单片机原理及应用教学改革实践
摘要：本文介绍了我院以集成混合信号的SOC型单片机C8051F为主讲机型，对传统的以讲授MCS-51为主的“单片机原理及应用”课程在实验手段、实验内容、教学方法等方面所进行的改革。
关键词：单片机；C8051F；汇编语言；C51
中图分类号：G642 文献标识码：B
1引言
“单片机原理及应用”是计算机科学与技术、通信工程等专业的一门主要专业课程，因单片机在生产实践中应用广泛，各高校都将该课程定位在以培养学生动手能力和创新能力的目的上。但长期以来国内高校都以MCS-51为该课程的主讲内容，虽然该系列单片机在国内的应用经久不衰，但随着技术的发展，芯片的生产工艺、功能、运行速度、开发环竟、编程语言等都有了很大的变化，在实际的科研开发中更多选用与MCS-51兼容的高档单片机，而很少直接选用标准8051单片机，因此传统的教学内容和知识已经与实际应用脱节，不能满足需要。根据多年的教学经验和科研积累，我们对“单片机原理及应用”课程的教学内容、实验手段、实验内容、教学方法等进行了更新。两年多的教学实践表明，改革后的“单片机原理及应用”很受学生的欢迎，大大提高了学生学习单片机课程的兴趣，达到了该课程培养和锻炼学生动手能力、开发应用系统能力的目的。
2课程改革
2.1更新教学内容
MCS-51单片机及其衍生产品在我国乃至世界范围都获得了非常广泛的应用，尤其是在我国大部分大专院校都采用MCS-51单片机作为教学机型，单片机系统工程师大都熟悉 MCS-51单片机。但随着一些高集成度、高性能的8位和16位RISC单片机的推出，基于标准8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。因此一些半导体公司开始对传统8051内核进行大的改造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设，以期大幅提高单片机的整体性能。
近年来我们承担了较多企业委托的单片机应用开发项目，在实际的科研开发中我们也感觉到用标准8051单片机作微控制器不仅需要扩充大量资源，而且编程调试都比较困难，而随着技术的发展，新一代的单片机芯片已不仅包含微处理器，而且包含应用系统所需的各类外部接口设备，存储器也从光擦除变为电擦除、可在系统编程的FLASH存储器，编程语言从汇编语言为主变为以C51语言为主，以JTAG接口构成的JTAG调试器可以进行非侵入式全速在系统调试，比以前的专用在线仿真器(ICE)要方便得多。因此我们在几个单片机开发项目中都选择了原美国Cygnal集成产品公司(1999年3月成立的一家新兴的半导体公司，专门从事混合信号片上系统单片机的设计与制造，2003年并入Silicon Laboratories公司)推出的C8051F系列产品。C8051F系列单片机是集成混合信号的片上系统(SOC，System Of Chip),与MCS-51兼容的内核CIP-51采用流水线结构，峰值速度可达25MIPS。C8051F具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗(Watchdog)、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS(与I2C兼容)总线以及CAN总线等。C8051F系列单片机采用Flash ROM技术，集成JTAG接口，支持在线编程和调试。C8051F系列单片机的诸多特点和优越性，使其广受单片机系统设计工程师的青睐，成为很多测控系统设计的首选机型。
既然实际科研开发中多使用新一代高性能单片机，那么我们的教学内容就应该及时更新，以减少学生工作后的二次学习。为此，2004年课程组在参与编写机械工业出版社的教材《单片机原理及应用》时专门用一章的篇幅把C8051F写了进去。后来我们发现仅仅用一章内容讲C8051F，教学内容的改革还不彻底，因此2006年我们又对教学内容进行了彻底改革，编写了以C8051F为教学机型的教材《C8051F单片机原理及应用》，由中国电力出版社出版，教材除了更新了教学机型外，编程语言也从汇编语言改成以C51语言为主，兼顾汇编语言的形式。我们编写该教材的时候国内还基本上没有同类教材，目前已经有了一些，这说明国内高校已经在注重单片机课程教学内容的改革。在多届学生中的使用实践表明，内容更新后的教材很受学生的欢迎。
2.2更新实验手段
以MCS-51为主讲机型的单片机课程的实验模式多采用PC机+仿真器+目标实验台的方法，我校选用了台湾MICETEK公司Easyscope8052F单片机仿真器，这种仿真器专门仿真51系列单片机，采用Windows环境的仿真软件，价格低，性能好。综合实验板选用改造后的复旦大学教学仪器厂的产品，与PC机连接构成的单片机开发系统结构如图1所示。
传统采用仿真器的实验模式虽然能满足学生实验、课程设计之用，但SOC型单片机出现后，实验模式可以更加逼近实际开发应用的形式，根据原有单片机实验系统的使用经验，2003年我们提出了一个新的单片机实验系统方案，与新华龙电子有限公司合作，设计出NCD-CIP51F020系统实验设备，该系统由SOC单片机集成开发环境(IDE)、可用于以太网测控的NMC-20XX核心模块、系统实验板三部分组成，应用该设备可完成单片机系统的许多典型应用实验，并可做较复杂的应用系统实验，如高速数据采集、嵌入式Web实验等。片内JTAG调试电路允许对安装在最终应用系统上的产品进行全速、非侵入式(不占用系统资源)、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。使用JTAG调试时，所有模拟和数字外设都可以全功能运行。Silicon Laboratories提供的集成开发环境包括编辑器、宏汇编器、调试器与编程器，同时也支持第三方提供的汇编器和C51编译器(如Keil等)。采用SOC单片机JTAG接口的先进调试环境如图2所示。
2.3更新教学方法
我们除了注重教学内容的更新，使学生学到最新最实用的知识外，还注重教学手段和方法的改革与研究。
首先，课程组注重现代先进教育手段的应用。C8051F单片机的内部资源丰富、原理复杂，因此新课程的内容要远比传统的MCS-51多且增加了大量复杂的图、表，传统的板书式教学难以胜任，所以在课时量不可能增加的情况下，先进的多媒体教学方法成为必然。其实课程组早在2003年就开始用多媒体方式讲授该课程，教学内容更新后课程组重新制作了该课程的多媒体课件，课件结构清晰、层次分明、图文并茂，结合计算机动画把复杂的内容简单化、抽象的内容具体化，明显提高了课堂教学效率。课程组还开发了该课程的教学网站，与课程相关的课件、实验软件、参考资料等都放在网上供同学随时下载或浏览，网站也提供了师生交流的平台。
其次，课程组注重教学方法的研究与改革。在多年的计算机硬件课程教学中我们发现，由于内容枯燥、知识面广等原因，学生对计算机硬件课程的学习兴趣大大降低，甚至有些硬件选修课程因为选修的人数太少而开不出来。这种学习中喜软怕硬的现象必须引起重视，否则培养出来的学生很难满足用人单位的需要，这也是近年来嵌入式系统方向毕业生比较容易找工作原因的一个方面。教学中我们发现学生并非对所有硬件内容都不感兴趣，对有些内容兴趣还是比较高的，比如“数字逻辑电路设计”课程中“自动售货机设计”、“单片机”课程中“日历时钟的液晶显示模块的设计”等。因此我们设想可以在讲解具体内容前先把学生感兴趣的问题提出来，然后在解决问题的过程中把相关内容讲解清楚，这就是所谓的“案例”法教学。我们设计了部分“案例”在计算机硬件课程中试点，取得了满意的效果。我们提出的计算机硬件课程“案例”教学法得到江苏大学2007年校教改重点项目的立项资助，将对计算机硬件课程“案例”教学法进行更深入的研究。
3结束语
我校采用SOC型单片机C8051F作为“单片机原理及应用”课程的主讲机型，对该课程的教学内容进行了全面更新，已在多届学生中进行讲授，学生对该课程的学习兴趣大幅提高，实验和课程设计质量也比以前有较大改观。“单片机原理及应用”已经建设成江苏大学校级精品课程。对计算机硬件课程采用“案例”教学法进行了一些研究，单片机课程的部分内容采用“案例”教学法进行了试点，取得了较好的效果。“案例”教学法是我们近年来在计算机硬件课程上的试点，目前还不成熟，我们将在“案例”开发、课件制作等环节对“案例”教学法进行更深入的研究。
参考文献
[1] 鲍可进等. C8051F单片机原理及应用[M]. 北京:中国电力出版社,2006.
[2] 赵德安等. 单片机原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.