嚴(yán)國(guó)志

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北武漢 430072)

0 引言

ARM嵌入式技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)廣泛滲入到工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、儀器儀表、信息家電、通信設(shè)備、軍事技術(shù)以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)控裝置也正在向嵌入式系統(tǒng)的方向發(fā)展[1-4]。ARM目前已成為32位通用嵌入式處理器的標(biāo)準(zhǔn)[5],其大的存儲(chǔ)器容量、快的處理速度和豐富的可編程邏輯資源,可對(duì)器件的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新配置,從而滿足測(cè)控系統(tǒng)的各種應(yīng)用要求。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)控裝置已越來(lái)越多地使用ARM作為主處理器。為了培養(yǎng)的學(xué)生適應(yīng)社會(huì)需要,在本科教育中盡快開(kāi)展ARM嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué),并通過(guò)對(duì)其研究、探討與實(shí)踐,逐漸形成較規(guī)范的教學(xué)體系已成為當(dāng)前迫切需要解決的重要問(wèn)題。

1 ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容研究

為了在本科生中有效開(kāi)展ARM嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng),我們必須認(rèn)真研究嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀,跟蹤世界嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,合理選擇ARM處理器芯片類型,正確制訂安排教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1)ARM處理器芯片的選型

ARM公司專門從事基于RISC技術(shù)的芯片開(kāi)發(fā),但公司本身不直接從事芯片生產(chǎn),主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買ARM微處理器核,根據(jù)各自應(yīng)用領(lǐng)域加入外圍功能模塊,形成自己的ARM 微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。

ARM處理器目前具有下面幾個(gè)系列:ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的Xscale系列及StrongARM系列等。其中,ARM7、ARM9、ARM9E和 ARM10為四種通用處理器系列。

ARM嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)測(cè)控領(lǐng)域,而ARM7又是嵌入式系統(tǒng)中使用最廣泛的32位處理器,它的性能優(yōu)越,入門容易,內(nèi)部配置資源多樣,兼容封裝管腳,非常適合教學(xué)的需要。ARM9在性能和功能方面比ARM7有很大提高,但系統(tǒng)復(fù)雜,更適合作為高端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。因此,采用32位ARM7 TDMI核作為高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的主要內(nèi)容是很合適的。我們認(rèn)為,現(xiàn)階段選用NXD公司的LPC2000系列ARM7微處理器作為教學(xué)機(jī)型,能比較好地體現(xiàn)出典型性、基礎(chǔ)性和實(shí)用性的選型目標(biāo)要求。

2)課程教學(xué)內(nèi)容的制訂

LPC2000系列教學(xué)機(jī)型的課程教學(xué)內(nèi)容主要包括三個(gè)部分:①理論部分—主要是嵌入式系統(tǒng)的基本概念。包括嵌入式系統(tǒng)的含義、特點(diǎn)、組成、結(jié)構(gòu)、發(fā)展趨勢(shì)以及ARM處理器內(nèi)核和器件。②基礎(chǔ)部分—主要是ARM7體系結(jié)構(gòu)、ARM微處理器的結(jié)構(gòu)原理及指令系統(tǒng)。③應(yīng)用部分—主要是ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括硬件及軟件的設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境以及軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立方法和嵌入式操作系統(tǒng)等。

3)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)電力測(cè)控的教學(xué)要求,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有三個(gè)部分:①ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及仿真器應(yīng)用。②基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—主要練習(xí)ARM芯片的片上各功能模塊的原理及應(yīng)用。③應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—主要是基于電力測(cè)控的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。諸如數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及處理、參數(shù)控制、開(kāi)關(guān)量采集和處理、開(kāi)關(guān)量控制、數(shù)據(jù)通信和人機(jī)接口等。

我們以此為目標(biāo)設(shè)計(jì)及構(gòu)建了基于LPC2000系列LPC2378芯片的教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用了核心主板加實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)方式。核心主板只提供最小系統(tǒng)的基本電路,如:ARM微處理器、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和JTAG接口,將微處理器所有的I/O口線全部以接口方式引出。實(shí)驗(yàn)板上提供芯片各功能模塊的外圍接口電路,如人機(jī)接口模塊(包括LED數(shù)碼顯示器、LCD點(diǎn)陣顯示器和按鍵)、開(kāi)關(guān)量接口、ADC模塊、DAC模塊、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器接口模塊、PWM 接口模塊、I2C模塊、SPI接口模塊和各種通信接口模塊等。除此之外,實(shí)驗(yàn)板上還提供SD/MMC卡接口模塊、以太網(wǎng)接口模塊、GPS接口模塊、USB接口模塊和漢字庫(kù)模塊等。

通過(guò)這樣的綜合式實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生既可以直接在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),也可以借助核心主板進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),搭建自己的應(yīng)用系統(tǒng)。以提高學(xué)生的ARM嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)能力。

2 ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐

我校本科目前還未專門開(kāi)設(shè)ARM嵌入式系統(tǒng)課程,我們是在已有選修課程“微計(jì)算機(jī)硬件及應(yīng)用”中進(jìn)行ARM 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐探索,包括教學(xué)方案的可行性,教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的合理性和有效性等。我們采用了如下兩種實(shí)踐方案。

第一種教學(xué)實(shí)踐方案安排在單片機(jī)原理課程內(nèi)容講完之后,再講述ARM嵌入式系統(tǒng)。由于學(xué)生已經(jīng)建立了微機(jī)系統(tǒng)的基本概念,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué),具有循序漸進(jìn)的效果。但這種方案也有嚴(yán)重的問(wèn)題。由于微機(jī)類課程學(xué)時(shí)很少,運(yùn)行該方案會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)時(shí)嚴(yán)重不足。而且,學(xué)生剛剛學(xué)完了單片機(jī)原理,課程依托MCS-51系列,接著又要學(xué)習(xí)ARM芯片,在一門課程中講述兩種型號(hào)的芯片,難以將兩種芯片的內(nèi)容消化。

第二種教學(xué)實(shí)踐方案是越過(guò)單片機(jī)原理介紹,直接進(jìn)行ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué),這是我們一個(gè)大膽嘗試的方案。我們放棄了“單片機(jī)原理”而直接將“ARM嵌入式系統(tǒng)原理”作為微機(jī)原理啟蒙課程。根據(jù)多年“單片機(jī)原理”的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),我們?cè)诮榻BARM嵌入式系統(tǒng)原理之前,先詳細(xì)介紹一個(gè)微機(jī)的模型機(jī),使學(xué)生建立起微機(jī)的基本概念再進(jìn)行ARM的微處理器基本結(jié)構(gòu)及編程學(xué)習(xí),繼而進(jìn)行各功能模塊的學(xué)習(xí)。該方案可將有限的學(xué)時(shí)主要用于ARM的內(nèi)核基本結(jié)構(gòu)及編程學(xué)習(xí)上,使學(xué)生達(dá)到掌握ARM內(nèi)核的基本要求,對(duì)于各功能模塊的學(xué)習(xí),可視學(xué)時(shí)的情況合理選擇。該方案克服了第一種方案學(xué)時(shí)與內(nèi)容的矛盾,達(dá)到了使學(xué)生掌握ARM內(nèi)核的基本目的。對(duì)于初學(xué)的學(xué)生來(lái)講,該方案入門門檻較高,要求教師做好充分和有效的入門鋪墊。

3 結(jié)語(yǔ)

由于微處理器技術(shù)(特別是ARM嵌入式系統(tǒng))日新月異地發(fā)展,我們跟蹤國(guó)際嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀,將最新的ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)吸收并應(yīng)用到教學(xué)活動(dòng)中。我們修訂了教學(xué)內(nèi)容、多媒體教學(xué)課件及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,甚至修訂實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)。這是一項(xiàng)長(zhǎng)期且艱巨的工作,這些都需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間、精力以及經(jīng)費(fèi)和政策方面的支持。

我們認(rèn)為,教學(xué)不應(yīng)總是停留在80X86或MCS-51的水平上,也沒(méi)有必要總是從 80X86或MCS-51出發(fā)。我們?cè)诨陔姎夤こ虒I(yè)的ARM嵌入式系統(tǒng)的探索性教學(xué)實(shí)踐,就是希望盡早實(shí)現(xiàn)把“ARM嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程作為微機(jī)原理課程的新的標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 黃新波等.輸電線路在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008

[2] 張志俊等.嵌入式智能電力測(cè)控儀設(shè)計(jì)[J].北京:測(cè)控技術(shù),2008年第27卷第10期

[3] 嚴(yán)桂等.基于嵌入式系統(tǒng)的電力故障錄波器[J].沈陽(yáng):儀表技術(shù)與傳感器,2008年01期

[4] 王魯進(jìn)等.基于ARM9的嵌入式電力RT U的設(shè)計(jì)[J].廣州:科協(xié)論壇(下半月),2009年 02期

[5] 周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005