單片機原理及應用教學改革實踐

摘要：本文介紹了我院以集成混合信號的SOC型單片機C8051F為主講機型，對傳統的以講授MCS-51為主的“單片機原理及應用”課程在實驗手段、實驗內容、教學方法等方面所進行的改革。

關鍵詞：單片機；C8051F；匯編語言；C51

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

1引言

“單片機原理及應用”是計算機科學與技術、通信工程等專業的一門主要專業課程，因單片機在生產實踐中應用廣泛，各高校都將該課程定位在以培養學生動手能力和創新能力的目的上。但長期以來國內高校都以MCS-51為該課程的主講內容，雖然該系列單片機在國內的應用經久不衰，但隨著技術的發展，芯片的生產工藝、功能、運行速度、開發環竟、編程語言等都有了很大的變化，在實際的科研開發中更多選用與MCS-51兼容的高檔單片機，而很少直接選用標準8051單片機，因此傳統的教學內容和知識已經與實際應用脫節，不能滿足需要。根據多年的教學經驗和科研積累，我們對“單片機原理及應用”課程的教學內容、實驗手段、實驗內容、教學方法等進行了更新。兩年多的教學實踐表明，改革后的“單片機原理及應用”很受學生的歡迎，大大提高了學生學習單片機課程的興趣，達到了該課程培養和鍛煉學生動手能力、開發應用系統能力的目的。

2課程改革

2.1更新教學內容

MCS-51單片機及其衍生產品在我國乃至世界范圍都獲得了非常廣泛的應用，尤其是在我國大部分大專院校都采用MCS-51單片機作為教學機型，單片機系統工程師大都熟悉 MCS-51單片機。但隨著一些高集成度、高性能的8位和16位RISC單片機的推出，基于標準8051內核的單片機正面臨著退出市場的境地。因此一些半導體公司開始對傳統8051內核進行大的改造，主要是提高速度和增加片內模擬和數字外設，以期大幅提高單片機的整體性能。

近年來我們承擔了較多企業委托的單片機應用開發項目，在實際的科研開發中我們也感覺到用標準8051單片機作微控制器不僅需要擴充大量資源，而且編程調試都比較困難，而隨著技術的發展，新一代的單片機芯片已不僅包含微處理器，而且包含應用系統所需的各類外部接口設備，存儲器也從光擦除變為電擦除、可在系統編程的FLASH存儲器，編程語言從匯編語言為主變為以C51語言為主，以JTAG接口構成的JTAG調試器可以進行非侵入式全速在系統調試，比以前的專用在線仿真器(ICE)要方便得多。因此我們在幾個單片機開發項目中都選擇了原美國Cygnal集成產品公司(1999年3月成立的一家新興的半導體公司，專門從事混合信號片上系統單片機的設計與制造，2003年并入Silicon Laboratories公司)推出的C8051F系列產品。C8051F系列單片機是集成混合信號的片上系統(SOC，System Of Chip)，與MCS-51兼容的內核CIP-51采用流水線結構，峰值速度可達25MIPS。C8051F具備控制系統所需的模擬和數字外設，包括看門狗(Watchdog)、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS(與I2C兼容)總線以及CAN總線等。C8051F系列單片機采用Flash ROM技術，集成JTAG接口，支持在線編程和調試。C8051F系列單片機的諸多特點和優越性，使其廣受單片機系統設計工程師的青睞，成為很多測控系統設計的首選機型。

既然實際科研開發中多使用新一代高性能單片機，那么我們的教學內容就應該及時更新，以減少學生工作后的二次學習。為此，2004年課程組在參與編寫機械工業出版社的教材《單片機原理及應用》時專門用一章的篇幅把C8051F寫了進去。后來我們發現僅僅用一章內容講C8051F，教學內容的改革還不徹底，因此2006年我們又對教學內容進行了徹底改革，編寫了以C8051F為教學機型的教材《C8051F單片機原理及應用》，由中國電力出版社出版，教材除了更新了教學機型外，編程語言也從匯編語言改成以C51語言為主，兼顧匯編語言的形式。我們編寫該教材的時候國內還基本上沒有同類教材，目前已經有了一些，這說明國內高校已經在注重單片機課程教學內容的改革。在多屆學生中的使用實踐表明，內容更新后的教材很受學生的歡迎。

2.2更新實驗手段

以MCS-51為主講機型的單片機課程的實驗模式多采用PC機+仿真器+目標實驗臺的方法，我校選用了臺灣MICETEK公司Easyscope8052F單片機仿真器，這種仿真器專門仿真51系列單片機，采用Windows環境的仿真軟件，價格低，性能好。綜合實驗板選用改造后的復旦大學教學儀器廠的產品，與PC機連接構成的單片機開發系統結構如圖1所示。

傳統采用仿真器的實驗模式雖然能滿足學生實驗、課程設計之用，但SOC型單片機出現后，實驗模式可以更加逼近實際開發應用的形式，根據原有單片機實驗系統的使用經驗，2003年我們提出了一個新的單片機實驗系統方案，與新華龍電子有限公司合作，設計出NCD-CIP51F020系統實驗設備，該系統由SOC單片機集成開發環境(IDE)、可用于以太網測控的NMC-20XX核心模塊、系統實驗板三部分組成，應用該設備可完成單片機系統的許多典型應用實驗，并可做較復雜的應用系統實驗，如高速數據采集、嵌入式Web實驗等。片內JTAG調試電路允許對安裝在最終應用系統上的產品進行全速、非侵入式(不占用系統資源)、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。使用JTAG調試時，所有模擬和數字外設都可以全功能運行。Silicon Laboratories提供的集成開發環境包括編輯器、宏匯編器、調試器與編程器，同時也支持第三方提供的匯編器和C51編譯器(如Keil等)。采用SOC單片機JTAG接口的先進調試環境如圖2所示。

2.3更新教學方法

我們除了注重教學內容的更新，使學生學到最新最實用的知識外，還注重教學手段和方法的改革與研究。

首先，課程組注重現代先進教育手段的應用。C8051F單片機的內部資源豐富、原理復雜，因此新課程的內容要遠比傳統的MCS-51多且增加了大量復雜的圖、表，傳統的板書式教學難以勝任，所以在課時量不可能增加的情況下，先進的多媒體教學方法成為必然。其實課程組早在2003年就開始用多媒體方式講授該課程，教學內容更新后課程組重新制作了該課程的多媒體課件，課件結構清晰、層次分明、圖文并茂，結合計算機動畫把復雜的內容簡單化、抽象的內容具體化，明顯提高了課堂教學效率。課程組還開發了該課程的教學網站，與課程相關的課件、實驗軟件、參考資料等都放在網上供同學隨時下載或瀏覽，網站也提供了師生交流的平臺。

其次，課程組注重教學方法的研究與改革。在多年的計算機硬件課程教學中我們發現，由于內容枯燥、知識面廣等原因，學生對計算機硬件課程的學習興趣大大降低，甚至有些硬件選修課程因為選修的人數太少而開不出來。這種學習中喜軟怕硬的現象必須引起重視，否則培養出來的學生很難滿足用人單位的需要，這也是近年來嵌入式系統方向畢業生比較容易找工作原因的一個方面。教學中我們發現學生并非對所有硬件內容都不感興趣，對有些內容興趣還是比較高的，比如“數字邏輯電路設計”課程中“自動售貨機設計”、“單片機”課程中“日歷時鐘的液晶顯示模塊的設計”等。因此我們設想可以在講解具體內容前先把學生感興趣的問題提出來，然后在解決問題的過程中把相關內容講解清楚，這就是所謂的“案例”法教學。我們設計了部分“案例”在計算機硬件課程中試點，取得了滿意的效果。我們提出的計算機硬件課程“案例”教學法得到江蘇大學2007年校教改重點項目的立項資助，將對計算機硬件課程“案例”教學法進行更深入的研究。

3結束語

我校采用SOC型單片機C8051F作為“單片機原理及應用”課程的主講機型，對該課程的教學內容進行了全面更新，已在多屆學生中進行講授，學生對該課程的學習興趣大幅提高，實驗和課程設計質量也比以前有較大改觀。“單片機原理及應用”已經建設成江蘇大學校級精品課程。對計算機硬件課程采用“案例”教學法進行了一些研究，單片機課程的部分內容采用“案例”教學法進行了試點，取得了較好的效果。“案例”教學法是我們近年來在計算機硬件課程上的試點，目前還不成熟，我們將在“案例”開發、課件制作等環節對“案例”教學法進行更深入的研究。

參考文獻

[1] 鮑可進等. C8051F單片機原理及應用[M]. 北京:中國電力出版社，2006.

[2] 趙德安等. 單片機原理與應用[M].北京:機械工業出版社，2005.