基于cpu架构设计嵌入式系统课程教学改革探索

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1、基于CPU架构设计嵌入式系统课程教学改革探索　　【摘要】在对“数字信号处理”课程教学改革的实践中，采用基于CPU架构设计的嵌入式系统课程教学模式对学生进行全方位的课程内容训练，有机地结合了理论和实践部分的内容，探索出更加符合学生们接受知识和应用知识学习规律的教学方法，提高了学生的创造能力、分析和解决问题的能力，效果良好。【关键词】嵌入式系统；ARM；FPGA嵌入式系统是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。IEEE计算机协会将其定义为用来控制或监视机器、装置或者工厂等大规模系统的设备，是软件和硬件的综合体，国

2、内一般将其定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。7近年来，国家及企业对嵌入式人才的需求越来越旺盛。为了适应市场需求，不少高校开设了嵌入式系统相关课程。但是课程基本停留在传统的教学模式上，难以很好得适应市场需求的变化。因此，如何适应市场的变化和发展，加强学校和企业之间的互动，提高嵌入式系统课程教学质量，培养社会需求的高素质嵌入式系统应用开发人才，是我们面临的一个紧迫课题[1][2]。一、嵌入式系统课程教学现状及问题嵌入式系统作为一种计算机系统，也由硬件和软件两

3、部分组成。嵌入式系统课程的主要内容分为：嵌入式系统体系结构和嵌入式操作系统开发两大部分。嵌入式系统的体系结构一般都讲解微型计算机基础知识，ARM体系结构，ARM指令系统，ARM汇编和程序设计，中断和异常，基于某型号的ARM芯片功能的讲解。嵌入式操作系统开发的内容主要包括：Linux系统架构、Bootloader移植方法、内核裁剪与移植、基于Linux系统的驱动程序开发[3][4]。目前在嵌入式系统课程的授课主要存在以下问题：1.以ARM为参考平台进行讲解过于单一目前为嵌入式平台可提供的CPU方案包括ARM、DSP和FPGA。ARM

4、偏重于控制功能。DSP偏重于数字信号处理方案。FPGA目前能够移植ARM、DSP和NIOS软核实现各种灵活的应用。目前授课中只讲解ARM，而缺乏对各种不同的架构的横向比较。学生们无法更加深刻的理解ARM、DSP和FPGA体系结构的特点，从而影响他们在应用各种CPU方案时候的选型。2.ARM体系结构的讲解过于抽象7嵌入式系统课程中对ARM体系结构的介绍限于说明书式的罗列介绍，信息量大，很容易忘记。笔者认为最好的讲解体系结构的方法是讲解设计这种结构的思想和方法，而不是大量介绍汇编指令集这样填鸭式教学方式。从图1可以看出目前电子工程学科

5、基本课程框架结构。嵌入式系统融合了硬件、软件和操作系统多个知识框架。其中计算机组成原理和计算机体系结构处于核心位置。ARM、DSP和FPGA体系结构都包含在计算机体系结构里面。而目前我们的课程中缺失CPU硬件设计这一重要内容。学生只会用CPU而不会设计CPU。那么，他们对CPU的各种体系结构也是舍本逐末的。例如麻省理工学院的一门相关课程是计算机系统设计。学生在实验课中，需要自主完成ALU、单指令周期CPU（Single-cycleCPU）、多指令周期CPU（Multi-cycleCPU），乃至实现流水线32位MIPSCPU和Cac

6、he设计。而目前我们的课程主要是集中介绍国际流行的通用或专用微处理器架构。内容主要是说明书里知识点的堆砌，大量是记忆的内容。3.目前的教学内容存在普遍的重软轻硬的现象目前很多学校的课程主要偏重于各种编程环境、开发工具、数据库、计算机网络集成技术上面，关于硬件的内容只是限于简单的介绍。这样的教学现状对于我们培养掌握硬件核心技术人才非常不利。二、基于CPU架构设计的嵌入式系统课程教学方法7针对上述嵌入式系统课程中存在的问题，笔者尝试着将CPU架构设计的内容引入嵌入式系统课程，从而是学生更加容易理解各种CPU体系结构中的指令集系统、指令

7、流水线概念、中断等概念。通过FPGA硬件平台和QuartusII6.0工具软件平台，使学生们掌握基于状态机控制模式的16位CISCCPU设计，MCS51单片机系列兼容型单片机软核系统设计，基于流水线技术的16位RISCCPU设计，以及基于SOPC技术的32位NiosII软核嵌入式系统软硬件设计。学生们尝试从局部到整体的学习过程，从每一个逻辑门至锁存器、移位寄存器，从RAM、ROM、FIFO、锁相环PLL、Cache、ALU至DMA、硬件通信接口，从8位CPU至32位嵌入式系统，即从最基本的部件至整个宏观过程。通过上述学习，学生们可

8、以深刻的理解包括各种CPU体系结构的概念。而且FPGA提供高效的软硬件调试和测试工具优化设计，如基于功能和时序仿真的硬件静态测试方法、基于能完整配置进FPGA内部的嵌入式逻辑分析仪SignalTapII测试工具等。可以通过嵌入式逻辑分析仪实时的可视