算机组织与结构的最新优秀教材。计算机专业中有“微机系统”的课程，对操作系统有系统的教学，它的教学链是完整的，学生的知识也是全面的。相比之下，非计算机专业情况就不一样了，从教学体系上看就很不完善，单纯地强调了实用，这不但造成教学内容的陈旧，而且无法顺利进入386体系的教学，因为学生的知识无法理解386体系的核心思想。

我们认为“微机系统”这门课，应该是计算机专业的“体系结构——组成原理——微机技术”和“微机系统”课程的一个子集，但必须重新进行整合。明确地讲就是以MPU对操作系统的支持为主干，辅以微机硬件、操作系统相关知识来重新整合，建立全面的“微机系统”课程体系。

（2）新课程体系的主要特点

①淡化芯片，而从CPU体系结构出发。芯片的发展很快，一个新的型号出来，生命期可能只有一两年，而体系结构的生命期要长得多。Intel公司的32位的体系结构从1985年夏推出80386，到21世纪的P4，仍在沿用。尽管技术发展进步神速，但其基本的体系结构还保留了386的基本思想。所以在这里以386体系结构为主线索，安排教学。

②把操作系统有关进程与线程管理的内容、有关存储器管理的内容与CPU硬件对操作系统支持的思想结合起来。386体系不与操作系统结合，或者讲不懂操作系统，大学生是很难理解386体系的。

③要把尽可能新的内容，尽可能先进的技术介绍给学生，以开拓学生的视野。也就是讲在让学生掌握基本的微机系统的知识的同时，也要掌握微机技术的新的发展方向和新的概念，做到“与时俱进”。计算机技术发展史中有关组织结构和操作系统的少量引人注目的真正变革，如：系列机概念、进程与线程、微程序控制器、Cache存储器、虚拟存储器、流水、精简指令集、超标量与超级流水线、多处理器等等，都是必讲内容。为适合不同需要，部分内容可选。

④深入浅出的教学方式。特别是386保护模式在几个章节中逐步展开，先引入操作系统多进程和多线程思想，虚拟存储器管理方式，再阐明386保护模式的64T虚拟地址访问，虚拟地址到物理地址的映射和分时多任务的支持及保护机制，最后讨论中断与异常等内容。

⑤淡化汇编语言编程。由于C／C^＋＋语言的发展，微机底层的编程对汇编语言的依赖程度已经很低了。但淡化的“度”怎样反握，还是可以探讨的。我们认为有两点是可操作的：少量典型算法的程序段的编制和程序框架的构成。这两点做到就可以了。

（3）改革后新“微机系统”课程体系的优点

①可望缓解教材的迅速老化问题

我们放弃了80年代初一直沿袭下来的以MPU及接口芯片为主干的教学方式，代之以386体系为主干的教学方式，使芯片的进步不再成为教材迅速老化的主要原因。

②课程改革后，可让学生站得更高

从系统和发展的角度来把握微机，即让学生能比较全面地了解微机系统和最关键的先进技术。

4．改革的实施办法

（1）充分估计改革的困难

这门课程的改革力度相当大，完全不亚于从第一阶段到第二阶段的改革力度。要使教学体系和教学内容发生本质的变化，改革的困难怎么估量也不为过。从教材来讲，旧的不能用了，新的要编，但没有可供修改的参考范本，一切得从头来起，不仅工作量巨大，而且因缺少相应的教学实践，编书时心中无底，不知学生能否接受。从实验设备看，从第一阶段向第二阶段发展时，原来是一张白纸，好写最新最美的文字，好画最新最美的图画；现在不同了，有一大堆适应原来教学体系的设备，必须考虑怎么利用才能适应新的情况。

（2）把握好改革的“度”

这一改革思想近三年来在不同的学生中进行了实践，取得了一些直接的经验。教学内容的取舍，特别是教到什么深度，范围达到什么广度，对这个“度”的掌握，已经做到心中有底；对实验方面的处理也有了适当的方法。

实验方法把“应用”从教学中分离出去，由另外的电子电工系列实验来完成，实验室有什么条件就做什么类型芯片的实验。从基本原理出发，用传统的小规模芯片做实验，用较低档的CPU芯片做实验，教学效果是一样的。这样不会被实验拖后腿，而不便以更先进的内容进行教学。实验可包括三部分：汇编语言编程、可编程接口芯片和微机实用接口技术。这在普通实验室都可以完成，无须大的改造和投资。

（3）新教材的建设是关键

一门课程的改革成败关键在于有无一本好的教材。新的教材将在明年上半年出版。主要内容包括三个部分：

第一部分

这是在传统16位微机教材基础上精简和发展而来的，虽然全书以386体系结构为主背景，但这一部分仅细讲实模式（8086）有关内容，包括：微处理器组织、微处理器指令集、汇编语言编程和输入和输出方式。

第二部分

主要为操作系统与386CPU对它的支持。包括：进程与线程，主存储器、高速缓存与虚拟存储器，386体系结构处理器对操作系统的支持，精简指令集与超标量处理器技术。

第三部分

主要是应用技术，它包括：文件管理与安全性、总线技术、微机系统实用接口技术、嵌入式微机系统简介。

其中第一部分保留了原教学体系所用教材的内容。改革必须有连续性，应把好的可用的留下，把落后的无用的放弃，哲学上叫做“扬弃”。这样做，一方面是为了实验室工作的连续性，另一方面也是应该有所保留的。

教学内容要求精练，但不在篇幅上过度压缩教材，要让学生自学也能看懂。从一些国外优秀教材看，其篇幅都远大于国内同类教材，其最大的优点是易读易懂。而国内一些很有新意的教材，由于在篇幅上过分压缩，以致学生看不懂，意见很大。其实学生的时间是无价的，压缩篇幅降低了书价，远远抵不了学生因看不懂而多花时间的代价！易读易懂也应该成为一本好教材的一大优点。

5．结语

我们这项改革预计将会引发很大争议，但是事物总是会在争论中发展的，我们为把这门课程真正改好，愿以此与同行探讨，互相促进。

（原载于《电气电子教学学报》，2003年第4期）