莫建麟，劉德春

(阿壩師范高等專科學(xué)校 電子信息工程系，四川 汶川 623002)

基于ARM體系結(jié)構(gòu)的單片機(jī)課程改革探索

莫建麟，劉德春

(阿壩師范高等?？茖W(xué)校 電子信息工程系，四川 汶川 623002)

針對(duì)社會(huì)對(duì)單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)人才的迫切需求，以及高等院校工科專業(yè)單片機(jī)課程開(kāi)設(shè)的現(xiàn)狀，分析了單片機(jī)課程的特點(diǎn)，指出基于ARM體系結(jié)構(gòu)的單片機(jī)課程存在的問(wèn)題，并對(duì)單片機(jī)課程的改進(jìn)分析了一些常見(jiàn)的教學(xué)方法，對(duì)嵌入式專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了適合的方案。

單片機(jī)；教學(xué)方法；ARM體系結(jié)構(gòu)

單片機(jī)自20世紀(jì)80年代進(jìn)入我國(guó)以來(lái)，因其顯著的優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速的推廣和普及，并且被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)一詞早已深入人心，成為微控制器和嵌入式系統(tǒng)的統(tǒng)稱和代表。國(guó)內(nèi)幾乎所有高等院校的電子信息類、計(jì)算機(jī)類和機(jī)械類等工科專業(yè)，無(wú)論是本科層次，還是高職高專，都無(wú)一例外地開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程，多年來(lái)為國(guó)內(nèi)單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展提供了人才保障。

一 單片機(jī)課程現(xiàn)狀

目前高校單片機(jī)課程的教學(xué)絕大部分依然是以8位/16位單片機(jī)為主，而其中51單片機(jī)由于其經(jīng)典的特性和豐富的軟硬件教學(xué)資源又成為學(xué)校在開(kāi)設(shè)單片機(jī)課程時(shí)教學(xué)內(nèi)容的首選。但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)8位/16位單片機(jī)已不能應(yīng)付今日的產(chǎn)品要求，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)已由8位機(jī)轉(zhuǎn)向32位機(jī)。ARM公司是全球領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器解決方案的供應(yīng)商，向全球各大電子公司提供高性能、低功耗和低成本的RISC微處理器、外設(shè)和系統(tǒng)芯片技術(shù)授權(quán)。ARM 還為開(kāi)發(fā)完整系統(tǒng)提供綜合技術(shù)支持。ARM的微處理器核技術(shù)廣泛用于便攜式通信產(chǎn)品、手持運(yùn)算、多媒體和嵌入式解決方案等領(lǐng)域，可以說(shuō)，ARM技術(shù)無(wú)處不在。業(yè)界對(duì)單片機(jī)人才的需求也隨之發(fā)生改變，對(duì)8位機(jī)人才的需求減少，對(duì)掌握ARM相關(guān)知識(shí)和技術(shù)的人才需求顯著增加。高校培養(yǎng)的大部分畢業(yè)生都是僅僅熟悉8位/16位單片機(jī)，大學(xué)生畢業(yè)后難以直接進(jìn)入到單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的工作崗位，而業(yè)界又有龐大的用人需求且難以找到滿意的人才。我們連續(xù)跟蹤調(diào)查了我校電子信息工程技術(shù)專業(yè)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)專業(yè)近三年畢業(yè)生在單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的就業(yè)和工作情況，每年大概都會(huì)有7-12%的學(xué)生從事單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的工作，而他們?cè)诠ぷ髦兄苯邮褂玫皆趯W(xué)校所學(xué)的51單片機(jī)的人數(shù)不到1%，絕大部分的工作崗位都需要了解或掌握基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。

二 實(shí)施單片機(jī)課程改革的意義

經(jīng)典的51系列單片機(jī)若作為單片機(jī)和嵌入式領(lǐng)域的入門(mén)知識(shí)是非常合適的，但由于在大學(xué)受專業(yè)課程設(shè)置、學(xué)分等方面因素的制約，在絕大多數(shù)工科類專業(yè)中也僅能開(kāi)設(shè)出單片機(jī)這一門(mén)嵌入式相關(guān)課程，而這些專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生目前又是為業(yè)界提供單片機(jī)和嵌入式人才的重要來(lái)源。雖然現(xiàn)在全國(guó)有部分高校也在積極嘗試單獨(dú)開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)，但由于該專業(yè)方向?yàn)榻逃磕夸浲鈱I(yè)，審批十分嚴(yán)格，成功申報(bào)并開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的高等院校很少。在四川省我校是?？茖哟问讉€(gè)開(kāi)辦嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)的學(xué)校，于2010年獲批開(kāi)設(shè)該專業(yè)，目前也尚無(wú)該專業(yè)的畢業(yè)生。

從單片機(jī)人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀和社會(huì)的用人需求來(lái)看，實(shí)施單片機(jī)課程改革已很有必要，在不增設(shè)新課的前提下用32位ARM體系結(jié)構(gòu)的單片機(jī)替換原有8位單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容就顯得十分有意義。

ARM架構(gòu)是一個(gè)已經(jīng)得到全球驗(yàn)證的平臺(tái)，迄今為止由其合作伙伴所出貨的處理器總量已超過(guò)130億，這充分體現(xiàn)了ARM處理器架構(gòu)被全球主要電子公司中的絕大部分所采用，并且用于最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域這一增長(zhǎng)趨勢(shì)。在這130億顆處理器中，有相當(dāng)一部分又是我們俗稱單片機(jī)的微控制器。

三 單片機(jī)課程教學(xué)方法探析

在ARM公司眾多系列的處理器中，他們各不相同又各具特色，唯一共同的特點(diǎn)就是都是基于ARM體系結(jié)構(gòu)。Cortex系列是ARM公司最新設(shè)計(jì)的ARM內(nèi)核，基用ARM V7架構(gòu)，它采用了Thumb-2技術(shù)，是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，并且保持了對(duì)已存ARM解決方案的完整代碼的兼容性。ARM 為新的ARM V7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：Cortex-A系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用，如智能手機(jī)(iPhone)等；Cortex-R系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如汽車剎車控制等；Cortex-M系列針對(duì)微控制器和低成本應(yīng)用系統(tǒng)。

ARM Cortex-M3處理器是專門(mén)針對(duì)存儲(chǔ)器和處理器的尺寸對(duì)產(chǎn)品成本影響極大的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。其特點(diǎn)主要包括：性能強(qiáng)勁；功耗低；實(shí)時(shí)性好；代碼密度得到很大改善；使用方便；低成本的解決方案；擁有眾多優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具等。基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器已日漸成熟，半導(dǎo)體界的知名公司像NXP、TI、Atmel、OKI、ST等，都以Cortex-M3為內(nèi)核，做出了各具特色的32位MCU。微控制器市場(chǎng)正在32位化，相信不久的將來(lái)，CM3就一定會(huì)在這廣闊的應(yīng)用中脫穎而出，比當(dāng)年8051推動(dòng)整個(gè)業(yè)界還有過(guò)之而無(wú)不及?；谶@樣的考慮，我校將單片機(jī)課程針對(duì)的芯片調(diào)整為Cortex-M3系列。

Cortex-M3系列是32位ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，其本身的知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)習(xí)難度較大。因此在教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)方法的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的編排等方面更需要精心設(shè)計(jì)，才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。

1.從Cortex-M3內(nèi)核到Cortex-M3微控制器。

首先讓學(xué)生了解ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和ARM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從而了解學(xué)習(xí)對(duì)象的特點(diǎn)，明確學(xué)習(xí)目的；其次深入講解Cortex-M3處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)對(duì)象，掌握學(xué)習(xí)方法，因?yàn)镃ortex-M3處理器全部使用C語(yǔ)言編程，所以對(duì)于Cortex-M3的指令系統(tǒng)可以只做簡(jiǎn)單的介紹，這樣也降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度；最后廣泛介紹基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器及其應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生了解到Cortex-M3微控制器的巨大應(yīng)用市場(chǎng)，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

2.從Cortex-M3微控制器內(nèi)部資源到外圍接口電路。

在了解了Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，選定具體的Cortex-M3微控制器及其開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板相比于實(shí)驗(yàn)箱來(lái)說(shuō)其價(jià)錢(qián)更便宜，使用更方便、靈活，在教學(xué)過(guò)程中會(huì)帶給學(xué)生更強(qiáng)的操控感和成就感，因此我們利用開(kāi)發(fā)板完成該部分的教學(xué)設(shè)計(jì)。在硬件的學(xué)習(xí)過(guò)程中，首先必須對(duì)硬件的基本使用方法有感性的認(rèn)識(shí)，才能夠更加深刻的認(rèn)識(shí)硬件的控制方式，更加靈活的利用硬件資源完成應(yīng)用設(shè)計(jì)。在該部分的教學(xué)上我們建議依然采用51單片機(jī)的教學(xué)順序從GPIO、時(shí)鐘、外部中斷、定時(shí)器、UART到芯片外部的SPI接口、I2C接口等，一個(gè)實(shí)例一個(gè)實(shí)例的分析、理解、編程及上機(jī)調(diào)試，一點(diǎn)點(diǎn)逐步的完成知識(shí)的掌握和功能的堆積。

3.基于項(xiàng)目組織教學(xué)。

在單片機(jī)課程中，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法作為一種以學(xué)生為主體的教學(xué)法，非常符合單片機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)。項(xiàng)目教學(xué)法能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐融入到教學(xué)過(guò)程，把教學(xué)內(nèi)容隱含在一些具有實(shí)踐意義的項(xiàng)目中。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，制定一個(gè)完整的項(xiàng)目任務(wù)，在教師的引導(dǎo)下由師生共同對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析和討論，通過(guò)互動(dòng)協(xié)作的學(xué)習(xí)過(guò)程，由師生共同實(shí)施并完成。51單片機(jī)的教學(xué)實(shí)踐早已證明，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)法能極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，顯著的提高教學(xué)質(zhì)量。

在Cortex-M3的教學(xué)過(guò)程中每一部分的教學(xué)內(nèi)容都可以從易到難，制定多個(gè)復(fù)雜程度不同既有趣味性又有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以循序漸進(jìn)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式，指導(dǎo)學(xué)生從一個(gè)功能簡(jiǎn)單、代碼較短的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始逐漸完成一個(gè)功能復(fù)雜、代碼較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)反復(fù)應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的掌握，同時(shí)還能引入教材以外的一些知識(shí)，拓展了學(xué)生的知識(shí)領(lǐng)域。從而達(dá)到理想的教學(xué)目的。

單片機(jī)作為工科專業(yè)的重要課程，在單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)上有著十分重要的作用。社會(huì)需要高校能夠培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)需求的應(yīng)用型人才，學(xué)生也期盼在3年大學(xué)學(xué)習(xí)之后能有一技之長(zhǎng)，以增強(qiáng)自身的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。高校教師應(yīng)當(dāng)積極關(guān)注和把握行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，將先進(jìn)的應(yīng)用知識(shí)引入到教學(xué)當(dāng)中，使學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)中培養(yǎng)出更強(qiáng)的應(yīng)用和學(xué)習(xí)能力，成為企業(yè)所需的人才。

[1]Joseph Yiu. ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].宋巖，譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[2]喻金錢(qián),喻斌.STM32F系列Cortex-M3核微控制器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

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ClassNo.:G642.0DocumentMark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

ReformofSingle-chipMicrocomputerCourseBasedonARMArchitecture

Mo Jianlin，Liu Dechun

In light of the urgent needs for people grasped microcontroller and embedded system technology and the current situation for single chip microcomputer development ,the paper discussed the characteristics of single chip microcomputer course ,the problems need to be solved . The paper suggests that teaching methods for this course should be reformed and the suitable teaching schemes for the embedded professional training also needed to be made out.

single-chip microcomputer；teaching methods；ARM architecture

莫建麟，碩士，講師，阿壩師范高等?？茖W(xué)校。

阿壩師范高等?？茖W(xué)?？蒲星嗄昊痦?xiàng)目(ASC09-16)。

1672-6758(2012)12-0010-2

G642.0

A