摘要:调研了国内“嵌入式系统”课程的现状，针对课程内容广、知识关联度强、导致学生难以掌握的问题，针对性地提出设计驱动的教学方法。以一个简易MIPS处理器的设计作为课程抓手，让学生动手设计一个包含输入、输出、转移、算术计算、逻辑运算的九指令集的精简指令集处理器，督促学生从设计者而非使用者的角度来深入理解嵌入式系统的核心—处理器和指令集。实际效果显示，这种教学方法取得了良好的效果。
关键词:嵌入式系统;AＲM;处理器;指令集
中图分类号:TP316;G642 文献标识码:A doi:10．3969/j．issn．1672－4305．2016．02．036
随着CPU及周边配套器件在功耗、计算能力和体积性能的不断提升，嵌入式系统的应用越来越广，可以说:嵌入式系统已经深入地嵌入到人们的生产、生活的各个方面，发挥着难以替代的作用。因此，各个行业都急需嵌入式产品的设计和开发人才。国内各高校面向弱电专业研究生都开设了“嵌入式系统”或“嵌入式系统设计”课程，期望能够培养出具有较强动手能力的嵌入式系统开发人才。但事实的效果是:(1)学生在学习之后，并不能对嵌入式系统有一个较为完整的认识。具体体现在:不能根据实际项目需求进行合理选型和自主设计，往往只能照搬照抄参考认识，创新能力不足。(2)学生对嵌入式系统类别认识不正确，对AＲM处理器的指令系统的认识浮于表面。(3)不能达到软硬件兼通的水平，开发能力基本都停留在嵌入式软件开发层面，不能从软硬件协同的角度考虑问题的原因，在调试不顺利时，往往束手无策。找到出现这种问题的根源，并有针对性地对课程内容和授课方式方法进行修正，是目前“嵌入式系统设计”课程急需解决的问题。中国石油大学(北京)计算机科学与技术系对这个问题进行了初步的调查、研究和总结，并对课程内容和授课方式进行了较大幅度的调整。主要的措施是采取课程设计驱动式的教学方式。具体为:(1)虽然用AＲM处理器做实验开发，但并不直接把AＲM处理器作为主要内容进行灌输式授课，而是先让学生花费22个课时的时间在实验室设计一个8指令的32位简易型MIPS处理器。(2)在处理器设计结束后，通过梳理设计中存在的问题，让学生认识到AＲM处理器存在的弊端和优势，以及可以改进和发挥的地方，启发学生客观看待AＲM处理器。(3)再花4个课时迅速介绍一下AＲM处理器指令系统的使用，通过两个小实验让学生尝试裸机编程调试过程，体验其不便性。(4)最后的4个课时介绍嵌入式系统的开发工具链，让学生体验嵌入式开发的便利。实际效果发现:(1)在课程授课期间，学生不仅对嵌入式系统的总体宏观结构和开发流程有了较为深入的认识，而且动手能力有了很大的提高。(2)在课程结束以后，学生对课程关联内容发生了浓厚的兴趣，对课程的延展内容进行自主学习。充分表明了课程改革的有效性。
1调研与思考
经过对国内主要高校的“嵌入式系统设计”课程内容开设情况进行调研后发现:课程授课普遍存在着广度不足和深度不足两方面的问题。广度不足的问题主要体现在课程授课内容方面，目前“嵌入式系统设计”课程都是AＲM9系统开发，嵌入式操作系统基本上为ucos或Linux［1］。课程首先介绍AＲM9处理器的指令系统，然后介绍嵌入式操作系统，以及在其上的基于C语言的系统开发。课程并没有对嵌入式系统的多种实现方式、实现途径进行介绍，这带来了一定的负面效应。首先，很多学生都误认为:嵌入式系统就是以AＲM处理器芯片为核心的软硬件系统，离了AＲM处理器就不能做嵌入式产品。深度不足的问题主要体现在授课方式上。由于采用灌输式教育，学生只能被动地接收对AＲM处理器各种溢美之词的介绍，把AＲM处理器奉为经典，不敢质疑，不能正确认识某些性能指标的真正含义与优缺点。这样限制了他们今后在实践过程中的创新能力。对这两个问题的深入思索后发现:首先，虽然AＲM9处理器芯片堪称经典，但毕竟已经是几十年前的产品，开发工具链也很陈旧，开发调试周期偏长，已经不能反映嵌入式系统开发的最新进展，满足不了快速开发的需要。其次，“嵌入式系统”课程教学方法仍以“是什么”为主，即告诉学生AＲM9处理器的指令是什么，怎么用，而对于“为什么”则基本没有涉及。在这样的教学内容和教学方式下，学生往往也只对某种CPU的使用有一些肤浅认识。对于本科生来说，这样的结果可以接受，但对于硕士生来说，这样的结果并不令人满意。第三，嵌入式系统教学普遍存在着“重软轻硬”的问题，这种现象尤其在使用实验箱进行课程实验时体现得更为明显［2］。课程实验中教师往往让学生去找软件中的错误，但对于硬件信号上的问题则基本不涉及，学生缺乏对系统的整体认识［3］。客观地说，尽管AＲM芯片堪称经典，其内容是嵌入式系统课程教学的必要内容，但研究生“嵌入式系统设计”课程教学的目的不仅仅在于让学生掌握基于AＲM9处理器的嵌入式产品设计技术和配套工具，而且让学生站到一个更为客观的角度认识到AＲM9的性能指标的必然性和限制性。在今后一定的工作条件的激发下，可以从根本上进行创新。
2实施过程与效果
基于这样的认识，显然首先要让学生认识到AＲM处理器的优缺点，打破学生对其认识上的神秘感。具体的思路是:首先快速设计一个类AＲM9的处理器，这样让学生从根本上理解什么是指令系统，以及指令系统的重要性。再通过适度分析设计上的问题，介绍可以改进之处，启发学生对处理器主要指标进行深度理解。在其后，只需流水性地介绍一下AＲM9的指令系统即可，因为通过CPU的设计，学生已经完全明白了指令系统的用途、分类、使用等一系列问题。最后适度介绍一下嵌入式操作系统与应用程序的开发流程，并布置两个开发实例辅助进行适度理解即可。在中国计算机学会和北京航空航天大学计算机学院的帮助下［4－5］，课程引入了一个简易的支持9指令MIPS处理器的设计。这9条指令具体为:LD、SW、ADDU、SUBU、OＲI、LUI、AND、JAL、BEQ，基本涵盖了MIPS的典型指令。其典型结构如图1所示。为将重点放在指令集的设计方面，同时也为了加快设计速度和降低设计复杂度，事先对主要的模块代码进行了实现，而把课程设计的任务集中在让学生实现上述9条指令上。为了突出嵌入式系统的低功耗的特点，也对代码做了一些粗糙的功耗控制，适度突出了其在低功耗控制方面的优化。由于实验对象是计算机专业的硕士生，他们对课程设计所使用的Verilog语言不甚了解，因此使用8个课时简要介绍了Verilog语言语法与系统实现方法，随后用6个课时介绍了简易型MIPS处理器的数据通路与控制通路的设计思想。明确了设计任务后，专门留出6个学时的时间，让大家在实验室里集中进行边设计边讨论。才开始的时候，绝大多数学生觉得任务很重，压力很大。在教师的要求和督促下，学生开始读实验代码。在一次集中实验以后，有一半的学生认为已经搞清楚了具体的设计任务，知道该怎么去实现。第二次集中实验的时候，一部分学生已经开始问一些非常具体的设计问题了，还有一部分学生主动要求老师再简要地把数据通路和控制通路的设计思路再说一遍，这说明他们已经在开始主动思考代码的结构了。这时，他们对数据通路和控制通路的理解已经远远超越授课时的水准。课程设计结束时，有70%的学生基本完成了设计任务，剩余的学生虽然没有完成，但自认为对处理器和指令集的认识是非常清楚的。紧随其后，课程的内容又回到了AＲM指令集，这时只需花4个课时简要介绍一下AＲM指令系统的分类和典型指令就可以了。由于前面的处理器设计过程的训练，学生很快掌握了这部分内容。接着，再加上4个课时在AＲM9实验箱上的汇编语言和C语言实验，学生们基本掌握了裸机上的开发过程。最后，又介绍了基于Uboot和嵌入式Linux基础上的开发过程，让学生体验到在嵌入式操作系统的基础上做系统开发的便利性［6－7］。通过事后与学生的交流，大家普遍都认为处理器设计的课程设计非常重要，正是那一步使得学生不再对处理器感到神秘，对指令集有了更为客观的理解。对于后续的开发平台，虽然并没有细节的课堂讲述，但学生完全明白出现这种设计流程的必要性，普遍认为只要适当自学即可掌握。大家比较普遍地认同这种课程设计驱动式的教学方式［8－10］。
3结语
从本次教学改革的效果来看，相对于“灌输式”的教学方式，“启发式”的教学方式效果更好，但这需要学生的积极主动配合。对于研究生来说，虽然他们都具有一定的学习自觉性和主动性，但这种主动性也需要教师的严格监督才能发挥作用。研究生课程内容并不在于授课内容的多少，而主要在于如何引导他们积极主动思考。从深处入手，而不是直接从内容入手，虽然开始时会遇到较大的困难，但一旦这个困难解决，对教学内容的理解则会非常顺利，有点类似于“磨刀不误砍柴工”。对于教师来说，找到这把锋利的“刀”，并且督促学生去“磨”，是一件至关重要的事情。
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作者：徐朝农 马文禹 单位：中国石油大学(北京)计算机科学与技术系
