基于嵌入式芯片的《微机原理》课程改革

徐惠民北京邮电大学

大学计算机基础教学改革的新阶段

• 进入 21世纪后，计算机软硬件技术继续在快速发展，大学计算机基础教学也面临这新的挑战。大学计算机基础教学进入了一个新阶段。

• 新阶段的中心任务是要研究和解决在计算机技术发展的新形势下，大学计算机基础教学应该如何发展，才能适应新的形势的要求。

大学计算机基础教学改革的新阶段

• 《大学计算机基础》 课程的改革使得计算机文化基础的教学内容向深度和广度发展。

• 对于《大学计算机基础》的教学目的、教学内容的讨论 是一种成熟的表现。

大学计算机基础教学改革的新阶段

• 在《程序设计》课程的设置和改革方面，也出现了各种不同的方案和做法。

• 不少学校提出了可以让学生选择不同的高级语言 。

计算机硬件基础课程的现状• 对于大多数工科专业来说，计算机硬件技术基础课程基本上是经过了两个阶段。

• 第一个阶段是 Z80 阶段。 • 第二阶段： 8086/8088 阶段。 8086/

8088Intel 公司在 1978/1979 年推出的16 位微处理器。

计算机硬件基础课程的现状• 8088/8086CPU 早就退出了应用领域 ;

• 和 8086 相应的配套芯片在计算机中也早就不再使用。

• 在课程进行过程中，理论脱离实际、理论落后实际的情况比比皆是。

计算机硬件基础课程的现状• 如果说，大学的计算机基础教学经常落后于计算机技术的发展，那么，计算机硬件技术基础课程就是最典型的例子。

• 计算机硬件技术基础课程的改革应该往哪里走？

快速发展的嵌入式芯片及系统 • 然而，当前计算机技术发展的一个重要的趋势是嵌入式芯片和系统的发展。

• 嵌入式系统（ Embedded Systems ）是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁的适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统。

嵌入式技术无处不在嵌入式技术无处不在

消费电子

嵌入式应用

信息家电

智能玩具

军事电子

通信设备

移动存贮

工控设备

智能仪表

汽车电子

网络设备

工业

军事国防

电子商务

网络

嵌入式处理器快速成长

$70亿

ARM 处理器• 目前嵌入式芯片市场主要流行的是基于 ARM 公司设计的处理器内核的嵌入式芯片。

• ARM 公司是一家设计高性能嵌入式内核的科技公司，通过出售知识产权来获利。

ARM的全球合作伙伴 半导体和系统伙伴 , 操作系统伙伴 , 开发工具伙伴 , 应用伙伴 , ARM 技术共享计划（ ATAP ）

ARMARM 系列内核介绍系列内核介绍• ARMARM 处理器核当前有处理器核当前有 6 6 个系列产品：个系列产品：• ARM7 ARM9ARM7 ARM9• ARM9E ARM10E,ARM9E ARM10E,• SecurCore ARM11SecurCore ARM11

• IntelIntel 公司推出的：公司推出的：• StrongARM StrongARM • XScaleXScale

引入嵌入式处理器

•嵌入式处理器具有《微机原理》课程中所涉及的处理器的所有特征。在《微机原理》课程中引入嵌入式处理器应该是计算机硬件技术基础课程改革的一条可选之路。

优势和困难 • 《微机原理》课程主要内容包括：处理器体系结构、汇编语言程序设计、存储器、计算机接口等。

• 引入嵌入式处理器必须保证课程的核心内容不能受到冲击，而且要能够提高课程的质量。

优势和困难

• 主要使用的 ARM 处理器都是 32位 RISC 芯片，体系结构的设计比8088/8086 有很大的改进。同学们可以接触更先进的计算机体系结构，了解当前的主流硬件技术。

• 由于 ARM 采用 RISC 技术，使用的是精简指令集，指令的寻址方式和指令系统并不因为是 32 位系统而变得很复杂。所以，引入嵌入式芯片，在指令系统方面并不会增加多少负担。

• 程序设计的模式更加结合实际。 • 在嵌入式系统的情况下，一方面要求对于指令系统和汇编语言有必要的了解。同时，还会提供高级语言的程序接口。同学们会接触到实际的嵌入式系统开发的环境和实践。

• 学习多种存储器的扩充方法。• 不仅可以学习一般的存储器扩充的方法，还会学习到各种不同类型的存储器在扩充时的区别。如扩展 SDRAM 、FLASH 、或者 SRAM 。

• 接口的选择将更加多样化。 • 嵌入式芯片提供了实际的接口技术的解决方案，而且接口的选择更加多样化。除了最基本的并行接口、 UART串行接口、计数器 /定时器接口外，还提供 USB 接口、网络接口、数模转换接口，以及 I2C总线接口、 CAN总线接口等，可供不同专业、不同应用场合的选择。

• 在《微机原理》课程中引入嵌入式芯片的难度也是不小的。

• 技术上的难度。• 人员上的难度。• 教材资料上的难度。

我们的实践• 在 2005 年申请了教改立项：《基于嵌入式芯片的“微机原理”课程改革》，主要目的是改变计算机硬件技术基础课程严重落后于计算机技术发展的现状，建立一套以 ARM32 位嵌入式芯片为核心的全新的《微机原理及接口技术》课程体系和内容。

我们的实践• 讨论确定了《微机原理及接口技术（基于嵌入式芯片）》课程的教学大纲。

• 教学大纲既要覆盖原来课程对于计算机硬件技术基础的基本要求，也要适应嵌入式技术的发展增加新的内容。还要考虑学生的接受能力。

我们的实践• 完成了和意法半导体公司成立“嵌入式系统联合实验室”的一系列筹备工作。意法半导体公司（ ST 公司）是世界著名的半导体厂商之一，他们生产的 STR710F 芯片是基于 ARM7 内核的嵌入式芯片。联合实验室的建立为将来基于嵌入式芯片的《微机原理》课程实验准备好了硬件的环境。

我们的实践• 讨论确定了《微机原理及接口技术（基于嵌入式芯片）》教材的编写大纲。

• 教材以 STR710 芯片为基础，介绍微型计算机的 CPU 、存储器和接口。

• 教材的试用稿已经完成，并印刷完毕，交付使用。

我们的实践• 这学期开设的《微机原理及接口技术》课程，拿出 3 个小班作为新课程的试点。

• 进展情况良好。

结束语• 最近看到有些学校也开始在微机原理课程中引入 ARM 芯片，开始了相应的教学。

• 希望有更多的交流机会。沟通努力。解决好计算机硬件技术基础课程的改革。