微電子專業(yè)嵌入式設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

吳濱

摘要：基于微電子科學(xué)與工程專業(yè)特點(diǎn)以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程與微電子專業(yè)結(jié)合不緊密的問題;結(jié)合工程認(rèn)證的要求，以及課程思政教育的要求，提出了新的教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)改革方案。實(shí)施課程教學(xué)改革三年來，學(xué)生普遍反映良好，認(rèn)為嵌入式設(shè)計(jì)不再是一門簡(jiǎn)單的應(yīng)用課程，而是整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程教育認(rèn)證、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、微電子專業(yè)、硬件描述語(yǔ)言

中圖分類號(hào)：G642 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心是要確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)生要求為導(dǎo)向的合格性評(píng)價(jià)[1]。另一方面，習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，高校思想政治工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰(shuí)培養(yǎng)人這個(gè)根本問題。要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全方位育人，開創(chuàng)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[2]。微電子專業(yè)的培養(yǎng)方案中也體現(xiàn)了工程教育專業(yè)認(rèn)證和思政教育的要求。在專業(yè)培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合微電子專業(yè)的特色，對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了改革嘗試。經(jīng)過三年的探索，獲得了學(xué)生的認(rèn)可，取得了一些成果;也有一些不足之處有待完善。

2 傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)課程內(nèi)容

傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)課程以單片機(jī)、ARM的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，包括單片機(jī)工作原理和最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，使用匯編和C語(yǔ)言的單片機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。ARM體系結(jié)構(gòu)與內(nèi)核的介紹，ARM和Thumb指令集的介紹;針對(duì)某一款A(yù)RM芯片的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，包括各種接口電路的介紹。最后會(huì)介紹嵌入式操作系統(tǒng)，包括典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS和常用的嵌入式Linux操作系統(tǒng);以及利用C語(yǔ)言在嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。也有介紹DSP芯片的工作原理和應(yīng)用的，以及講授嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)介紹Android系統(tǒng)的，但都不多，不能算是嵌入式設(shè)計(jì)課程的主流。

從我以往收集、使用的教材能很清晰地反應(yīng)上述情況。2009年出版的普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《嵌入式系統(tǒng)技術(shù)》，該書從眾多嵌入式微處理器中總結(jié)其設(shè)計(jì)共性、特點(diǎn)，依次介紹單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)專用術(shù)語(yǔ)和應(yīng)注意的問題、嵌入式微處理器編程語(yǔ)言、先進(jìn)8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位ARM處理器[3]。2015年普通高等教育“十二五”電子信息類規(guī)劃教材《嵌入式系統(tǒng)》，該書介紹了嵌入式系統(tǒng)和ARM的基礎(chǔ)知識(shí)、嵌入式匯編和C語(yǔ)言、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、嵌入式硬件與固件的設(shè)計(jì)、開發(fā)步驟和案例，以及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用等[4]。第三本書是普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材，該書的主要內(nèi)容包括ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)與特性，以NXP公司的LPC1100系列ARM芯片為例，介紹了其工作原理和使用方法，最后介紹了基于CMSIS接口標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)[5]。

傳統(tǒng)的嵌入式教材和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容是相匹配的。我們選擇的也都是國(guó)家五年計(jì)劃規(guī)劃教材，具有一定的代表性，教材內(nèi)容也確實(shí)能夠滿足大多數(shù)高等院校專業(yè)課程體系的要求?？梢哉J(rèn)為這樣的教材和課程內(nèi)容設(shè)計(jì)體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，滿足了市場(chǎng)對(duì)高校畢業(yè)生嵌入式應(yīng)用技術(shù)掌握程度的需求。但是在我校微電子專業(yè)培養(yǎng)體系內(nèi)，尤其是隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容就略顯不足了。

3 微電子專業(yè)嵌入式設(shè)計(jì)教學(xué)改革

3.1 改革思路

我校微電子科學(xué)與工程專業(yè)目前的培養(yǎng)方案中，第一學(xué)期講授“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)C”，第三學(xué)期講授“電路理論”，第四學(xué)期講授“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”。第五學(xué)期講授“嵌入式設(shè)計(jì)”，后續(xù)第六學(xué)期開設(shè)“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”。這樣課程體系對(duì)于微電子專業(yè)來說也算合理。但是對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)課程來說需要考慮揚(yáng)棄傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)內(nèi)容及增加與微電子專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容。

在做本次課程教學(xué)改革設(shè)計(jì)之前，我們學(xué)習(xí)了微電子專業(yè)工程教育認(rèn)證體系的要求。希望體現(xiàn)出以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)、對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)估和評(píng)價(jià)的工程教育認(rèn)證的主旨[6]。根據(jù)專業(yè)的統(tǒng)一規(guī)劃及課程本身內(nèi)容，嵌入式設(shè)計(jì)課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)3個(gè)，分別是3-1掌握微電子領(lǐng)域相關(guān)工程的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)/開發(fā)方法和技術(shù)，了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素;4-3能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，操作實(shí)驗(yàn)裝置，安全地開展實(shí)驗(yàn)，正確地采集和記錄數(shù)據(jù);5-1了解專業(yè)常用的電子儀器儀表、信息技術(shù)工具、微電子專業(yè)工程工具和專業(yè)模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性。同時(shí)考慮課程思政要求，在組織課程內(nèi)容的過程中，積極尋找思政融合點(diǎn)，備課和講授過程中注意相關(guān)教學(xué)案例的收集和講解。引導(dǎo)學(xué)生全面客觀認(rèn)識(shí)當(dāng)代中國(guó)、看待外國(guó)的科技文化;理解科學(xué)中的人文和倫理元素。激勵(lì)學(xué)生自覺把個(gè)人的追求融入到民族的振興和發(fā)展中去。

3.2 課程內(nèi)容安排

嵌入式設(shè)計(jì)課程共64個(gè)課時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課時(shí)24個(gè)，理論課時(shí)40個(gè)。教學(xué)內(nèi)容中，除了傳統(tǒng)的單片機(jī)和ARM兩種處理器外，為了使其更適應(yīng)微電子專業(yè)，本次課程改革增加了以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（英文縮寫為FPGA）作為核心處理器的嵌入式系統(tǒng)介紹。理由如下：首先，隨著現(xiàn)代大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展，F(xiàn)PGA確實(shí)可以作為一種強(qiáng)大的核心處理器進(jìn)行應(yīng)用，尤其在圖像處理等需要大量高速計(jì)算的場(chǎng)合。Xilinx公司就設(shè)計(jì)了一款Zynq系列芯片，使用該公司提供的Vivado軟件編寫硬件描述語(yǔ)言程序，進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。其次，對(duì)于微電子專業(yè)而言，集成電路設(shè)計(jì)的硬件驗(yàn)證環(huán)節(jié)也是用FPGA進(jìn)行驗(yàn)證的。第三，用于FPGA編程的硬件描述語(yǔ)言VHDL，同樣可以用于專用集成電路的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。因此對(duì)于微電子專業(yè)的學(xué)生而言，將FPGA歸入嵌入式設(shè)計(jì)課程是一舉三得。體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的原則，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)際工程能力。

為了應(yīng)用FPGA進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，我們首先講授了FPGA的工作原理和硬件結(jié)構(gòu)，介紹了FPGA的電路結(jié)構(gòu)和主要功能;隨后，講授了硬件描述語(yǔ)言VHDL以及Quartus II軟件。VHDL是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的英文縮寫，這門硬件描述語(yǔ)言是現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的兩種主流語(yǔ)言之一。這部分內(nèi)容占了16個(gè)理論課時(shí)，因?yàn)閷?duì)于當(dāng)代的大規(guī)模數(shù)字電路芯片而言，已經(jīng)無(wú)法使用傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)了。需要采用自頂向下的方式從系統(tǒng)級(jí)開始設(shè)計(jì)芯片，而硬件描述語(yǔ)言則是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的主要工具。后續(xù)課程“數(shù)字集成電路”中設(shè)計(jì)大規(guī)模數(shù)字集成電路就需要用到VHDL語(yǔ)言。

由于微電子專業(yè)的培養(yǎng)方案中，并沒有“計(jì)算機(jī)組成原理”、“操作系統(tǒng)”等先修課程。對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面預(yù)備知識(shí)支撐較弱，因此課改減少了傳統(tǒng)的匯編程序、嵌入式C語(yǔ)言開發(fā)以及嵌入式操作系統(tǒng)的課時(shí)。僅做了入門式的介紹，側(cè)重于讓學(xué)生了解基本概念、學(xué)習(xí)方法和信息來源。

3.3 支撐工程教育專業(yè)認(rèn)證

工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生為中心、結(jié)果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)。宏觀來說評(píng)估是在院校在專業(yè)層次實(shí)施，微觀則是相關(guān)要求在專業(yè)課程層面實(shí)施[1]。2016年6月我國(guó)加入華盛頓協(xié)議，提高了我國(guó)工程教育的國(guó)際影響力。專業(yè)認(rèn)證注重“學(xué)”而不是“教”，基于OBE（成果導(dǎo)向教育）[7]。本課程通過課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和考核方法支撐了微電子專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求3-1、4-3、5-1。

課程教學(xué)內(nèi)容中我們介紹了單片機(jī)、ARM和FPGA嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。幫助學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，以及產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)方法，了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素。

通過教學(xué)內(nèi)容中對(duì)C語(yǔ)言的介紹和硬件描述語(yǔ)言VHDL的詳細(xì)講授;實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的流水燈實(shí)驗(yàn)，地鐵自動(dòng)售票機(jī)控制器和交通信號(hào)等控制器設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)。幫助學(xué)生提高根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)方案，操作FPGA仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，正確采集記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力。

畢業(yè)要求5-1的支撐是通過課程內(nèi)容的Quartus II軟件的介紹和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中Quartus II軟件的使用及八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)獲取的。使得學(xué)生能夠了解微電子專業(yè)工程工具和專業(yè)模擬軟件的使用原理和方法。并且通過對(duì)比軟件仿真結(jié)果和試驗(yàn)箱實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，理解仿真模擬軟件的局限性。很明顯的例子就是計(jì)數(shù)器脈沖輸入在軟件仿真中非常容易獲得，計(jì)數(shù)器的仿真結(jié)果良好，顯示計(jì)數(shù)器電路可以穩(wěn)定工作。但是在實(shí)驗(yàn)箱上同學(xué)們就會(huì)發(fā)現(xiàn)有時(shí)計(jì)數(shù)會(huì)多于按下的脈沖鍵次數(shù)，原因在于輸入實(shí)際信號(hào)有抖動(dòng)。

以上是我們從微觀的課程層面對(duì)專業(yè)工程教育認(rèn)證所做的課程改革。核心是在教學(xué)思想上的轉(zhuǎn)變，從根據(jù)教師掌握的理論、技術(shù)設(shè)計(jì)大綱，然后根據(jù)大綱教學(xué);轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)學(xué)生畢業(yè)后的培養(yǎng)目標(biāo)是否達(dá)成為依據(jù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。課程內(nèi)容的安排考慮了對(duì)上述畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐。

3.4 課程思政結(jié)合點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)伴隨著電子技術(shù)、集成電路和軟件等行業(yè)的進(jìn)步而發(fā)展，時(shí)至今日，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)滲入到社會(huì)的各個(gè)角落。既是工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的工具，也是人們?nèi)粘Ｉ畹牡昧χ?。嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)眾多，又是一類實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性課程[8]?？梢詮睦碚撝R(shí)的講授中發(fā)掘思政融合點(diǎn)，也可以在實(shí)踐項(xiàng)目中挖掘思政融合點(diǎn)。

隨著科技的發(fā)展，工程技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)與社會(huì)的正常運(yùn)行密切相關(guān)了。比如2018年底的基因編輯嬰兒案件，甚至影響到了人類社會(huì)的基本倫理。在倫理問題上陷入困境的工程實(shí)踐者多數(shù)是因?yàn)樗麄儧]有意識(shí)到自己所面臨的是一個(gè)具有倫理性質(zhì)的問題[9]。另一方面，由于工程倫理是對(duì)工程活動(dòng)的普遍約束，是高度概括和抽象的，不同的組織機(jī)構(gòu)對(duì)工程倫理的準(zhǔn)則定義不盡相同[10]。我們選擇了奉獻(xiàn)、環(huán)境保護(hù)作為嵌入式設(shè)計(jì)課程的兩個(gè)思政融合點(diǎn)。

在學(xué)習(xí)μC/OS實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，將奉獻(xiàn)精神嵌入課程內(nèi)容的介紹中。μC/OS在1992年由美國(guó)的嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse完成，他并沒有將其作為自己賺錢的工具，而是選擇開源。發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)BBS上，供大家修改使用。正是這種奉獻(xiàn)精神，吸引了一批工程師，不斷完善μC/OS;在大家的共同努力下，才有了現(xiàn)在這樣一個(gè)享譽(yù)世界，廣泛使用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論中，有許多場(chǎng)合都要考慮資源和功能的匹配問題。一般的工程設(shè)計(jì)人員會(huì)追求降低風(fēng)險(xiǎn)，選擇資源豐富的芯片。我們?cè)谥v授中介紹邏輯化簡(jiǎn)，并鼓勵(lì)學(xué)生站在環(huán)境保護(hù)的角度看待電路的簡(jiǎn)化問題。一顆48腳的芯片和一顆64腳的芯片，相差16根金屬引線。學(xué)生們很少有人關(guān)注這些細(xì)微之處，當(dāng)我告訴他們這個(gè)引腳的材質(zhì)、工藝的發(fā)展歷史時(shí)，學(xué)生普遍表示驚訝。保護(hù)環(huán)境的工程倫理在這里就順理成章地進(jìn)入了學(xué)生們的意識(shí)中。

對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)這樣一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程來說，實(shí)踐環(huán)節(jié)是另一個(gè)思政融入的重要陣地。嵌入式系統(tǒng)深入社會(huì)的各個(gè)角落，產(chǎn)品的成功失敗案例太多了。包括英特爾這樣的大公司，在ARM芯片上可謂盡心盡力，可最終都是為他人做了嫁衣裳。通過這樣的案例介紹，能夠幫助學(xué)生換一個(gè)角度思考困境。明白國(guó)外的頂級(jí)企業(yè)也會(huì)有困境，國(guó)內(nèi)行業(yè)暫時(shí)的困境并不可怕;重要的是不放棄，踏實(shí)努力，個(gè)人的追求民族的振興終將實(shí)現(xiàn)。其次嵌入式設(shè)計(jì)大多分為硬件和軟件兩部分。我們鼓勵(lì)學(xué)生組隊(duì)完成嵌入式設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，并且合作完成的作品可以有加分，以此培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。

4 結(jié)語(yǔ)

通過本次教改，我們?nèi)〉昧艘恍┏晒?，比如完善了學(xué)生在微電子專業(yè)領(lǐng)域嵌入式設(shè)計(jì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。提升了學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)的硬件驗(yàn)證能力。完成了專業(yè)工程認(rèn)證的目標(biāo)，融入了思政教育內(nèi)容。但是還沒有完全做到以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向;是將課程內(nèi)容納入畢業(yè)要求，OBE的計(jì)算方式方法不夠清晰。未來希望是在畢業(yè)要求的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，各項(xiàng)考核內(nèi)容嚴(yán)格遵循OBE的方法，考核結(jié)構(gòu)能夠指導(dǎo)課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)。發(fā)掘更多的思政融合點(diǎn)，真正做到春風(fēng)化雨，潤(rùn)物無(wú)聲。

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