32位环境下微机原理与接口实践教学改革探讨

32位环境下微机原理与接口实践教学改革探讨

马旭东　顾　群　陈正纲　戴先中

（东南大学自动化学院，江苏南京，210096）

【摘要】　“微机原理与接口”类课程是目前在内容和方法上突出困扰高等学校电子信息与电气学科技术基础课程教学的课程之一。本文分析了目前32位环境下微机原理与接口实践教学面临的困难和任务，结合32位微机原理与接口理论教学的推广，提出了由16位微机到32位微机原理与接口实验的分层次过渡解决方案和基本实验内容，论述了正在探索研究中的新的实践教学体系。

【关键词】　微机原理　接口技术　改革　实践教学

【中图分类号】　G423．07　　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2006）04－0005－05

1．引言

伴随现代计算机技术的快速发展，以Intel　80×86／Pentium高级微处理器为核心、Win－dows操作系统为个人计算机主流应用环境的微机系统日益普及，微机系统应用软件开发也随之猛增，成为人们日常生活、学习、娱乐的重要助手；与此同时以嵌入式系统为特征的应用型微控制器（MCU，单片机）和多功能嵌入式微处理器也已成为硬件系统应用开发新的主体，形成了工业控制、网络通信、手持设备应用方面广泛的市场。与此相对应，在微机原理与接口课程教学体系上也形成了两类模式，一类以16／32位英特尔构架（IA－16／32）为教学和实践内容，侧重于计算机硬件、软件原理性基础理论及开发基础，另一类则以简单、易学、集成化的微控制器（以及嵌入式处理器）为教学内容，侧重专业应用技术。虽然两类教学体系在具体教学内容上都覆盖了处理器、指令（汇编语言）、存储器、I／O接口电路及控制应用等，但却反映了在人才培养目标和指导思想的差异。

目前，作为国内计算机硬件应用和系统开发人才培养主体的高校电子信息与电气学科，教学主要采用以IA－16／32处理器为实例的模式，重在加强学生计算机硬软件技术基础，而把与应用、就业密切相关的微控制器、数字信号处理器DSP／DSP控制器以及嵌入式系统等作为专业选修课程或独立实践课程修学。然而面对着飞速发展的IA－32技术体系，目前国内高校的微机原理与接口理论教学基本停留在陈旧的IA－16阶段，少数开设了32位微机教学的学校也只介绍部分理论内容，基本没有开设实验，使得微机教学与技术发展严重脱节，学生很难理解掌握32位微机基本技术和特点，也使整体实践教学效果大打折扣，成为一门“很难”动手的实践类课程。与此同时，如何针对原理性课程的需要，设计实验内容，在有限的学时条件下兼顾教学需要，也成为实践教学改革颇有争议的部分^{［1，4，5］}。

基于这一现状的分析，我们从2001年起在“微机系统与接口”课程教学大纲和教学内容中开始引入了32位微机基础理论，但实验部分仍停留在易于理解掌握的IA－16阶段^［2，3］。另外从具体实验效果看，目前的高校学生已很少愿意了解掌握20世纪80年代陈旧的MS－DOS体系结构、命令和传统的命令行或文本画面操作方式，实验效果越来越差，而随着传统的16位微机原理已为支持多任务、多用户的32位原理所代替，16位I／O总线ISA的彻底淘汰出市场（目前流行市售PC已不再提供这一总线），32／64位PCI总线作为主要的接口总线代替了ISA总线，进入32位接口方式，高速的USB和以太网也成为标准的串行接口。

和理论教学相应，实践教学从16位微机系统与接口技术转到32位，可以使实践教学内容贴近当前微机发展的实际内容，了解当代操作系统的底层原理，不仅提高了教学层次，还可促进教师及学生科研和开发水平的提高，为日后解决现代微机应用开发中存在的关键技术问题打下了坚实的基础。对学生来说，精深的微机知识对其良好就业提供了重要支持，而对用人单位来说，教学层次的提高，也解决了其对掌握32位微机系统应用开发人才的需求问题。

然而，从教学内容上看，32位微机系统结构和接口技术与16位相比有着质的飞跃，这不仅对学生，同时也对教师提出了很高的要求，为了顺利过渡到32位微机系统原理与接口的全面调整，随着32位微机实验系统开始进入市场，非常有必要实施新一代微机系统与接口实践教学的改革与实践，使之面向32位系统和接口技术，更好地配合理论教学，并通过加强探索与开发型实验达到新的人才培养要求。

本文结合东南大学“微机系统与接口”国家精品课程的建设，针对微机原理与接口课程教学的特点，探讨研究面向IA－32的实践教学体系的改革。文中首先分析目前微机原理与接口实践教学的现状和存在问题，针对性地提出构建新体系的构想，讨论了分层次与过渡改革方案，并在最后给出目前所进行的实践探索。

2．现状与技术分析

目前国内微机（原理与接口）实验主要以普通台式微机为处理器主体，配以标准微机外设，并采取总线扩展形式，提供扩展、接口和控制实验，如图1。

图1　典型基于PC机总线扩展的微机原理与接口实验箱

根据实验装置总线和内容分为16位和32位两类。

16位实验装置以传统的MS2DOS为基本实验平台，8／16位ISA总线为接口，易于实现基于IA－16汇编语言程序设计和8088／8086系列LSI接口芯片组的应用实验［3］。ISA总线接口工作方式和常规时序一般与绝大多数微处理器和微控制器扩展应用相接近，易于掌握和设计硬件电路，是较为理想的接口实验环境；调试器以命令行程序Debug为主，资源要求低，易于观察系统状态和直接I／O操作，但可视化水平低，界面不直观，只支持8086指令，不支持源代码调试和鼠标操作；也有采用Tur－bo2De2bugger调试器，提供字符窗口和鼠标操作界面，支持源代码调试，并支持80386实模式指令，但不支持直接I／O和80386保护模式指令。事实上目前此类微机实验系统主要基于已淘汰的Intel804／862PentiumⅢ机型，几年来也采用相对简单、兼容IA－16的Windows9X操作系统。由于近年来Intel公司新的主流主板和芯片组不再支持ISA总线，传统的16位微机实验装置既面临来源的困境，又需面对在技术上被淘汰而不再实用的问题。

因此，建立在32位PCI总线基础上的伪ISA总线微机实验装置应运而生，利用AMCC的S5933、PLX公司的PCI905X等总线转换专用芯片或开发PLD器件获得主要的ISA信号，进而沿用传统的16位实验模式和内容，满足基本实验的要求。但由于PCI总线的参数配置和I／O映象模式，使得这种实验模式“人造”痕迹明显，难以理解；而由于基本微机操作环境转向更高性能的32位MS2Windows2000／XP，操作系统严格的硬件管理已不适合作为实验平台，不得不配用淘汰的、16位兼容的操作系统Windows9X，这就形成了新的矛盾。如果在此环境下仍然要求学生掌握传统的MS－DOS命令行操作方式，更加深了教学矛盾。新的32面向32位总线（兼容16位模式）和IA－32编程模式的实验装置，除提供基础性的传统的仿16位总线（ISA）和IA－16编程外，部分实验装置也提供了32位PCI标准总线扩展，为32位总线接口和IA－32编程系统实验提供了基本条件。另外部分改进的装置还提供了简单的微控制器（MCS－51）和USB接口作为实验主控处理器，使得系统和接口原理更加易于理解掌握，也满足了简单的微控制器学习实验^{［4，6，7］}。

另一种模式为独立处理器模式，可分为双机模式和嵌入式一体化模式：

（1）机模式实验箱处理器为8086／8088，一般借助另一台PC完成调试，两机采用串行通信，主要完成IA－16微机与接口的基本试验，处理器也可换用8位或16位控制器（MCS51／MCS96），可独立运行，也有部分采用80386或Pentium，支持IA－32实验环境。其特点是实验箱经济、简单，技术陈旧，连接速度慢，层次不高，缺少新技术氛围；

（2）嵌入式一体化模式，该模式是最近才出现的，由国内复旦大学等部分高校计算机专业发起，在英特尔公司赞助下，由研祥科技和清华教学仪器厂联合生产开发了新型嵌入式微机原理实验箱［8，9］，撇开了传统的主流微机＋总线扩展＋接口实验箱的模式，一方面将典型主流微机主机板（超低电压赛扬处理器、支持ISA／PCI总线的芯片组、DDR存储器、经典串并口、键盘鼠标接口、显声卡、USB接口、以太网接口，移动存储CF卡等，参见图2）直接展示在学生面前，同时提供了基于常规、经典ISA总线接口实验手段，更重要的在于提供了在百兆容量移动存储器的基于嵌入式操作系统进行实验管理或直接开发基于32位编程技术的实验系统实现的可能途径。这种模式基于英特尔公司专门提供的支持ISA总线的嵌入式低电压IA－32处理器和芯片组主机技术，在系统技术上包括了最新的硬件外设，支持台式机（需挂接硬盘、光驱，主要用于嵌入式系统开发等）和嵌入式（充分利用移动存储、USB和以太网接口等）模式，该系统只需另配显示器、鼠标键盘就可完成基本系统与接口实验，所配CF存储卡可根据需要选配（100M～1GB以上），可构成各类系统；外接硬盘光驱、软驱（非标配），即可组成一台PⅢ档次的标准微机。显然这种模式具有较高的性价比和技术先进性，是未来微机原理与接口实验装置的发展方向，但是在某种意义下，取决于英特尔公司未来的继续支持和更多的商业性操作。该系统接口硬件上为ISA总线，便于原有简单易学的ISA实验系统的延续，但未考虑PCI总线的应用和扩展实验。

图2　面向嵌入式结构的新型微机实验箱

与面向高性能系统和基础接口实验的硬件相比，32位编程和相关实验远比想象的复杂，甚至可能部分超出了计算机硬件基础科目学习的范围。32位编程实验关键在于提高学生对IA－32系统技术的认知，最大的技术难度在于调试环境和工具。具体说明如下：

（1）虽然在Windows下面向32位应用程序的调试软件很多，但不适合于系统程序和硬件操作程序（如ring0级任务），或对系统程序的调试存在很多复杂限制；

（2）在裸机环境下借助MS－DOS的调试环境极少，国内个别厂家提供了与硬件捆绑的基本调试程序，但功能有限或很难令学生理解；

（3）而国外则常常撇开主流的Intel－PC处理器，引入32位的嵌入式系统，如ARM、MPC850／860等，借助宿主微机构成调试实验开发环境，包括宿主微机的编译器、调试器、代码映射到运行微机，即借助数据传输和处理器动态专用调试功能，要求运行微机应具有系统调试软件能对宿主微机作及时同步处理，并具有丰富的接口功能，如存储器扩展单元、键盘扩展、LCD液晶显示扩展单元、网络扩展单元、串口扩展单元、AD／DA扩展单元、DMA传输等基本单元，但这种模式往往过于复杂，不适合一般非计算机专业的学生作为技术基础课程掌握。

3．实践教学新体系

根据近年的理论和实践教学经验，对32位时代微机原理与接口技术课程的改革，需要从理论和实践两方面认识，在有限学时的前提下，兼顾课程基础性、先进性和前沿性要求。

首先，需要合理组织安排理论教学内容。一方面适当压缩IA－16指令细节及陈旧的MS－DOS部分内容，强调汇编语言程序设计中数据结构、逻辑处理和程序流控制方法，讲清与高级语言关系以及函数调用接口，舍弃繁杂的算术计算功能，讲清楚IA－16系统典型的存储器、I／O接口硬件电路和软件控制，另一方面增加IA－32微机的基本内容，包括32位处理器指令、新型存储器和虚地址保护模式下系统资源的管理与控制，使学生对处理器工作模式切换、存储器分段分页管理机制、优先级、异常捕捉、程序流的门控制（含硬件中断）以及在操作系统中的应用有定性的认识。

在实践教学方面，一方面维持传统简单的IA－16实验内容，实现基本的汇编语言程序设计，主要借助标准ISA总线或由PCI总线获得的伪ISA总线进行单元和综合实验，进而获得对一般微处理器系统与接口技术的认识，另一方面，结合32位微机的理论教学，增加32位微机的系统编程实验内容，应当覆盖虚地址保护模式下系统资源的认识、模式切换、优先级、异常捕捉、程序流的门控制（含硬件中断）等内容，有选择地通过实验掌握理解IA－32虚地址保护模式的机制和原理。更为复杂但实用的PCI线实验、Windows驱动程序实验以及嵌入式操作系统如MS——Windows／CE，XPE或μC——Linux裁减、自研OS构造等则是进一步提高或另外设课的教学内容，在技术上不存在任何问题。

实验内容可以分为原理验证型和综合设计型两部分^［2］，并相对理论课程错后进行，如果单独设课，综合设计部分可灵活安排，甚至可以安排在另一学期。在允许的条件下，合理引导学生在综合设计类实验中使用IA－32指令甚至系统方法，这是加强学习效果的最佳途径。

4．实践教学改革的实施

在具体开发、组织IA－32环境下微机原理与接口实践教学改革时应当重视以下关键问题。

（1）IA－32面向的是多用户、多任务应用环境，但IA－32实验又是传统实模式（IA－16）的提高和扩展，传统的IA－16和总线接口仍然是教学和实验的重点，要求学生掌握一般微处理器系统与接口技术。

（2）IA－32实验不等于实验中引入32位实模式80386指令，可以与基本的32位指令教学相结合，利用相应的简单源代码调试器（如TD）。

（3）IA－32中总线应用并不意味着以PCI总线为主体。采用PCI总线方式来实现部分32位原理与接口实验，充其量应该定义为总线接口实验系统，而非原理接口实验系统。主要原因是这类实验系统无CPU可言，学生只能从CPU后端总线（如PCI总线）所提供的复杂接口信号来完成所谓32位原理与接口实验，而PCI是带有一定协议性的总线，远不同于一般微处理器和ISA硬件总线，其培养效果值得商榷。

（4）IA－32编程与VXD、WDM驱动编程或Win32编程是截然不同的两回事。VXD等驱动程序和Win32（MASM32）编程是只是分别针对MS2Windows环境下的系统程序开发与应用程序的汇编语言实现，受Windows操作系统软件规范的制约，并不具有普遍性且十分复杂难学^［10］。

（5）在技术的角度上可以通过0级任务的IA－32编程让学生认识系统编程的含义，包括程序流控制和资源保护，尤其是可以通过一系列程序和观察认识操作系统的构成（如各类资源描述表）。

（6）实验技术存在较大的技巧性，需要合理组织实验内容和方式。IA－32的应用通常以裸机方式出现，如何利用调试工具、主板或操作系统资源是关键，且应使学生充分理解。

与此相应，在实施组织IA－32环境下微机原理与接口实践教学改革时则应当结合课程建设，建议考虑到各高校、学科、师资的条件，采取按下列顺序分层次逐步过渡方式进行，从操作系统、硬件管理和实时系统不同角度深入掌握IA－32与现代OS的底层实现。

①引入并合理组织IA－32理论，尤其讲清楚IA－32基本机制以及与MS2DOS、Windows9X、Windows　2000／XP实现的关系。

②基本认识软件实验，验证型或设计型，32位指令和汇编语言，386C与386P指令的含义。

③初步认识IA－32下环境资源的管理，虚地址保护模式各要素的构成和实现，验证型为主。

④嵌入式OS和系统控制的认识，虚地址保护模式下程序流（门）控制，验证型为主。

⑤PCI总线原理细节与扩展实验，加深对PCI总线的认识。

⑥基于微控制器和USB控制器的原理与应用，验证型，设计型。

⑦在IA－32基础上构造实时系统或实时操作系统。

其中⑤为提高性选做提高性实验，⑥需配合修订教学大纲，适当增加课时（符合教指委的指导意见），⑦则需要在修订培养计划的条件下，单独开设课程，并设计相关实验体系，从操作系统、硬件管理和实时系统角度深入掌握IA－32与现代OS的底层实现；这也是从另一个角度考虑将微机原理教学分为基础和提高两部分：基础部分是传统的16位微机（IA－16）和传统的8位微控制器（单片机）——即微机原理与接口；提高部分则以面向现代操作系统的IA－32保护模式为基础，引入嵌入式操作系统（uc－Linux和uC／OSⅡ）和32位嵌入式处理器（ARM和MPC）包括数字信号处理器DSP，即高级微机系统与接口，侧重点是一般原理而不是一般选修课的应用和使用，但这要求在整个教学体系上作相应的变动。

5．结束语

上述认识和建议是在东南大学自动化专业正在进行的教学改革工作基础上提出的初步认识和实践，目前理论课时和实践课时均为48学时，实践课程单独设课考核，但由理论课教师组织、指导。已完成了在胜西电子研制的SXL－100型总线扩展型实验装置上设计开发基本的IA－32实验，并正结合新的嵌入式一体型实验装置，进行独立式裸机（DOS）型和基于嵌入式OS（Windows／E）的试验体系建设工作。新的2005级教学计划中增加了实时系统与控制课程，计划尝试将IA－32核心技术引入课程，同时为了在整体上加强应用性理论和实践课程（MCU、DSP和嵌入式系统等）的学习效果，新的培养计划将微机原理类课程前移到大二年级下学期。

综合分析课程需求和设备条件，就实验装置而言，笔者认为，总线扩展型与嵌入式一体型各有特色，分别从不同方面满足了电子信息与电气大学科的微机原理与接口课程公共实验平台的基本实验和提高性功能需要，可以分别配置，供不同教学要求、不同的教师选用，甚至混合使用，但在具体的实践中目前保护模式下32位编程实验（调试环境）仍需完善。

参考文献：

［1］　唐袆玲，毛月东．32位微机原理及接口应用的教学内容和方法［E］．西安唐都科教仪器公司

［2］　戴先中，马旭东．“微机系统与接口”课程教学改革思路与实践［J］．南京：电气电子教学学报，2005，27（3）：6－9

［3］　戴先中，等．微机硬件应用实践——原理与接口［M］．南京：东南大学出版社，1999

［4］　唐袆玲，毛月东．32位微机原理与接口技术实验教程［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2003

［5］　谢瑞和，等．32位微型计算机原理与接口技术［M］．北京：高等教育出版社，2004

［6］　胜西电子．Windows9x下微机原理接口技术．湖南胜西电子科技有限公司资料

［7］　黄一春．SXL－100型微机借口实验仪组成及安装及实验指导书［E］．杭州：浙江大学，2003

［8］　EVOC2JY21714CLDNA．嵌入式CPU单板说明书［M］．研祥智能科技股份有限公司，2005

［9］　TVC－1微机原理实验台教师用实验指导（试用版）［E］．北京：清华大学科教仪器厂资料，2005

［10］　罗云彬．Windows环境下32位汇编程序设计［M］．北京：电子工业出版社，2002

（原载于《电气电子教学学报》，2006年第4期）