《微型计算机原理及应用》教学大纲参考0225.docx
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《微型计算机原理及应用》教学大纲参考0225
《微型计算机原理及应用》教学大纲（参考）
课程代码：
课程类别：
专业必修课程
授课对象：
计算机类、人工智能类、电子信息类、自动化类等相关本科专业
开课学期：
2下或3上
学分：
2+1学分
主讲教师：
指定教材：
王宜怀、李庆利、冯德旺.微型计算机原理及应用—基于Arm微处理器，人民邮电出版社，2020年1月，ISBN978-7-115-53299-2
前导知识：
高等数学、模拟电子技术与数字电路电子技术
一、教学目的
本课程主要目的在于从底层开始理解微型计算机是如何工作的，属于计算机、人工智能、电子信息、自动化等理工类本科专业的专业基础课程。
在理论层面，要使学生理解微型计算机基本工作原理；在实践层面，要运用直接与硬件打交道的汇编语言进行编程，理解计算机程序基本运行过程。
通过本课程，可使学生基本理解微型计算机的基本结构、信息表示、系统时钟、三总线、硬件系统、指令系统、汇编语言框架和汇编程序设计方法，基本理解微型计算机的存储器、串行通信接口、中断系统、定时器、模数与数模转换、直接存储器存取等，并可以通过汇编语言编程体会其中的工作过程，为高级语言程序设计、微型计算机应用系统软硬件设计、嵌入式人工智能等提供知识基础。
二、教学内容
第1章微型计算机基本结构及信息表示
【目的要求】
了解微型计算机的基本概况与发展简史、基本结构（包括CPU、存储器、I/O接口、三总线等基本概念）；了解微机原理的实践选型；理解和掌握计算机中常用的数制，以及数制之间的转换方法；理解和掌握计算机中信息的表示方式，包括位、字节、浮点数等基本含义，也包括字符编码方式等基本内容。
【重点难点】
计算机中信息的表示方式
【教学内容】
1.1微型计算机概述
1.2微机原理的实践选型
1.3数制及数制之间的转换方法
1.4计算机中信息的基本表示方式
1.5文字在计算机中的存储方式—字符编码
第2章微型计算机的硬件系统
【目的要求】
理解微型计算机的硬件最小系统，理解CPU中的寄存器、微型计算机存储器映像，以一个MCU芯片为例，理解微型计算机硬件最小系统的构件化设计方法
【重点难点】
硬件最小系统、CPU中的寄存器、存器器映像、通用嵌入式计算机
【教学内容】
2.1微型计算机的硬件共性结构及基本性能指标
2.2ArmCortex-M微处理器概述
2.3CPU内部寄存器与存储器映像
2.4ArmCortex-M4内核的微型计算机芯片实例
2.5由STM32L431构建的通用嵌入式计算机
第3章指令系统
【目的要求】
理解寻址方式，理解基本指令系统，记住几个简单指令；归纳基本指令的理解方法；通过汇编环境了解指令对应的机器码，直观的基本理解助记符与机器指令的对应关系；了解GUN汇编器的基本语法
【重点难点】
归纳基本指令的理解方法、基本理解助记符与机器指令的对应关系
【教学内容】
3.1指令保留字与寻址方式
3.2基本指令系统
3.3指令集与机器码对应表
3.4GUN汇编器的基本语法
第4章汇编语言框架
【目的要求】
理解汇编语言编程框架及各部分作用；理解第一个汇编程序的运行过程；理解软件干预硬件的基本方法；通过实例完成第一个工程的入门，学会下载程序与调试程序的基本方法
【重点难点】
第一个汇编程序的运行过程；GPIO构件
【教学内容】
4.1初识程序运行
4.2汇编工程框架及执行工程分析
4.3认识工程框架中的GPIO构件
4.4实验一：
理解汇编程序框架及运行
第5章基于构件的汇编程序设计方法
【目的要求】
理解软件构件基本概念及构件设计中所需遵循的基本原则；理解程序流程控制基本方法，包括顺序结构、分支结构、循环结构等
【重点难点】
汇编语言中程序流程控制基本方法
【教学内容】
5.1构件及其设计方法
5.2程序流程控制
5.3汇编程序设计实例
5.4实验二：
基于构件方法的汇编程序设计
第6章存储器
【目的要求】
了解存储器的功能与分类，了解随机存储器、只读存储器等；掌握Flash存储器的读取与写入方法；理解高速缓存原理。
【重点难点】
随机存储器与只读存储器区别、Flash存储器的读取与写入方法、高速缓存原理
【教学内容】
6.1存储器的功能与分类
6.2随机存储器与只读存储器
6.3SD卡与高速缓存
6.4Flash存储器
6.5存储器实验设计举例
6.6实验三：
存储器实验
第7章串行通信接口
【目的要求】
理解串行通信的基本原理，理解UART驱动构件的要素与编程方法，了解构件的制作过程
【重点难点】
通信的基本原理、UART驱动构件
【教学内容】
7.1串行通信的基础知识
7.2UART驱动构件及使用方法
7.3串行通信的编程举例
7.4实验四：
基于串行通信构件的汇编程序设计
第8章中断系统及定时器
【目的要求】
理解中断的基本概念及编程实现方法；理解定时器工作原理
【重点难点】
中断的基本概念及编程实现方法
【教学内容】
8.1中断系统
8.2定时器
8.3基于定时器的中断编程举例
8.4实验五：
理解中断与定时器
第9章模数转换与数模转换
【目的要求】
掌握了解模/数转换（ADC）的基本概念与编程方法，了解滤波原理与编程方法；了解数/模转换（DAC）的基本概念与编程方法
【重点难点】
模/数转换（ADC）的基本概念与编程方法
【教学内容】
9.1模数转换器ADC的基础知识
9.2ADC驱动构件及使用方法
9.3数模转换DAC
9.4DAC驱动构件及使用方法要素分析
9.5实验六：
ADC-DAC模块实验
第10章直接存储器存取DMA
【目的要求】
理解DMA的基本概念，掌握DMA构件头文件及使用方法；了解DMA构件制作方法
【重点难点】
理解DMA的基本概念
【教学内容】
10.1DMA的基本概念
10.2DMA的一般操作流程
10.3DMA构件头文件及使用方法
10.4DMA驱动构件要素分析
10.5DMA驱动构件的使用方法
10.6实验七：
通过DMA实现内存间数据的搬运
第11章外接组件综合实践
【目的要求】
理解常用外设硬件的基本原理，理解汇编语言级软件干预硬件的方法，掌握基本实践方法
【重点难点】
硬件原理与编程实践
【教学内容】
11.1开关量输出类实践
11.2开关量输入类实践
11.3声音与加速度传感器实践
第12章通用计算机的基本结构及启动过程
【目的要求】
了解通用计算机特别是个人计算机（PC）的基本构成和软件系统，了解操作系统
【重点难点】
PC机基本构成与启动过程
【教学内容】
12.1PC机系统的基本结构
12.2PC机系统的启动流程
12.3PC机的操作系统
第13章微型计算机的发展方向
【目的要求】
了解微型计算机的进一步发展发方向
【重点难点】
总结归纳微型计算机的进一步发展发方向
【教学内容】
13.1CPU的结构与速度
13.2存储器的容量与速度
13.3指令系统的发展方向
13.4编译技术的发展
13.5微型计算机其他新技术
三、课时分配表
章
学时数
4
4
2
4
2
2
4
4
2
2
2
2
2
合计
36
实验学时
18
四、参考书目
[1]FreeSoftwareFoundationInc.UsingasThegnuAssemblerVersion2.11.90，2012.（简称GNU汇编语法）
[2]NATOCommunicationsandInformationSystemsAgency.NATOStandardforDevelopmentofReusableSoftwareComponents,1991.（简称NATO）
[3][美]JackGanssle,MichaelBarr著．马广云等译．英汉双解嵌入式系统词典．北京航空航天大学出版社．2006．
[4][美]ColinWalls著．沈建华译．嵌入式软件概论．北京航空航天大学出版社．2007．
[5][美]JackGanssle著．嵌入式系统设计的艺术（英文版•第2版）．人民邮电出版社，2009．
[6][美]RandallHyde著,韩东海译.编程卓越之道（第一卷深入理解计算机）.北京:
电子工业出版社，2006
[7][美]RandallHyde著,张菲译.编程卓越之道（第二卷运用底层语言思想编写高级语言代码）.北京:
电子工业出版社，2007
[8]RandalE.BryantandDavidR.O’Hallaron.Computersystems:
aprogrammer’sperspective（Thirdedition）.CarnegieMellon.University.2016.
内容简介
本书根据微处理器的最新发展，选择ARM微处理器作为教学蓝本，阐述微型计算机系统的基本工作原理，给出ARMCortex-M系列微处理器结构、指令系统和汇编语言程序设计，中断系统、基本输入输出、串行通信接口，模数及数模转换、定时器等接口。
全书从全新的视角思考微机原理教学，具有较强的理论性与实践性。
全书配有题习题、电子版实验指导书、电子版教师用书、网上光盘资料等。
前言
微机原理的教学目的是使得本科学生了解“微型计算机”的基本工作原理。
主要包括：
CPU基本功能、CPU的外围工作电路、三总线作用、工作时序、各种外围接口（如串行通信口、并行通信口、A/D转换接口、各种插槽等）的工作原理，通过汇编语言进行初步驱动实验，从硬件接口层理解微机工作的基本原理。
通过学习微机原理，为计算机应用、软件编程、软硬件协同开发等打下初步基础。
微机原理的教学必选定一个特定的芯片作为教学蓝本。
早在1990年代，当时Intel的8086成为微机原理选定芯片，这个16位芯片，十分符合当时的发展，也容易用到本科教学中。
各种接口实验箱大多是以8086为核心扩展外围芯片展开。
后来，随照微型计算机发展到32位、64位，结构也越来越复杂，有些高校尝试用于教学，效果不理想。
因此，大多数高校至今仍使用8086进行微机原理的教学。
利用8086进行教学有如下优点：
（1）已经有30多年历史，资料非常丰富
（2）一批老师已经教学10多年以上，内容非常熟悉
（3）能够简明扼要地阐述早期微型计算机基本原理
（4）与现行台式/笔记本微型计算机具有子孙关系，使用同样操作系统
利用8086进行教学有如下缺点：
（1）计算机发展之快，8086是30多年前产品，芯片早已不生产
（2）大部分微机原理实验的外围元器件也早已不生产
（3）学生见到的计算机与微机原理课程已经远远不一致，基本原理也发生了重大变化
（4）微型计算机形式已经多样化，与30年前的计算机从形式到内容都发生了根本的变化
“微机原理”教学改革的必要性与紧迫性:
目前微控制器（MCU）发展到已经把早期的一块微机主板的功能集中在一个单芯片内，应用处理器也采用这样方式，这是集成电路设计与制造技术发展的结果。
现在的平板电脑大多采用这样的应用处理器。
而且是发展趋势。
利用跟上时代的微控制器或应用处理器进行微机原理教学，完全可以把“微机原理”讲清楚，而且可以跟上微机的发展步伐。
好的做法是：
硬件软件通用原理部分可以按照与芯片无关的方式相对稳定，在教材建设中给予关注，与芯片相关的部分做到接口统一，按照底层驱动原则进行教学，在3到5年左右进行一轮芯片更新。
实验器材可以采用核心子板加母版方式。
核心子板更新在3到5年左右，母版可以在8到10年左右更新一次。
即使教学内容更新速度不如芯片快，也不能30年不更新，“微机原理”是应用学科，应该探索如何根上发展步伐，不能一直不变。
目前ARMCortex等已经分别向微控制器和应用处理器领域发展，利用ARMCortex进行“微机原理”教学改革的时机基本成熟。
若利用ARMCortex进行“微机原理”教学改革，不仅可以讲清楚微机原理，也可以有效提高学生的实际动手能力，并与微机发展基本同步。
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