《微机原理》成为工科非计算机专业的“刚需”

《微机原理》成为工科非计算机专业的“刚需”

《微机原理》是我国高等学校为工科非计算机专业广泛开设的计算机核心课程。计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题的能力。其成立的背景是1980年代以后，由于计算机技术特别是微机技术的飞速发展，使计算机技术与工程技术的深度融合成为可能。此后，计算机系统被广泛用作各种工程设备/装置中控制/信息处理的核心。因此，学习《微机原理》成为工科非计算机专业的“刚需”。

早期的《微机原理》主要是讲解Intel的8086型CPU，围绕如何基于8086型CPU搭建微机系统，介绍了计算机软硬件知识。在一段时间内起到了很好的效果。一方面与当时的科技发展状况有关。大量的工业设备是以80x86处理器为核心的工控机，所以很容易“学以致用”。另一方面是因为8086型CPU需要使用接口扩展芯片8255A、中断控制芯片8259、定时器8253、键盘和显示接口芯片8279等多个分立的功能集成电路，可以显示更多直观地。

但是，随着集成电路技术和计算机技术的飞速发展，微型计算机的形式也在飞速发展。核。这些嵌入式微处理器/微控制器将CPU、存储器和大量通用接口电路集成在一个芯片中，而这些嵌入式微处理器/微控制器芯片的原厂往往提供非常丰富的软硬件支持。这对于工程应用来说非常方便，但是对传统的《微机原理》的教学安排提出了很大的挑战。如果课程采用这些高度集成的嵌入式微处理器/微控制器作为课程载体，那么构建计算机系统的许多核心概念如总线、地址空间、解码电路、中断控制等将是“

从 1990 年代末到 2000 年代初的 10 多年里，这个问题通过增加“选修课”得到了解决。即用8086型CPU搭建微机系统，介绍计算机系统的一些基本概念，然后通过各类单片机、嵌入式系统设计等介绍一些最新的嵌入式微处理器/微控制器技术。选修课程。. 这种模式虽然在一定程度上解决了理论与实践相分离的问题，但需要大量的课时。一般需要学习《微机原理》80小时左右，再学习《微机原理与应用》32小时或48小时。”或“嵌入式系统设计”，实际上，已经是两门专业基础课或者三门专业课了。学习“专业核心知识”是不现实的。然而，现代工程在很大程度上依赖于计算机软件和硬件技术。随着计算机技术的发展，要求各个工程学科学习越来越先进和复杂的计算机技术。

面对日益稀缺的课时与日益丰富的课程内容之间的矛盾日益激化，2008年前后，高校开始了新一轮的课程改革。其改革思路可分为以下几类：

继续保持《微机原理》课程的内容，以传统的80X86为主要方式的优势在于可以延续多年经验的课程内容，所以传统课程的优势依旧得到维护。但随着技术的进一步发展，除了原有的理论和实践需要后续课程补充的问题外，也出现了80X86系列CPU及其周边供应逐渐减少等新情况芯片，以及开发软件与新操作系统的不兼容。实验设备是不可持续的。现在甚至出现了用FPGA“模拟”80X86系列CPU及其外围芯片的尴尬现象，

取消《微机原理》，用单片机/嵌入式系统等课程代替这种教学方式的优点是技术先进，实用性强，学生学习兴趣比较高。学生完成学业后，可以直接将所学知识应用到学科竞赛和毕业设计中。但高集成度的单片机或嵌入式SoC的内部无法直观看到，导致“补脑”教学。这使得教学过程有“应用”而没有“原理”，学生系统能力的培养被严重削弱。为了弥补这个不足，一些相关教材会在几个课时简单介绍计算机系统的一些基本概念，让学生尽可能地“知道”。该类课程模式对于机电工程等工科专业或部分“应用本科”电子信息专业的学生来说已经足够满足本科毕业需求，但对于希望继续深造电子信息领域或未来从事系统级芯片设计。、复杂FPGA应用开发、工控机系统/设备研发等复杂电子系统设计相关工作不足。该类课程模式对于机电工程等工科专业或部分“应用本科”电子信息专业的学生来说已经足够满足本科毕业需求，但对于希望继续深造电子信息领域或未来从事系统级芯片设计。、复杂FPGA应用开发、工控机系统/设备研发等复杂电子系统设计相关工作不足。该类课程模式对于机电工程等工科专业或部分“应用本科”电子信息专业的学生来说已经足够满足本科毕业需求，但对于希望继续深造电子信息领域或未来从事系统级芯片设计。、复杂FPGA应用开发、工控机系统/设备研发等复杂电子系统设计相关工作不足。但对于那些想在电子信息领域继续深造或将来从事系统级芯片设计的人来说。、复杂FPGA应用开发、工控机系统/设备研发等复杂电子系统设计相关工作不足。但对于那些想在电子信息领域继续深造或将来从事系统级芯片设计的人来说。、复杂FPGA应用开发、工控机系统/设备研发等复杂电子系统设计相关工作不足。

取消《微机原理》，将课程内容划分为其他课程的典型做法是将其与数字电路/数字逻辑课程相结合。本次课程安排参考了国外EECS的专业培养模式，也借鉴了我国计算机专业“系统能力培养”的改革经验。这种课程安排的好处是增强了课程的连贯性，特别是完善了从数字电路/数字逻辑到数字系统设计的过渡。但是，这种方法并没有考虑到《微机原理》的初衷是为工程非计算机专业的学生介绍计算机系统的软硬件相关知识，而数字电路/数字逻辑属于“ 课程电路属性过重，微处理器/计算机的最小系统设计成为数字系统设计的典型教学案例，计算机属性被严重削弱。再加上知识的高度浓缩，对教师和学生的要求都大大提高了。除了一些顶尖大学的一些优秀专业外，学生可以依靠自己强大的自学能力。如果不继续开设后续课程或增加必修课，本质上是难以完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的。解决问题的能力”是教学目标。课程电路属性过重，微处理器/计算机的最小系统设计成为数字系统设计的典型教学案例，计算机属性被严重削弱。再加上知识的高度浓缩，对教师和学生的要求都大大提高了。除了一些顶尖大学的一些优秀专业外，学生可以依靠自己强大的自学能力。如果不继续开设后续课程或增加必修课，本质上是难以完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的。解决问题的能力”是教学目标。微处理器/计算机的最小系统设计成为数字系统设计的典型教学案例，计算机属性被严重削弱。再加上知识的高度浓缩，对教师和学生的要求都大大提高了。除了一些顶尖大学的一些优秀专业外，学生可以依靠自己强大的自学能力。如果不继续开设后续课程或增加必修课，本质上是难以完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的。解决问题的能力”是教学目标。微处理器/计算机的最小系统设计成为数字系统设计的典型教学案例，计算机属性被严重削弱。再加上知识的高度浓缩，对教师和学生的要求都大大提高了。除了一些顶尖大学的一些优秀专业外，学生可以依靠自己强大的自学能力。如果不继续开设后续课程或增加必修课，本质上是难以完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的。解决问题的能力”是教学目标。再加上知识的高度浓缩，对教师和学生的要求都大大提高了。除了一些顶尖大学的一些优秀专业外，学生可以依靠自己强大的自学能力。如果不继续开设后续课程或增加必修课，本质上是难以完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的。解决问题的能力”是教学目标。再加上知识的高度浓缩，对教师和学生的要求都大大提高了。除了一些顶尖大学的一些优秀专业外，学生可以依靠自己强大的自学能力。如果不继续开设后续课程或增加必修课，本质上是难以完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的。解决问题的能力”是教学目标。完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的本质是困难的。解决问题的能力”是教学目标。完成上述“训练和利用计算机软硬件技术解决本学科实际工程问题”的本质是困难的。解决问题的能力”是教学目标。

2008年起，笔者所在的电子科技大学也启动了新一轮的《微机原理》课程改革。鉴于上述三种路线各有不同的问题，电子科技大学选择了一条兼顾各方利益的教学改革方式。主要思想是上半学期讲授“简体版”的计算机作文原理，下半学期讲授“简体版”的嵌入式系统开发。在这一理念的指导下，我们将进行课程内容、教材和实验平台“三位一体”的全面改革，力求高度浓缩知识内容，实现理论与实践相结合。

这种改革的初衷应该是很好的，应该说也是有一定可行性的。但经过多年实践计算机原理教案下载，实施效果并不理想。总结起来，主要有三个问题。首先，这样安排课程会导致内容复杂，主线不清晰，培训目的不明确，知识点组织混乱，同一专业术语或系统因角度不同而引入不一致。因此，最终教材的实际效果是“什么都有，什么都讲不清楚”，给教师的教学和学生课后的自学带来了一定的困难。没有一定程度的老师指导，学生很难。依靠教科书自主学习。这导致了第二个问题。教师反映教学太难，学生普遍反映学习困难。最后一个问题是理论与实践的脱节并没有真正解决。即使学生在上半学期学习了一定的理论知识后，下半学期还要学习内部结构“不透明”的嵌入式微处理器，这就导致了“脑补”。现象依然严重。最后，学生们只能用一点点水做实验，按照实验指导手册仓促操作。实际实施的效果远不能“利用计算机软硬件技术解决本学科的实际工程问题”。

针对上述问题，我校相关课程组也一直在寻找解决方案。有的老师认为课程内容过多，教学内容要简化。另一部分教师认为，要解决理论与实践相分离的问题，加强实验体系和实验平台建设。随后，两组教师分别实践教学改革方法，但并没有彻底解决问题。在前一部分的教学实践中，老师们采取了类似的“取消《微机原理》”的方式，代之以单片机/嵌入式系统等课程，并以Arm系列单片机为载体讲解课程。后期老师将SoC-FPGA引入到教学中，希望借助Arm硬核+可编程逻辑，让学生再次“看到”总线协议和接口设计。但是SoC-FPGA本身过于复杂，有一定经验的工程师使用起来还是比较困难的。教刚接触计算机软硬件系统的本科生只能是盲品。并且对于有一定经验的工程师来说使用起来还是比较困难的。教刚接触计算机软硬件系统的本科生只能是盲品。并且对于有一定经验的工程师来说使用起来还是比较困难的。教刚接触计算机软硬件系统的本科生只能是盲品。

面对这样的困境，如何想办法破局，一直是我心中的难题。其实早在 2012 年，我就曾以为自己接近这个答案。2012年，当时的Arm公司悄悄推出了“内测”的“Design Start”计划。当时Arm其实在有限程度上开放了Cortex M0内核，只是“阉割”了调试功能，所以调试程序非常麻烦。但即便如此，Arm当时仍然没有信心全面推出该计划。参加了 Arm 组织的内部培训后，此事便烟消云散。此后，随着我出国留学和转学，虽然我和我的课题组一直从事嵌入式处理器和多核SoC设计的科学研究，

这种情况在2018年底发生了变化。为进一步满足新时代集成电路设计领域人才培养的需要，我校“示范微电子学院”课程体系进行了重大改革。利用这个机会，学院对课程进行了重组，并对课程的内容和授课方式进行了重大改变。课程改革可以说是“天时地利人和”。此时，Arm正在大力推进新版Design Start计划，调试功能齐全的Cortex M0和M3软核可以轻松拿到，这就是“天时”。电子科技大学《数字逻辑设计》课程全面开展“ 最初因办学经费来源有限，课程建设经费被挤出，但还是挤掉了数千门课程建设资金，用于购买调试器等必要的实验外设。时隔三年多计算机原理教案下载，经过教师和助教不断更新和润色课程和实验内容，教材内容将于2022年4月定稿。

在课程建设的过程中，我们一直在不断地思考自己要写什么样的教材，如何写出这样的教材。随着教学的反复讨论和反馈，这两个问题逐渐清晰起来。我们最终的答案是：根据新时代的技术条件，一定要编写一本继承《老微机原理》课程精神内核的教材，让学生初步掌握如何搭建片上计算机系统以处理器IP核为核心，了解计算机系统结构、处理器原理、指令系统、汇编语言编程、总线、地址空间与地址解码、接口电路设计等计算机软硬件基础知识。进一步了解“软件如何在硬件上运行”和“软件如何驱动/控制硬件”这两个核心问题，将有助于学生掌握系统级芯片设计、软硬件协同设计方法和嵌入式系统设计。深入的内容奠定了良好的基础。

整个课程内容由理论课教材和实践课教材两部分组成。本书（《微机原理与片上计算机系统设计》）是一本理论课教材，主要面向0基础的同学从零开始学习。实践教材主要介绍在FPGA上构建基于Arm Cortex M0的软核所需的工具软件和具体操作流程，作为理论教材的支撑和补充。针对不同的读者群和学习需要，建议阅读教材如下：

全书共分六章，具体安排如下：

第一章简要介绍了计算机系统的基本结构和工作原理。期望读者通过阅读本章，对计算机系统形成一个比较初步的概念。

第二章重点介绍计算机系统中最核心的部件——处理器的基本原理，分析指令集与处理器设计的关系，帮助读者理解处理器是如何执行指令的。

第三章以Arm Cortex M0使用的ARMv6-M Thumb指令集为例，介绍典型的汇编指令和汇编语言编程方法，帮助读者掌握汇编语言编程的基本方法，进而对操作软件有更深入的了解的计算机系统。过程。

第四章介绍总线的基本概念，并以AHB和AHB-Lite总线为例，介绍片上总线的基本原理和要素，为理解片上计算机系统内部信息传递过程奠定基础。 .

第5章介绍了接口设计和IP核集成的基本知识。从地址空间和地址解码的概念入手，介绍了如何实现总线与内存、外部设备、芯片内部功能模块的连接，熟悉处理器如何使用总线等组件。交换数据并了解处理器如何通过运行软件来控制特定硬件。

第6章将介绍软硬件协同设计方法论，介绍典型的SoC实现架构，帮助读者了解软件实现和硬件实现相同功能所面临的不同挑战，让读者了解如何划分实际设计目标。软硬件。

希望通过学习本书，集成电路设计与集成系统、微电子科学与工程、电子科学与技术、电子信息工程等集成电路专业的学生能够掌握计算机基础知识的最基本概念。芯片系统。其他相关专业有兴趣转行从事集成电路设计等相关专业领域的读者，将提供一定的帮助。

黄乐天

2022年5月1日星期日，成都

以上为非官方发布版本，部分名称和致谢将在官方发布版本中补充。

课程网站链接如下：

更多在线学习材料也可以在以下位置找到：

计算机结构冯诺依曼结构

基本组成和基本冯诺依曼结构

冯诺依曼结构的目的是把需要计算机完成的工作写成程序。程序和数据放入主存后，无需人为控制即可自动开始执行。操作。

要完成这些功能计算机原理教案下载，我们大概可以知道需要这些结构。

图片

这样，我们大概知道了早期的冯诺依曼结构。

现代计算机结构是在上述基础上作了一些改变。

图片

计算器

算术单元是完成算术功能的逻辑元件。主要包括算术逻辑运算单元和寄存器。

算术逻辑单元（ALU），它执行各种数据运算操作计算机原理教案下载，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非等）。

寄存器是在操作符中临时存储数据的逻辑组件。

贮存

记忆功能：保存或“记住”解题的原始数据和解题步骤。存储单元：将数字存储在内存中的n位触发器称为存储单元。

地址：内存由许多存储单元组成，每个存储单元的个数称为一个地址。

存储容量：内存中所有存储单元的总数。通常以“KB、MB”为单位表示，如64KB、128KB。存储容量越大，计算机可以在内存中存储的信息就越多。

外置存储：电脑还配备了存储容量更大的磁盘存储、CD存储等。相对而言，半导体存储器称为内部存储器，或简称存储器。

控制器

控制器的基本任务是从内存中取出一条指令，按照计算程序安排的指令顺序放入控制器中。命令执行相应的操作。

适配器和 I/O 设备

计算机的输入/输出设备通常称为外围设备。由于品种多、速度快，它们不直接与高速工作的主机相连，而是通过适配器组件与主机相连。

本文是使用知乎在 VSCode 上撰写和发布的