ARM嵌入式系統綜合大實驗教學的探索與研究

韓名君　張艷

【摘 要】本文根據電子信息科學與技術專業的培養目標，結合學生的知識結構特點，提出了一套軟硬結合、由淺入深的ARM系統大實驗的項目教學法實施方案。本文詳細闡述了每個項目的設計要求、學時安排、教學方式和考核方法。最后，通過對課程目標達成度的計算與比較，我們發現該方案能有效地提高教學質量、更切合實際地提高學生ARM系統的自主開發和創新的能力。

【關鍵詞】ARM 嵌入式系統 綜合大實驗

The Exploration and Research of the Comprehensive Experiment Teaching for ARM Embedded System

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui， 241000，China）

【Abstract】This paper puts forward a set of teaching project implementation plan for ARM system experiment which based on the training objectives of electronic information science and technology professional， combining with the characteristics of the students' knowledge structure. This paper proposes the design requirements， scheduling， teaching methods and assessment methods of each project. From the comparison of objective achievement scale， we found that this scheme can effectively improve the quality of teaching， more practical to improve students' ability of ARM system independent development and innovation.

【Key words】ARM； Embedded system； Comprehensive experiment

0 前言

ARM處理器自問世以來，以其體積小、功耗低、性能高的特點越來越多地被廣泛運用到通訊產品、嵌入式系統中。ARM處理器采用的精簡指令集體系提供了更高的執行效率，擴充后能同時兼容Thumb16指令集、DSP指令集，并能執行Java代碼[1]。在處理器的中高端市場，ARM處理器對Intel CPU的市場占有率產生了巨大的沖擊。2016年12月，微軟和高通正式宣布達成合作，Windows全面支持ARM，高通的48核ARM處理器將用來打造全新的Windows Server產品[2]。正由于ARM處理器在無線通訊、智能人工，以及各種嵌入式系統中的運用，《ARM系統原理與應用》課程的學習已經被納入本科以及高職院校電子類各個專業的教學計劃中[3-6]。

對于電子信息科學與技術專業而言，《ARM系統原理與應用》屬于人才培養方案中的專業課，我校目前已經開設了40學時的《ARM系統原理與應用》，該課程以理論課為主，其中課內實驗課時分配為6-8個學時，課內實驗內容為嵌入式實驗平臺的操作、Thumb16匯編指令的使用和編程等。由于課內實驗是為理論教學服務，故而內容設計較為淺顯。除此之外，我校還開設了40學時的實踐課——ARM嵌入式系統綜合大實驗。針對培養方案中所提出的分層次培養目標，要求學生能靈活運用所學知識，進行嵌入式系統綜合設計的目標，ARM嵌入式系統綜合大實驗正好能適配該培養目標[7]。下面就結合不同層次的教學目標，探討其教學內容和考核方法。

1 實驗平臺的搭建

1.1 硬件平臺

選用德州儀器公司開發的Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和上海德研電科的DY-Tiva-PB口袋板作為實驗平臺，Tiva C Series TM4C123G LaunchPad的處理器為TM4C123GH6PM芯片，是 TI 公司推出的一款基于 ARM Cortex-M4 的32位處理器，主頻 80MHz，256kB Flash，32kB SRAM，具有 USB Host，Device 和 OTG 的能力。TivaC LaunchPad 則是一塊基于 TM4C123GH6PM 控制器的實驗板卡，自帶仿真器，連接上 USB 即可進行開發和編程。DY-Tiva-PB口袋板是配合Ti Tiva TM4C123G（ARM Cortex-M4）LaunchPad使用的擴展板，該板體積小、使用方便，只要將其與Tiva C系列的XL接口對插即可使用。系統集成了LED、LCD、音頻、溫度傳感器、PWM與濾波、串口通信，以及AD/DA轉換和TF卡等單元，不僅可以進行一般MCU、單片機實驗，還可以進行課程設計和項目開發。

1.2 軟件平臺

主要選用Keil軟件為開發平臺，編譯生成二進制bin文件，開發板通過USB口與PC連接，連接后需要正確安裝開發板驅動程序Stellaris_icdi_drivers，最后通過Tiva Flash Programming Bin軟件進行程序燒錄。軟件開發平臺不僅可以使用Keil軟件，也可以使用德州儀器推出的Code Composer Studio（CCS）集成開發環境進行軟件開發。

2 實驗內容的制定endprint

在ARM系統大實驗中，我們結合電子信息科學與技術專業培養目標，采用任務驅動教學方法，讓學生根據不同的任務進行系統開發，同時在做中學、學中做，另外通過不同的教學層次的設置，逐步培養學生在該課程上具有軟件仿真、硬件驅動，嵌入式系統開發與移植的能力。下面就根據課程培養目標制定了三個項目。

2.1 基礎知識實驗項目

由于《ARM系統原理與應用》課程中已經有6-8學時的基礎知識驗證性實驗了，因此在大實驗中，我們在對基礎實驗已經有了一定掌握的基礎上，首先安排了4學時做基礎知識綜合性實驗項目，也為下一步嵌入式系統開發的學習夯實基礎。項目一的任務要求：安裝程序和硬件驅動，熟悉Keil實驗平臺，對Tiva C開發板安裝驅動并快速入門，并設計一個簡單的GPIO中斷程序，點亮相應的發光管。

2.2 嵌入式系統綜合實驗項目

在對基本知識掌握和理解的基礎上，進一步深化教學內容，使學生的嵌入式設計和開發能力有進一步提高，結合我校實驗設備的實際情況，要求學生模擬一個十字路口的交通通行控制系統，分配16學時的學習時間，項目三的具體設計要求：（1）通過定時器，控制紅、黃、綠三色LED發光管，（2）按鍵能產生中斷并能調整LED發光管的定時時間和發光順序，（3）LCD屏幕顯示文字，文字包含通行秒數和路口的通行方向，以及該路段的限速等信息。

2.3 自主開發實驗項目

為了使學生初步成為一名嵌入式系統開發人員，對所學知識融會貫通，在此階段布置實驗任務是設計一個模擬的智能家居遠程控制系統，項目四的設計要求：（1）對三個不同房間的環境溫度進行采集并將溫度數據通過UART發送給PC，使學生掌握溫度采集模塊、串口通信原理和UART模塊的使用；（2）采集幾組電位信號并進行比較，比較結果經LCD屏幕顯示，使其熟練應用TM4C123GH6PM的模數轉換模塊。該項目使學生了解和掌握整個嵌入式系統的基本開發流程，在模仿的基礎上創新，開發一些新的功能，整個項目約需18-20學時。

3 實驗教學方式

該課程采用項目教學法，學生二人為一組，分工合作，以項目的層層推進來實現理論知識的深化，并能融會貫通、學以致用。教學環境則配備了60臺計算機、配套40塊Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和40塊DY-Tiva-PB口袋板， 以及相應的多媒體教學資料和教學設施，實現了邊學邊做邊考核的一體化教學模式。

4 實驗考核方式

合理的考核方式能督促學生更好地完成任務、學到知識，還能檢驗教學內容是否能達到該課程的培養目標。該課程的成績采用五分制計分，考核方式以過程性考核為主，具體分為出勤情況、課堂表現和實驗報告三大塊，分別占10%、60%和30%。其中，課堂表現主要以每個項目完成的快慢和該項目完成質量為依據，教師當堂記錄并對學生的實際操作水平和學習效果進行評價。

實驗過程固然非常重要，但是學會撰寫一篇合格的科學文獻也是本科學生必須掌握的技能，因此在每個項目完成后，利用課余時間完成實驗報告電子文檔，并提交給任課教師，根據實驗報告反饋的情況，下一次上課再及時訂正。特別是項目一的實驗報告，問題主要是格式方面的錯誤，針對有部分同學還不太會調整格式的問題，我們在項目一和項目二之間，特地安排了1～2課時，教學生如何撰寫一篇合格的科學文獻，指出學生的常見錯誤，并特別針對目錄的生成和參考文獻的整理做了詳細說明。課程結束后提交實驗報告紙質打印文檔并裝訂。

5 結論

根據專業認證的要求，課程結束后我們統計了各個項目的目標達成度，項目一的教學目標達成度達到0.876，項目二的教學目標達成度為0.833，項目三的目標達成度為0.780。從達成度可以看出項目一的達成度最高，這是因為項目一主要考核基礎知識的掌握程度，難度較小，0.876的達成度說明學生較好地掌握了ARM系統的主要基本知識和操作流程。項目三的達成度雖然最低，但是也超過了0.75，達到了中等偏上的水平，并較往年提高了0.052。總體而言，三個項目的達成度都較往年均有一定程度的提高，說明該教學方案能立足我校現有的軟硬件條件，同時理論聯系實際，開拓學生思維、鍛煉學生自主創新能力，有效地提高了教學質量。

【參考文獻】

[1]劉洪濤.嵌入式系統技術與設計[M].北京：人民郵電出版社，2009，11-30.

[2]快科技.Windows Server全面支持ARM：高通48核旗艦上陣.http：//app.techweb.com.cn/wp/2017-03-09/2497325.shtml.

[3]陳豹.嵌入式系統課程教學方法實踐與探索[J].吉林省教育學院學報，2015（1）：77-78.

[4]沈建華.ARM 處理器與嵌入式系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（11）：5-7.

[5]嚴國志.基于電氣工程專業的 ARM 嵌入式系統教學研究[J].電氣電子教學學報，2010（2）：11-13.

[6]譚婕娟.高職院校嵌入式系統 ARM 教學的探討[J].大眾科技，2011（2）：148-149.

[7]王恒，朱海霞，聞凱，劉文波.《ARM 實用技術》精品課程實踐教學研究[J].江蘇科技信息，2015（6）：31-33.

[責任編輯：朱麗娜]endprint