基于C語言的單片機(jī)與接口技術(shù)課程教學(xué)改革探索

鞠陽

南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院 南京 211167

單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器，在工業(yè)控制、機(jī)電一體化、通信終端、智能儀表、家用電器等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。國內(nèi)高校的一些相關(guān)專業(yè)在20世紀(jì)80年代末就開設(shè)了單片機(jī)原理及應(yīng)用課程，并成為電氣信息類、機(jī)械類等專業(yè)的專業(yè)核心課程。因?yàn)閱纹瑱C(jī)在實(shí)際生活中廣泛應(yīng)用，該課程在培養(yǎng)環(huán)節(jié)中都被定位在理論與實(shí)踐并重，著重培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的能力。

該門課程是一門涉及硬件、軟件技術(shù)的綜合性課程。在學(xué)習(xí)本課程的時(shí)候，學(xué)生應(yīng)該掌握邏輯電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)原理硬件以及軟件編程等知識。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要學(xué)生綜合運(yùn)用這些知識分析解決單片機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的具體問題時(shí)，往往不能融會貫通地加以理解和應(yīng)用，容易造成學(xué)生對本課程的畏難情緒，學(xué)習(xí)積極性受到影響。原因有不少，采用匯編語言為主的傳統(tǒng)授課方式就是其中之一，分析其原因包括：匯編語言語句抽象，可讀性差，學(xué)生難理解；匯編語言編程效率低，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大；匯編語言代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維護(hù)、更新；匯編語言對硬件結(jié)構(gòu)依賴較大，難以實(shí)現(xiàn)在不同種類和系列單片機(jī)之間移植。

如今，企業(yè)的單片機(jī)項(xiàng)目開發(fā)，一般都采用C語言。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，需要培養(yǎng)滿足社會需求的基于C語言的單片機(jī)人才。在多年的課程教學(xué)及科研實(shí)踐中，不斷總結(jié)、摸索和改革，構(gòu)建一套以C語言為主、匯編語言為輔、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為教學(xué)主線、能力培養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)體系。

1 C語言的特點(diǎn)

C語言源于編寫UNIX系統(tǒng)，與匯編語言和其他高級語言相比，優(yōu)點(diǎn)有很多：具有豐富的流程控制語句，適用于結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)，使得程序?qū)哟吻逦?，易于閱讀、編寫、調(diào)試和維護(hù)；使用范圍廣泛，可移植性強(qiáng)，目前主流的CPU和MCU都有支持C的編譯器；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算符豐富，有強(qiáng)大的庫函數(shù)支持，使用靈活方便；允許直接訪問物理地址，可以直接操作計(jì)算機(jī)硬件；編程和調(diào)試效率高，目標(biāo)代碼質(zhì)量好。

用C語言編寫單片機(jī)程序與用匯編語言編寫單片機(jī)程序不太一樣。用匯編語言編寫單片機(jī)程序要按實(shí)際地址組織、分配存儲器資源，處理端口數(shù)據(jù)；用C編寫程序不必十分熟系處理器的運(yùn)算過程和數(shù)據(jù)的具體組織，可以更專注于算法而不是具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，也更符合人們的思考習(xí)慣。由于C語言具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，幾乎各品種單片機(jī)的廠商都發(fā)布了相應(yīng)的C語言開發(fā)，因此采用C語言開發(fā)單片機(jī)已成為必然趨勢。

2 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，“單片機(jī)與接口技術(shù)”課程內(nèi)容安排一般都是概述、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言設(shè)計(jì)、存儲器擴(kuò)展、中斷與定時(shí)系統(tǒng)、I/O口擴(kuò)展及應(yīng)用、串行數(shù)據(jù)通訊。采用C語言教學(xué)，匯編語言應(yīng)要求適當(dāng)掌握。因?yàn)榇罅楷F(xiàn)有的寶貴資料是匯編語言編制的，需具備一定的閱讀能力。掌握的程度以能閱讀和理解常用的指令為度，不要求所有的指令都熟記。

在課程內(nèi)容安排上，可以采用這樣的模式：概述、硬件結(jié)構(gòu)、I/O口和存儲器擴(kuò)展、中斷與定時(shí)系統(tǒng)、應(yīng)用、串行數(shù)據(jù)通訊。其中，指令系統(tǒng)的講解穿插在各個(gè)章節(jié)中，以例題的形式講解。例題中用到哪條指令就講哪條指令，不再單獨(dú)講解，也不單獨(dú)講解指令的尋址方式。匯編語言章節(jié)可不講，但要求學(xué)生能讀懂課本該章節(jié)中的部分例題。由于學(xué)生的先修課程中已經(jīng)學(xué)過C語言，該部分內(nèi)容也不單獨(dú)介紹。在各章的由淺入深的例題中，帶著學(xué)生一邊復(fù)習(xí)和鞏固C語言知識，一邊介紹C51與標(biāo)準(zhǔn)C語言的不同點(diǎn)和編程注意事項(xiàng)，并逐漸讓學(xué)生熟悉編寫較大規(guī)模C語言程序的思維模式。

在教學(xué)過程中讓學(xué)生樹立學(xué)習(xí)信心，吸引他們的學(xué)習(xí)興趣。教師將Keil C51集成開發(fā)軟件和編程器帶到教室，編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制8個(gè)LED閃爍的簡單程序。通過軟件編譯仿真演示后，下載至單片機(jī)中進(jìn)行硬件演示，讓學(xué)生了解單片機(jī)開發(fā)的全過程。上課時(shí)教師多用通俗易懂的語言講解，多舉實(shí)例，使學(xué)生容易理解和消化。在教學(xué)過程中，盡量采用講解、演示方法，如講完整形變量的概念后，通過軟件演示，可以看到變量在內(nèi)存中存放的位置、存儲的內(nèi)容和存放方式，這樣學(xué)生對整形變量就有完整清晰的認(rèn)識。通過進(jìn)一步演示可以看到整形變量的值為32767時(shí)，再加1不等于32768，而是等于-32768，但其溢出時(shí)系統(tǒng)卻沒有任何報(bào)警提示，所以要求程序設(shè)計(jì)者做出正確處理，如溢出飽和等。同樣，講完定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理和初始化方法后，編寫簡單的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用程序，在仿真軟件中運(yùn)行進(jìn)行演示，可以清楚看到程序運(yùn)行時(shí)，計(jì)數(shù)器的值不斷變化，也可以看到定時(shí)器中斷服務(wù)程序的執(zhí)行結(jié)果。這樣定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的整體形象非常生動(dòng)，其工作原理也就不難理解了。通過講解、演示這些教學(xué)方式，使學(xué)生掌握了Keil C51集成開發(fā)軟件的使用方法，以后只要碰到有疑難的地方，就可以用仿真軟件調(diào)試運(yùn)行解決，增強(qiáng)了對C語言的直觀了解。

下面以流水燈為例，介紹以C語言為主的教學(xué)法具體講解步驟。

1）硬件部分：P1口接8只發(fā)光二極管，編寫程序?qū)崿F(xiàn)讓發(fā)光二極管按P1.0—P1.1—P1.2—…P1.7—P1.0—…的順序依次循環(huán)點(diǎn)亮。圖略。

2）軟件部分：

3）利用仿真器或編程器在面包板上現(xiàn)場調(diào)試并運(yùn)行該實(shí)例，證明軟硬件設(shè)計(jì)的正確性。

4）軟件部分，介紹主要語句功能。

5）講解課本相關(guān)知識點(diǎn)。

6）在學(xué)生掌握該例題后，引申該例題，同學(xué)生互動(dòng)（如若采用定時(shí)器，程序應(yīng)如何修改？等等）。

7）講解相應(yīng)的匯編程序。

8）講解該例題未涉及的知識點(diǎn)。

3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重視課程設(shè)計(jì)

該課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，因此除理論教學(xué)外必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。盡量給學(xué)生提供充分的上機(jī)實(shí)踐是調(diào)動(dòng)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的很好手段。通過上機(jī)實(shí)踐，學(xué)生能自主地獲得知識，提高調(diào)試程序的能力。這樣就可以把一部分教學(xué)內(nèi)容移到上機(jī)的過程中去自行獲取，既能節(jié)約教學(xué)學(xué)時(shí)，又能幫助學(xué)生牢固掌握知識。一般課堂教學(xué)學(xué)時(shí)與上機(jī)實(shí)踐學(xué)時(shí)應(yīng)掌握為3:1。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排上，努力建立由淺入深、從基礎(chǔ)到前沿、從接受知識到培養(yǎng)綜合能力的實(shí)驗(yàn)新體系。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上要突出綜合性、實(shí)踐性特點(diǎn)。綜合性實(shí)驗(yàn)著重于實(shí)驗(yàn)原理及要求。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作步驟等從略或簡述操作事項(xiàng)，以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng)。例如，為了讓學(xué)生真正掌握可編程并行接口芯片8255A的使用，要求學(xué)生對它的實(shí)驗(yàn)原理及編程方法吃深吃透，從最簡單的做起，讓8255A芯片的PA口的8個(gè)引腳PA7～PA0與8個(gè)發(fā)光二極管相接，讓發(fā)光二極管一個(gè)一個(gè)或兩個(gè)兩個(gè)或三個(gè)三個(gè)循環(huán)閃爍顯示。當(dāng)學(xué)生真正理解了8255A芯片使用主要在于編程，其3種工作方式可用軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)后，再在指導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)后面增加相關(guān)的思考題，要求學(xué)生按照教師提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，自己設(shè)計(jì)、自擬操作方法與步驟，在面包板上接插線，上機(jī)調(diào)試。當(dāng)學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后又要求他們寫出有結(jié)論、有分析、有體會的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)過這樣的舉一反三，活學(xué)活用，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，有利于培養(yǎng)新型人才。它可以開闊學(xué)生知識面，有利于學(xué)生的動(dòng)手能力的培養(yǎng)，使學(xué)生學(xué)到的知識得到鞏固和升華。

課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是一個(gè)實(shí)戰(zhàn)練兵的機(jī)會。為此安排一周的課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生有較充裕的時(shí)間系統(tǒng)地編寫并調(diào)試一套完整并有一定程序量的程序。課程設(shè)計(jì)題目分為兩大類型，即基本類型和提高類型?；绢愋桶娮隅姵绦蛟O(shè)計(jì)、交通燈控制器程序設(shè)計(jì)、模擬全主動(dòng)洗衣機(jī)程序設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)單步進(jìn)給特性的測試等題目；提高類型包括單片機(jī)與微機(jī)串行通信軟件設(shè)計(jì)、閉環(huán)恒溫控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)、溫度顯示儀表等題目。學(xué)生可根據(jù)自己的情況自主選擇設(shè)計(jì)內(nèi)容。

課程設(shè)計(jì)要求完成硬件原理圖、軟件流程圖、調(diào)試成功的軟件。通過課程設(shè)計(jì)的實(shí)戰(zhàn)練兵，可以達(dá)到以下幾個(gè)目的：1）進(jìn)一步鞏固了所學(xué)理論知識；2）使學(xué)生對該課程有系統(tǒng)的認(rèn)識；3）使學(xué)生對這門課從理論到實(shí)踐跨出了關(guān)鍵性的一步。

4 結(jié)束語

通過采用以C語言為主、匯編語言為輔的教學(xué)方法的改革后，學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)與接口技術(shù)的積極性有了較大的提高，學(xué)生既能扎實(shí)地學(xué)好理論知識，又具備了較強(qiáng)的動(dòng)手能力。根據(jù)對幾屆學(xué)生的調(diào)查和成績統(tǒng)計(jì)來看，學(xué)生對該課程的掌握與實(shí)際開發(fā)能力均得到了較大的提高，為學(xué)生今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至將來的工作打下了良好的基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)完本課程后，參加校內(nèi)和省內(nèi)的電子設(shè)計(jì)競賽的成績比以前有了較大的提高。

在以后的教學(xué)進(jìn)程中，還需要進(jìn)一步完善課程的教學(xué)改革，為培養(yǎng)出高素質(zhì)、能力強(qiáng)、符合現(xiàn)代化建設(shè)需要的新型人才，為實(shí)現(xiàn)學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)繼續(xù)努力，力爭使教學(xué)水平、教學(xué)質(zhì)量躍上一個(gè)新的臺階。

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