“微機系統(tǒng)原理與應用”課程的教學改革

閻 波，李廣軍，林水生

(電子科技大學通信與信息工程學院，四川 成都 611731)

“微機系統(tǒng)原理與應用”作為國內(nèi)高校工科電工電子類非計算機專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程，涉及到計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成原理、接口技術、軟件開發(fā)和數(shù)字邏輯設計等多方面知識。其教學目的在于讓學生較全面地建立計算機系統(tǒng)知識架構(gòu)，較系統(tǒng)地掌握計算機及接口技術的硬/軟件核心設計技術，從而具備進一步開發(fā)設計通用/嵌入式計算機系統(tǒng)的基本能力。

1 課程存在問題

對于國內(nèi)絕大多數(shù)工科專業(yè)來說，“微機系統(tǒng)原理與應用”(以下簡稱“微機”)課程基本上都經(jīng)歷了Z80微處理器(8位)和8086/8088微處理器(16位)兩個階段，而且目前仍以講授8086/8088微處理器系統(tǒng)為主。然而，8088/8086 CPU早就退出了應用領域，相應的配套芯片在也不再使用，課程內(nèi)容存在著理論脫離實際和知識落后技術的情況。

“嵌入式系統(tǒng)設計”課程雖然面向?qū)嶋H需求，但通常局限于特定型號CPU的外在應用開發(fā)技術，忽略了對計算機組成原理和系統(tǒng)架構(gòu)的剖析，以及對硬件及低層驅(qū)動設計能力的培養(yǎng)。因為沒有關注微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎，導致學生無法建立較全面的計算機系統(tǒng)知識架構(gòu)，很容易出現(xiàn)知其然而不知其所以然的現(xiàn)象，該課程的教學效果差強人意。

此外，國內(nèi)CPU/MCU/SoC芯片設計水平已有飛躍發(fā)展，IT行業(yè)對高校本科生通用/嵌入式計算機系統(tǒng)的設計能力提出了更高的要求。微機及嵌入式系統(tǒng)系列課程的改革勢在必行。

2 課程改革思路

近年來部分高校開始研討如何更新“微機”課程的教學內(nèi)容，這方面的改革意見主要集中在兩個方向:①在課程中引入32位的通用微處理器系統(tǒng);②引入32位的嵌入式微處理器系統(tǒng)。

實際上，當前計算機技術發(fā)展的一個重要趨勢就是嵌入式芯片和系統(tǒng)的廣泛應用。計算機早已進入后PC時代，并已廣泛應用于各行各業(yè);而以應用為中心、軟硬件可剪裁的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展更是十分迅猛。

我校微機課程組根據(jù)多年積累的教學和科研經(jīng)驗，選擇了嵌入式微處理器系統(tǒng)作為微機課程主要內(nèi)容的改革方向，有如下優(yōu)勢。

(1)嵌入式計算機系統(tǒng)融合了計算機軟/硬件技術、自動化技術、數(shù)字通信技術和微電子技術，比通用計算機系統(tǒng)具有更強的實用性，也更貼近相關專業(yè)領域的產(chǎn)業(yè)需求;

(2)嵌入式系統(tǒng)具有通用微機系統(tǒng)中涉及的所有特征，引入嵌入式處理器可以保證原課程的核心內(nèi)容，而且有利于各專業(yè)根據(jù)本專業(yè)特色選擇合適的切入點和側(cè)重點，借助科研優(yōu)勢構(gòu)建科研與教學結(jié)合、產(chǎn)學研有效銜接的教學模式;

(3)嵌入式系統(tǒng)設計需要較強的綜合理論知識和動手能力，有利于對學生綜合能力、特別是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 課程改革措施

(1)加強計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等基礎理論

不管是通用計算機系統(tǒng)還是嵌入式計算機系統(tǒng)，不管采用哪種CPU芯片，其組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本質(zhì)上都是非常類似的。為了加強這部分內(nèi)容，改革后的課程增加了關于計算機體系結(jié)構(gòu)的演變技術(如流水線、超標量、多機/核等并行技術)，以及微處理器的工程設計技術(如隨機邏輯CPU和微碼CPU的EDA設計技術)等章節(jié)。

(2)增加嵌入式操作系統(tǒng)的移植技術

隨著硬件平臺性能的大幅度提高，操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中的應用也變得越來越廣泛。適當引入與操作系統(tǒng)的基本概念以及嵌入式操作系統(tǒng)的移植技術相關的內(nèi)容，有助于建立完整的計算機系統(tǒng)架構(gòu)、透徹理解計算機系統(tǒng)的工作原理。改革后的教學內(nèi)容增加了嵌入式Linux移植、嵌入式系統(tǒng)軟件引導與加載及嵌入式Linux系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)等核心軟件技術，并在實驗中有所體現(xiàn)。

(3)選用ARM核替代8086/8088作為核心

目前嵌入式微處理芯片市場主要流行的是基于ARM處理器內(nèi)核的嵌入式芯片，幾乎80-90%的嵌入式產(chǎn)品均由ARM CPU為核心設計組成，ARM處理器為32位RISC芯片，體系結(jié)構(gòu)設計比8088/8086有很大改進［1］。課程選用ARM核替代8088/8086作為核心芯片，通過對ARM處理器的學習可以接觸更先進的計算機體系結(jié)構(gòu)，了解當前的主流硬件技術，同時程序設計的模式也更加結(jié)合實際。

(4)在課程實驗中引入AISC/SoC設計技術

EDA/ASIC設計技術已成為現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)設計工程師的必備技能［2］。課程實驗中引入先進的SoC和NoC等EDA設計技術，在掌握使用現(xiàn)成電路模塊搭建系統(tǒng)的基礎上，學習使用已有IP核或自行設計IP核構(gòu)建片上系統(tǒng)，為學生提供所需的教學內(nèi)容。改革后的課程實驗可以通過讓學生分組進行課程設計(或綜合性實驗)來完成簡單CPU核和接口電路的ASIC設計，或利用已有CPU及接口電路IP核在開發(fā)板上完成SoC系統(tǒng)搭建。

4 結(jié)語

本校微機課程組率先在“微機”課程改革中，將微處理器體系結(jié)構(gòu)、組成原理與現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設計相結(jié)合，并于2009年出版了適用于電子電工類非計算機專業(yè)微機課程的教材［3］。為體現(xiàn)學科交叉和技術融合，該教材在保證原《微機系統(tǒng)原理與接口技術》教材核心內(nèi)容的基礎上加強了微處理器組成和計算機體系結(jié)構(gòu)等基礎理論，增加了嵌入式操作系統(tǒng)的移植技術，并嘗試引入了先進的ASIC/SoC設計技術。目前該教材已在本校連續(xù)使用3年，也被其他學校選為相關教材。實踐證明，本次改革思路在教與學兩方面都得到了較好的反響。

(1)“微機”課程改革注重與“數(shù)字邏輯設計技術”、“EDA技術”、“軟件技術基礎”、“C語言”以及“數(shù)字通信”等相關課程內(nèi)容的融合與提升，有利于培養(yǎng)學生的實際工程項目開發(fā)能力，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性和鼓勵學生個性化發(fā)展方面起到了較大的促進作用;

(2)改革后的教學內(nèi)容注重了當前IT行業(yè)的實際需求，使學生能夠感受到學以致用的樂趣，并為其申請有關科研項目或參加各類競賽奠定了基礎，激發(fā)了學生的學習熱情，有效改善了學生不愿學的狀況;

(3)此次改革促進了科研與教學的融合，并因此成功吸引了相當數(shù)量的優(yōu)秀青年教師加入課程組，有效緩解了教師不愿教的問題。

［1］嚴國志.基于電氣工程專業(yè)的ARM嵌入式系統(tǒng)教學研究［J］.南京:電氣電子教學學報，2010.4，32(2):11-13

［2］王鵬，朱小梅.一種“微機原理與應用”課程教學實驗平臺［J］.南京:電氣電子教學學報，2010.10，32(5):90-92

［3］李廣軍，閻波等.微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.9