基于ARM体系结构的单片机课程改革探索

莫建麟，刘德春

(阿坝师范高等专科学校 电子信息工程系，四川 汶川 623002)

基于ARM体系结构的单片机课程改革探索

莫建麟，刘德春

(阿坝师范高等专科学校 电子信息工程系，四川 汶川 623002)

针对社会对单片机和嵌入式系统人才的迫切需求，以及高等院校工科专业单片机课程开设的现状，分析了单片机课程的特点，指出基于ARM体系结构的单片机课程存在的问题，并对单片机课程的改进分析了一些常见的教学方法，对嵌入式专业人才的培养提出了适合的方案。

单片机；教学方法；ARM体系结构

单片机自20世纪80年代进入我国以来，因其显著的优点，得到了迅速的推广和普及，并且被广泛的应用于各个领域。单片机一词早已深入人心，成为微控制器和嵌入式系统的统称和代表。国内几乎所有高等院校的电子信息类、计算机类和机械类等工科专业，无论是本科层次，还是高职高专，都无一例外地开设了单片机课程，多年来为国内单片机和嵌入式系统的应用及发展提供了人才保障。

一 单片机课程现状

目前高校单片机课程的教学绝大部分依然是以8位/16位单片机为主，而其中51单片机由于其经典的特性和丰富的软硬件教学资源又成为学校在开设单片机课程时教学内容的首选。但是随着现代电子技术的发展，传统8位/16位单片机已不能应付今日的产品要求，嵌入式系统的开发重点已由8位机转向32位机。ARM公司是全球领先的32位嵌入式RISC微处理器解决方案的供应商，向全球各大电子公司提供高性能、低功耗和低成本的RISC微处理器、外设和系统芯片技术授权。ARM 还为开发完整系统提供综合技术支持。ARM的微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，可以说，ARM技术无处不在。业界对单片机人才的需求也随之发生改变，对8位机人才的需求减少，对掌握ARM相关知识和技术的人才需求显著增加。高校培养的大部分毕业生都是仅仅熟悉8位/16位单片机，大学生毕业后难以直接进入到单片机及嵌入式系统的工作岗位，而业界又有庞大的用人需求且难以找到满意的人才。我们连续跟踪调查了我校电子信息工程技术专业和计算机控制技术专业近三年毕业生在单片机和嵌入式系统领域的就业和工作情况，每年大概都会有7-12%的学生从事单片机及嵌入式系统相关的工作，而他们在工作中直接使用到在学校所学的51单片机的人数不到1%，绝大部分的工作岗位都需要了解或掌握基于ARM体系结构的嵌入式系统相关知识和技术。

二 实施单片机课程改革的意义

经典的51系列单片机若作为单片机和嵌入式领域的入门知识是非常合适的，但由于在大学受专业课程设置、学分等方面因素的制约，在绝大多数工科类专业中也仅能开设出单片机这一门嵌入式相关课程，而这些专业培养的学生目前又是为业界提供单片机和嵌入式人才的重要来源。虽然现在全国有部分高校也在积极尝试单独开设嵌入式系统相关专业，但由于该专业方向为教育部目录外专业，审批十分严格，成功申报并开设嵌入式系统相关专业的高等院校很少。在四川省我校是专科层次首个开办嵌入式系统工程专业的学校，于2010年获批开设该专业，目前也尚无该专业的毕业生。

从单片机人才培养的现状和社会的用人需求来看，实施单片机课程改革已很有必要，在不增设新课的前提下用32位ARM体系结构的单片机替换原有8位单片机的教学内容就显得十分有意义。

ARM架构是一个已经得到全球验证的平台，迄今为止由其合作伙伴所出货的处理器总量已超过130亿，这充分体现了ARM处理器架构被全球主要电子公司中的绝大部分所采用，并且用于最广泛的应用领域这一增长趋势。在这130亿颗处理器中，有相当一部分又是我们俗称单片机的微控制器。

三 单片机课程教学方法探析

在ARM公司众多系列的处理器中，他们各不相同又各具特色，唯一共同的特点就是都是基于ARM体系结构。Cortex系列是ARM公司最新设计的ARM内核，基用ARM V7架构，它采用了Thumb-2技术，是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展出来的，并且保持了对已存ARM解决方案的完整代码的兼容性。ARM 为新的ARM V7架构定义了三大分工明确的系列：Cortex-A系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用，如智能手机(iPhone)等；Cortex-R系列针对实时系统，如汽车刹车控制等；Cortex-M系列针对微控制器和低成本应用系统。

ARM Cortex-M3处理器是专门针对存储器和处理器的尺寸对产品成本影响极大的应用而开发设计的。其特点主要包括：性能强劲；功耗低；实时性好；代码密度得到很大改善；使用方便；低成本的解决方案；拥有众多优秀的开发工具等。基于ARM Cortex-M3内核的处理器已日渐成熟，半导体界的知名公司像NXP、TI、Atmel、OKI、ST等，都以Cortex-M3为内核，做出了各具特色的32位MCU。微控制器市场正在32位化，相信不久的将来，CM3就一定会在这广阔的应用中脱颖而出，比当年8051推动整个业界还有过之而无不及。基于这样的考虑，我校将单片机课程针对的芯片调整为Cortex-M3系列。

Cortex-M3系列是32位ARM体系结构的处理器，其本身的知识点较多，学习难度较大。因此在教学内容的组织、教学方法的设计和实验项目的编排等方面更需要精心设计，才能达到较好的教学效果。

1.从Cortex-M3内核到Cortex-M3微控制器。

首先让学生了解ARM体系结构的发展历史和ARM技术的发展趋势，从而了解学习对象的特点，明确学习目的；其次深入讲解Cortex-M3处理器的内核结构，让学生进一步认识学习对象，掌握学习方法，因为Cortex-M3处理器全部使用C语言编程，所以对于Cortex-M3的指令系统可以只做简单的介绍，这样也降低了学生学习的难度；最后广泛介绍基于Cortex-M3内核的微控制器及其应用实例，让学生了解到Cortex-M3微控制器的巨大应用市场，进一步激发他们的学习热情。

2.从Cortex-M3微控制器内部资源到外围接口电路。

在了解了Cortex-M3内核结构的基础之上，选定具体的Cortex-M3微控制器及其开发板，开发板相比于实验箱来说其价钱更便宜，使用更方便、灵活，在教学过程中会带给学生更强的操控感和成就感，因此我们利用开发板完成该部分的教学设计。在硬件的学习过程中，首先必须对硬件的基本使用方法有感性的认识，才能够更加深刻的认识硬件的控制方式，更加灵活的利用硬件资源完成应用设计。在该部分的教学上我们建议依然采用51单片机的教学顺序从GPIO、时钟、外部中断、定时器、UART到芯片外部的SPI接口、I2C接口等，一个实例一个实例的分析、理解、编程及上机调试，一点点逐步的完成知识的掌握和功能的堆积。

3.基于项目组织教学。

在单片机课程中，项目驱动的教学方法作为一种以学生为主体的教学法，非常符合单片机课程的教学目标。项目教学法能够将理论与实践融入到教学过程，把教学内容隐含在一些具有实践意义的项目中。根据教学内容，制定一个完整的项目任务，在教师的引导下由师生共同对项目进行分析和讨论，通过互动协作的学习过程，由师生共同实施并完成。51单片机的教学实践早已证明，项目驱动的教学法能极大的激发学生的学习兴趣，显著的提高教学质量。

在Cortex-M3的教学过程中每一部分的教学内容都可以从易到难，制定多个复杂程度不同既有趣味性又有实用性的实验项目，以循序渐进的任务驱动方式，指导学生从一个功能简单、代码较短的实验开始逐渐完成一个功能复杂、代码较长的实验任务，通过反复应用知识点加强学生对重点知识的掌握，同时还能引入教材以外的一些知识，拓展了学生的知识领域。从而达到理想的教学目的。

单片机作为工科专业的重要课程，在单片机和嵌入式系统人才培养上有着十分重要的作用。社会需要高校能够培养出适应企业需求的应用型人才，学生也期盼在3年大学学习之后能有一技之长，以增强自身的社会竞争力。高校教师应当积极关注和把握行业发展趋势，将先进的应用知识引入到教学当中，使学生在学校学习中培养出更强的应用和学习能力，成为企业所需的人才。

[1]Joseph Yiu. ARM Cortex-M3权威指南[M].宋岩，译.北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[2]喻金钱,喻斌.STM32F系列Cortex-M3核微控制器开发与应用[M].北京:清华大学出版社,2011.

[3]刘同法,等.ARM Coretx-M3内核微控制器快速入门与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[4]陈伟,林训超. Cortex时代的ARM 教学应用探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(5):5-7.

ClassNo.:G642.0DocumentMark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

ReformofSingle-chipMicrocomputerCourseBasedonARMArchitecture

Mo Jianlin，Liu Dechun

In light of the urgent needs for people grasped microcontroller and embedded system technology and the current situation for single chip microcomputer development ,the paper discussed the characteristics of single chip microcomputer course ,the problems need to be solved . The paper suggests that teaching methods for this course should be reformed and the suitable teaching schemes for the embedded professional training also needed to be made out.

single-chip microcomputer；teaching methods；ARM architecture

莫建麟，硕士，讲师，阿坝师范高等专科学校。

阿坝师范高等专科学校科研青年基金项目(ASC09-16)。

1672-6758(2012)12-0010-2

G642.0

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