單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)改革實(shí)踐

摘要：本文介紹了我院以集成混合信號的SOC型單片機(jī)C8051F為主講機(jī)型，對傳統(tǒng)的以講授MCS-51為主的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程在實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面所進(jìn)行的改革。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；C8051F；匯編語言；C51

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專業(yè)的一門主要專業(yè)課程，因單片機(jī)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，各高校都將該課程定位在以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的目的上。但長期以來國內(nèi)高校都以MCS-51為該課程的主講內(nèi)容，雖然該系列單片機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)久不衰，但隨著技術(shù)的發(fā)展，芯片的生產(chǎn)工藝、功能、運(yùn)行速度、開發(fā)環(huán)竟、編程語言等都有了很大的變化，在實(shí)際的科研開發(fā)中更多選用與MCS-51兼容的高檔單片機(jī)，而很少直接選用標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)，因此傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和知識已經(jīng)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，不能滿足需要。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研積累，我們對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行了更新。兩年多的教學(xué)實(shí)踐表明，改革后的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”很受學(xué)生的歡迎，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的興趣，達(dá)到了該課程培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)能力的目的。

2課程改革

2.1更新教學(xué)內(nèi)容

MCS-51單片機(jī)及其衍生產(chǎn)品在我國乃至世界范圍都獲得了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在我國大部分大專院校都采用MCS-51單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，單片機(jī)系統(tǒng)工程師大都熟悉 MCS-51單片機(jī)。但隨著一些高集成度、高性能的8位和16位RISC單片機(jī)的推出，基于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場的境地。因此一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(tǒng)8051內(nèi)核進(jìn)行大的改造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字外設(shè)，以期大幅提高單片機(jī)的整體性能。

近年來我們承擔(dān)了較多企業(yè)委托的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目，在實(shí)際的科研開發(fā)中我們也感覺到用標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)作微控制器不僅需要擴(kuò)充大量資源，而且編程調(diào)試都比較困難，而隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代的單片機(jī)芯片已不僅包含微處理器，而且包含應(yīng)用系統(tǒng)所需的各類外部接口設(shè)備，存儲(chǔ)器也從光擦除變?yōu)殡姴脸⒖稍谙到y(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，編程語言從匯編語言為主變?yōu)橐訡51語言為主，以JTAG接口構(gòu)成的JTAG調(diào)試器可以進(jìn)行非侵入式全速在系統(tǒng)調(diào)試，比以前的專用在線仿真器(ICE)要方便得多。因此我們在幾個(gè)單片機(jī)開發(fā)項(xiàng)目中都選擇了原美國Cygnal集成產(chǎn)品公司(1999年3月成立的一家新興的半導(dǎo)體公司，專門從事混合信號片上系統(tǒng)單片機(jī)的設(shè)計(jì)與制造，2003年并入Silicon Laboratories公司)推出的C8051F系列產(chǎn)品。C8051F系列單片機(jī)是集成混合信號的片上系統(tǒng)(SOC，System Of Chip)，與MCS-51兼容的內(nèi)核CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，峰值速度可達(dá)25MIPS。C8051F具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗(Watchdog)、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)輸出、定時(shí)器、PWM、定時(shí)器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS(與I2C兼容)總線以及CAN總線等。C8051F系列單片機(jī)采用Flash ROM技術(shù)，集成JTAG接口，支持在線編程和調(diào)試。C8051F系列單片機(jī)的諸多特點(diǎn)和優(yōu)越性，使其廣受單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的青睞，成為很多測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選機(jī)型。

既然實(shí)際科研開發(fā)中多使用新一代高性能單片機(jī)，那么我們的教學(xué)內(nèi)容就應(yīng)該及時(shí)更新，以減少學(xué)生工作后的二次學(xué)習(xí)。為此，2004年課程組在參與編寫機(jī)械工業(yè)出版社的教材《單片機(jī)原理及應(yīng)用》時(shí)專門用一章的篇幅把C8051F寫了進(jìn)去。后來我們發(fā)現(xiàn)僅僅用一章內(nèi)容講C8051F，教學(xué)內(nèi)容的改革還不徹底，因此2006年我們又對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了徹底改革，編寫了以C8051F為教學(xué)機(jī)型的教材《C8051F單片機(jī)原理及應(yīng)用》，由中國電力出版社出版，教材除了更新了教學(xué)機(jī)型外，編程語言也從匯編語言改成以C51語言為主，兼顧匯編語言的形式。我們編寫該教材的時(shí)候國內(nèi)還基本上沒有同類教材，目前已經(jīng)有了一些，這說明國內(nèi)高校已經(jīng)在注重單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容的改革。在多屆學(xué)生中的使用實(shí)踐表明，內(nèi)容更新后的教材很受學(xué)生的歡迎。

2.2更新實(shí)驗(yàn)手段

以MCS-51為主講機(jī)型的單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉嗖捎肞C機(jī)+仿真器+目標(biāo)實(shí)驗(yàn)臺的方法，我校選用了臺灣MICETEK公司Easyscope8052F單片機(jī)仿真器，這種仿真器專門仿真51系列單片機(jī)，采用Windows環(huán)境的仿真軟件，價(jià)格低，性能好。綜合實(shí)驗(yàn)板選用改造后的復(fù)旦大學(xué)教學(xué)儀器廠的產(chǎn)品，與PC機(jī)連接構(gòu)成的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)采用仿真器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫m然能滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)之用，但SOC型單片機(jī)出現(xiàn)后，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢愿颖平鼘?shí)際開發(fā)應(yīng)用的形式，根據(jù)原有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，2003年我們提出了一個(gè)新的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案，與新華龍電子有限公司合作，設(shè)計(jì)出NCD-CIP51F020系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該系統(tǒng)由SOC單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、可用于以太網(wǎng)測控的NMC-20XX核心模塊、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板三部分組成，應(yīng)用該設(shè)備可完成單片機(jī)系統(tǒng)的許多典型應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，并可做較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，如高速數(shù)據(jù)采集、嵌入式Web實(shí)驗(yàn)等。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許對安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品進(jìn)行全速、非侵入式(不占用系統(tǒng)資源)、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可以全功能運(yùn)行。Silicon Laboratories提供的集成開發(fā)環(huán)境包括編輯器、宏匯編器、調(diào)試器與編程器，同時(shí)也支持第三方提供的匯編器和C51編譯器(如Keil等)。采用SOC單片機(jī)JTAG接口的先進(jìn)調(diào)試環(huán)境如圖2所示。

2.3更新教學(xué)方法

我們除了注重教學(xué)內(nèi)容的更新，使學(xué)生學(xué)到最新最實(shí)用的知識外，還注重教學(xué)手段和方法的改革與研究。

首先，課程組注重現(xiàn)代先進(jìn)教育手段的應(yīng)用。C8051F單片機(jī)的內(nèi)部資源豐富、原理復(fù)雜，因此新課程的內(nèi)容要遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的MCS-51多且增加了大量復(fù)雜的圖、表，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)難以勝任，所以在課時(shí)量不可能增加的情況下，先進(jìn)的多媒體教學(xué)方法成為必然。其實(shí)課程組早在2003年就開始用多媒體方式講授該課程，教學(xué)內(nèi)容更新后課程組重新制作了該課程的多媒體課件，課件結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、圖文并茂，結(jié)合計(jì)算機(jī)動(dòng)畫把復(fù)雜的內(nèi)容簡單化、抽象的內(nèi)容具體化，明顯提高了課堂教學(xué)效率。課程組還開發(fā)了該課程的教學(xué)網(wǎng)站，與課程相關(guān)的課件、實(shí)驗(yàn)軟件、參考資料等都放在網(wǎng)上供同學(xué)隨時(shí)下載或?yàn)g覽，網(wǎng)站也提供了師生交流的平臺。

其次，課程組注重教學(xué)方法的研究與改革。在多年的計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)容枯燥、知識面廣等原因，學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)興趣大大降低，甚至有些硬件選修課程因?yàn)檫x修的人數(shù)太少而開不出來。這種學(xué)習(xí)中喜軟怕硬的現(xiàn)象必須引起重視，否則培養(yǎng)出來的學(xué)生很難滿足用人單位的需要，這也是近年來嵌入式系統(tǒng)方向畢業(yè)生比較容易找工作原因的一個(gè)方面。教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生并非對所有硬件內(nèi)容都不感興趣，對有些內(nèi)容興趣還是比較高的，比如“數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)”課程中“自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)”、“單片機(jī)”課程中“日歷時(shí)鐘的液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)”等。因此我們設(shè)想可以在講解具體內(nèi)容前先把學(xué)生感興趣的問題提出來，然后在解決問題的過程中把相關(guān)內(nèi)容講解清楚，這就是所謂的“案例”法教學(xué)。我們設(shè)計(jì)了部分“案例”在計(jì)算機(jī)硬件課程中試點(diǎn)，取得了滿意的效果。我們提出的計(jì)算機(jī)硬件課程“案例”教學(xué)法得到江蘇大學(xué)2007年校教改重點(diǎn)項(xiàng)目的立項(xiàng)資助，將對計(jì)算機(jī)硬件課程“案例”教學(xué)法進(jìn)行更深入的研究。

3結(jié)束語

我校采用SOC型單片機(jī)C8051F作為“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的主講機(jī)型，對該課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了全面更新，已在多屆學(xué)生中進(jìn)行講授，學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣大幅提高，實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)質(zhì)量也比以前有較大改觀?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”已經(jīng)建設(shè)成江蘇大學(xué)校級精品課程。對計(jì)算機(jī)硬件課程采用“案例”教學(xué)法進(jìn)行了一些研究，單片機(jī)課程的部分內(nèi)容采用“案例”教學(xué)法進(jìn)行了試點(diǎn)，取得了較好的效果?！鞍咐苯虒W(xué)法是我們近年來在計(jì)算機(jī)硬件課程上的試點(diǎn)，目前還不成熟，我們將在“案例”開發(fā)、課件制作等環(huán)節(jié)對“案例”教學(xué)法進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 鮑可進(jìn)等. C8051F單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社，2006.

[2] 趙德安等. 單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.