DSP技術課程教學要點及教學方法探討

肖永江, 張興嬌, 馬文科, 柯月琴

(萍鄉學院 機電學院, 江西 萍鄉 337000)

DSP技術課程教學要點及教學方法探討

肖永江, 張興嬌, 馬文科, 柯月琴

(萍鄉學院 機電學院, 江西 萍鄉 337000)

根據DSP技術課程的特點,針對教學過程中存在的實際問題,探索和提出了以DSP芯片的結構特點為理論教學要點、重視實踐教學環節、創新考核機制的教改思路和方法,有效地提升了課程的教學效果,達到培養應用型人才的目的。

DSP技術課程； 教學要點； 教學方法

“DSP技術”課程是電氣信息類專業的一門專業方向課程。作為新升本的應用型普通高校,如何在應用電子技術?？平虒W基礎上,基于不同的學情,使本科生通過學習快速掌握DSP的關鍵技術并具備一定的開發應用能力,是DSP技術課程教師面臨的一個課題。DSP技術以單片機、微機原理、數字信號處理等課程為基礎,軟硬件結合,涵蓋的知識面寬、綜合性強,要求學生掌握DSP芯片的結構、指令系統和開發過程,具有初步利用CCS、Matlab等開發工具實現DSP芯片編程的能力[1]。課程包含38節理論和16節實驗2個環節。

1 理論教學重點分析DSP芯片結構

DSP芯片的種類繁多,目前國內各大高校普遍采用TI公司的TMS320C5000系列DSP作為授課對象。而實驗室的目標系統為北京瑞泰創新的圖像、語音及網絡應用系統,采用TI的達芬奇系列DSP TMS320DM642。TMS320DM642具有極強的處理能力,以32bit C64x 為核心、采用第二代VLIW結構,其處理性能最高可達5 760 MIPS,主要應用于機器視覺、醫學成像、網絡視頻監控、無線通信等高速DSP應用領域。TMS320DM642硬件結構復雜、開發難度大,學生不易上手。為了破解DSP技術課程內容抽象的難題,從以下6個方面做了相應的分析探討[2]。

1.1 通過緒論認知和把握課程

課程的第一課很重要,須使學生盡快建立對課程的學習興趣。介紹完課程性質、內容、學習方法和考核方法之后,用豐富、直觀的圖片介紹DSP子系統的幾種實現方法,如計算機編程軟件、通用DSP芯片、專用DSP芯片以及FPGA,形成了解。從實時DSP系統的構成框圖引申出一個DSP應用系統的設計思路,從總體方案設計、軟件設計、硬件設計到系統集成,而其總體方案設計最重要,需要明確設計任務,根據系統輸入信號的頻率進行技術指標的確定,運用Matlab等仿真工具評估DSP算法。通過比較TI公司C5000、C6000和TMS320C2000三大系列DSP結構特點的不同,介紹DSP芯片的發展史。從不斷推陳出新的DSP芯片中選擇合適的平臺是設計DSP應用系統非常重要的環節,在MIPS、MFLOPS、MAC等運算速度指標基礎上,拓展到芯片選型的其他因素,如硬件資源、運算精度、價格、功耗和開發工具。

在DSP的初步學習中,CCS軟件的Turorial例程和Help技術可以幫助學生快速進階。DSP技術的學習不局限在教材和實驗指導書,學生可通過TI官方網站、國內第三方廠家和技術論壇查找DSP軟、硬件技術資源。

1.2 DSP總線結構及流水線的學習,理解是關鍵

DSP芯片的任務是完成大量的高度重復的數據操作。芯片在設計上采用哈佛總線結構、多功能單元以及流水線,從空間上提高算法的并行運行程度,縮短實時計算的運行時間。所以TMS320C6000系列CPU結構[3-4]必須作為教學的重點、難點[5],其內容是指令、編程的基礎,不能因為其抽象、晦澀而一帶而過。

首先,結合TMS320DM642的器件手冊[6],了解其性能特點。為了理解C6000 DSP的哈佛總線結構,不直接去對比馮·諾依曼結構的CPU是怎樣的，而是以一般的可編程處理器基本結構為對象,基于程序存儲器中的指令是如何被指令控制單元和算數邏輯單元解釋并執行的,學習程序在算術運算類、轉移類和數據存取類等3種情況下的分步執行過程。這樣在后面介紹C6000系列DSP VLIW結構的時候,功能單元以及數據通路等相關術語的出現也就不突兀,例如基于程序快速運行的目的,哈佛結構的C6000 CPU為何程序存儲器在CPU的上方、數據存儲器在CPU的下方,也就理所當然啦。

為了提高程序執行效率,C6000 DSP的流水線結構將指令控制單元分成取指、譯碼和執行3個階段。程序存儲器位于取指機構的上方。把流水線結構想象成一個漏斗,程序存儲器中的指令就在CPU時鐘驅動下,每次8條32位的指令,從上至下,依次進入流水線。在漏斗的下方將流水線的指令分配到8個功能單元執行,從而每次最多可以有8條指令并行運算。功能單元的下方通過數據通路連接到寄存器和數據存儲器,用以尋址數據?？v向來看,C6000 DSP CPU的每個機構都在忙碌,忙于指令的執行。以一段按非流水結構編寫的求點積的匯編程序為例子,分析其在流水線結構CPU中執行所產生的問題,從而使學生進一步建立流水線結構的概念。

1.3 指令系統的學習須掌握要領、蜻蜓點水

C6000的匯編語言編程難度大、效率低、可移植性差。在這一節,主要的教學目的是讓學生認識C6000的6大類匯編指令[7],可以進行簡單匯編程序的編程,如對代碼長度有嚴格要求的中斷服務跳轉程序。所以在內容安排上,將資源對C6000公共指令集的限制進行刪減。

借助CCS軟件反匯編窗口的直觀畫面,列舉一個32位加法指令為例子,介紹各個功能單元的匯編指令及其機器碼的映射關系,使學生理解程序指令是以何種形式存儲的以及了解CCS編譯軟件的作用。C6000DSP指令全部采用寄存器間接尋址方式,聯系C語言中的指針結構,詳盡介紹LDBLDHLDWLDDW指令例子的執行情況,突出重點,對其他的指令僅做簡單說明。

1.4 軟件編程重視開發工具介紹和COFF文件格式

以TI官方的Volume1例程[8]為例,首先學習C6000的軟件開發流程和一個C程序的基本結構,讓學生對CCS軟件有一定的感性認識。而CCS軟件的Rebuild All命令其實包括了對工程文件的很多隱藏處理過程,這是必須要知道并且介入和控制的。然后再基于COFF文件格式的特點,輔以.map文件做說明,重點介紹軟件的編譯、匯編、鏈接過程,讓學生知道每個步驟發生了什么；同時基于目標系統的存儲器資源,學習CMD命令文件的編寫。

教學中以學生在校能夠進行初步的工程開發為目的,夠用為準,對C6000 C語言編程的優化問題、線性匯編語言、DSP/BIOS實時操作系統等內容做出刪減,待以后實踐和工作中再慢慢深入。

1.5 類比學習中斷系統

中斷系統是C6000 DSP等微處理器的重要組成部分,使得其具有應對外界異步事件的處理能力,是不可或缺的。在DSP芯片中斷系統的教學中,和80C51單片機形成對比,建立聯系,讓學生在一定程度上不至于陌生。譬如,DSP芯片有16個中斷源,而80C51單片機有6個中斷源。DSP芯片的外部RESET引腳為低電平有效,且必須保持10個時鐘周期以上,復位后程序從0x00000000地址執行；而80C51單片機的復位信號高電平有效,必須保持2個時鐘周期以上,復位后程序從0x0000地址執行。同時,2者的中斷源都以復位的優先級最高,優先級依次降低,都包括外部中斷、定時器中斷和串口中斷；每個中斷源都有相應的中斷服務程序入口；中斷的控制也都包括一個名稱為IER的中斷允許寄存器。

1.6 片上外部設備的學習做到觸類旁通

授人以魚不如授人以漁。C6000 DSP芯片功能強大,含有豐富的外部設備,如EMIF接口、McBSP、HPI接口、EDMA、PCI接口等。其每一種外設的正確使用都需要掌握其硬件結構、閱讀芯片器件手冊的相應章節、查閱相關的應用筆記以及學習相關的應用實例。受課時限制,同時根據實驗設備的硬件資源情況,在教學中以EMIF接口為重點對象,以上述方法講述如何擴展外部Sdram和Flash[9-10],同時輔以Sdram讀寫測試實驗。

2 高度重視課內實踐環節

任何硬件平臺的學習都必須重視實踐環節。課程中堅持理論與實踐教學的同步進行,做到邊學邊做、邊學邊練,有利于學生對課堂新知識的及時掌握,有利于學生綜合實踐能力的培養。

DSP技術實驗課的講授需要教師不僅有扎實的理論功底,還要有豐富的工程實踐經驗。借鑒多年的企業DSP軟件工程師的任職經歷,在前面5年累積下來的應用電子技術?？茖IDSP技術的授課基礎上,基于新的本科生學情,在教學計劃中節選6個實驗,包括Volume1例程、匯編程序編程、定時器中斷、SDRAM讀寫測試、FIR和FFT等。實驗內容從軟件的學習、指令學習、外設的使用到算法的實現，從驗證性實驗到綜合性實驗[11],難度逐步提升。

考慮DSP技術的實驗過程中需要接觸新的編程軟件,不采用“教師示范、學生模仿”的形式[12],實驗不做演示,僅給出實驗步驟和要求,讓學生主動去探索以及發現問題,教師僅充當答疑者的角色,避免學生依葫蘆畫瓢,讓學生做一次實驗能記憶猶新,掌握實驗內涵。實驗中發現該方法能有效激發學生學習的興趣,培養了學生解決問題的能力。

DSP技術的實踐能力培養不能局限在一個學期的課內實驗環節,需要有延續機制。把其拓展到開放實驗室的活動、課程設計、畢業設計等環節；同時也把其滲透到教師的相關課題研究中,使其和實際應用關聯,不紙上談兵,可顯著提高學生的就業能力水平。

3 考核機制需要不斷完善

課程的考核能看出學生對DSP技術的掌握程度。理論部分采用閉卷的卷面方式考核,主要涉及DSP技術的相關概念,占總成績的70%；而實驗部分的考核分3部分,分為每次實驗的考勤、學生實驗過程表現和實驗報告撰寫。鑒于課程的特殊性,實驗報告選用電子文檔格式。為了避免實驗報告的抄襲,要求實驗過程的數據截圖都必須有學號作為水印,從而可以客觀判斷學生的表現。

4 結語

針對DSP技術課程的理論教學要點、實踐環節以及考核方法做了詳細討論,也取得了一定的教學效果。但是,DSP技術課程涉及的平臺、工具和知識不斷更新,作為應用型本科高校,需要不斷進行教學改革研究,以適應DSP工程技術人才的培養需要。

References)

[1] 曹陽，趙明富，黃麗雯，等.基于應用型人才培養的DSP技術課程教學改革與實踐探討[J]. 電腦知識與技術，2012,8(4):951-952.

[2] 陳小元.電氣控制類DSP課程教學要點及教學方探討[J].麗水學院學報，2015,37(2):87-90.

[3] 李方慧.TMS320C6000 系列DSPs原理與應用[M].北京:電子工業出版社,2003.

[4] 美國德州儀器公司.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設 [M].卞紅雨，譯.北京:清華大學出版社,2007.

[5] 張衛寧.DSP原理與應用的教學要點及方法探討[J].實驗技術與管理，2007,24(6):19-24.

[6] TI.TMS320DM642 Datasheet[Z].2002

[7] 于鳳芹.TMS320C6000 DSP結構原理與硬件設計[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2008.

[8] 董言治,婁樹理,劉松濤.TMS320C6000系列DSP系統結構原理與應用教程[M].北京:清華大學出版社,2014.

[9] TI.TMS320C6000 EMIF to External Flash Memory[Z].2002.

[10] TI.TMS320C6000 EMIF-to-External SDRAM Interface[Z].2002.

[11] 劉衛東.《DSP原理與應用》實驗教學改革研究[J].實驗科學與技術，2012,10(1):84-86.

[12] 于冬梅,韓曉新,朱成喜.“DSP技術及應用”課程中實驗教學改革研究[J].江蘇理工學院學報,2015,21(1):116-120.

Exploration on teaching key points and methods for DSP technological courses

Xiao Yongjiang, Zhang Xingjiao, Ma Wenke, Ke Yueqin

(School of Mechanical and Electronic Engineering, PingxiangUniversity, Pingxiang 337000, China)

According to the characteristics of DSP technological course, aiming at the actual problems existing in the teaching process,this paper explores and proposes the structure of DSP chip as the theoretical teaching points, and pays attention to practical teaching, innovative ideas and methods of assessment mechanism, which can effectively enhance the teaching effect of the course, to achieve the purpose of training applied talents.

DSP technological course; teaching key points; teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.052

2016-11-12 修改日期：2017-01-04

2014年江西省高校教改項目(JXJG-14-22-10)

肖永江(1981—),男,江西萍鄉,碩士,講師,研究方向為電路設計及信號處理.

E-mail：xiaoyj617@163.com

G642.0

B

1002-4956(2017)4-0205-02