基于C8051F的单片机课程教学改革

摘要:针对国内单片机原理及应用课程的教学现状和实际的科研应用情况,更新了授课内容,从讲授传统的MCS-51单片机更新为讲授新一代SOC型单片机C8051F。教学内容先进、实用,提高了学生的学习兴趣;开展研究型教学方法的研究与实践,取得了较好的效果。

关键词:单片机;MCS-51;C8051F;汇编语言;C51;研究型教学

单片机是典型的嵌入式微控制器,在工业控制、机电一体化、通信终端、智能仪表、家用电器等诸多领域应用广泛。国内高校的一些相关专业在20世纪80年代末就开设了单片机原理及应用课程,并成为电气信息类、机械类等专业的专业核心课程。因为单片机在实际生活中广泛应用,该课程在培养环节中都被定位在理论与实践并重,着重培养学生开发实际应用系统的能力。

目前,国内单片机原理及应用课程多以传统的MCS-51为主讲机型。然而随着时间的推移和技术的进步,单片机已经有了很大的发展,从最初的低性能阶段发展到高性能的新一代阶段。在实际应用中,虽然8位单片机仍然是主流,但并非是传统的MCS-51。有许多公司开发了与MCS-51兼容的新一代8位单片机,其片内资源更加丰富,使用也更加方便,已成为真正的片上系统(SOC)单片机。

单片机原理及应用课程要真正在培养环节中起到培养学生开发实际应用系统能力的作用,就应该与时俱进,更新教学内容和方法。近年来我们以相关科研开发为依托,更新了单片机课程的主讲机型,在教学方法上也进行了一些探索,本文是对我们多年教学改革的一个总结。

1课程教学内容的改革

1.1主讲机型的更新

目前,市场上存在许多与MCS-51兼容的高性能8位单片机,既提高了性能又保持了与传统MCS-51的兼容性。Silicon Laboratories公司的C8051F系列就是其中之一,我们在近年来的科研开发中多次使用该单片机作为微控制器,并于2005年将该单片机引入到本科教学当中,替代传统的MCS-51,成为课程的主讲机型。

C8051F是完全集成混合信号的片上系统,具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器。Silicon Laboratories公司具有自主产权的CIP-51内核,采用流水线执行方式,使其运行速度高达100MIPS。C8051F除了具有标准8051的数字外设之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F020是其中的一款典型型号,其内部结构如图1所示。

1.2编程语言的更新

单片机应用系统开发的传统语言是汇编语言。汇编语言也是传统单片机课程中讲授的编程语言,但汇编语言存在编程困难、可读性和可移植性差等缺点。

目前,单片机应用开发人员大多数选择目标代码与运行速度都与汇编语言相差不多,但编程相对容易、可读性和可移植性较强的C51语言。因此,我们在教学中引入了C51语言作为该课程的主要编程语言。传统的汇编语言并不能完全抛弃,因为在存储空间小、实时性要求高的场合仍然需要用汇编语言编程。所以,我们在教学中采取以C51语言为主兼顾汇编语言的方式组织教学。

1.3实验方法和手段的更新

传统的以MCS-51为主讲机型的单片机课程,其实验模式多采用“PC+专用仿真器+目标实验板”的方法,如图2所示。

这种方法的开发过程总是先设计、制作和调试好硬件,同时进行软件编程,在调试好硬件电路板之前,对软件最多仅能进行纯逻辑和计算的调试;只有在已调试好的硬件上,才能进行系统应用软件的调试,随着时钟频率的提高和封装形式的复杂化,这种模式已越来越难胜任实际开发工作。目前替代的基本方法是借助于JTAG接口构成JTAG调试器,直接从CPU获取调试信息而使得产品的设计简化,如图3所示。

图3采用JTAG接口的单片机调试环境

根据原有单片机实验系统的使用经验,我们提出新的单片机实验系统方案。与新华龙电子有限公司合作,设计出了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核心模块和系统实验板三部分组成。应用该设备可完成单片机系统的基础实验和较为复杂的应用系统实验,如高速数据采集、嵌入式Web等。集成开发环境可以使用Silicon公司自己的Silicon Laboratories IDE,也可以采用流行的Keil uVision2[1]。

2基于研究型教学的教学方法改革

2.1研究型教学概述

传统的教学模式是以教师灌输为主的“填鸭式”教学,其特点是进度快、覆盖内容多,但其弊端也是显而易见的:模式化的课程安排和教师单向传授的教学方式难以激发学生的学习兴趣和积极性,忽略了师生的交流和学习效果的验收,限制了学生的批判性、创造性思维和独立思考能力的发挥,使学生陷入思维惰性,不能主动地安排自己的学习,难以培养自己各方面的技能。

研究型教学是相对于这种传统的以单向性知识传授为主的“填鸭式”教学模式而提出的,是融学习与研究为一体的教学模式。研究型教学以学生为中心、教师为主导,教学内容注重研究深度,采用讨论式、启发式、案例式、问题式等多种教学形式。在研究型教学中教师扮演启发、引导和评价的角色,激励学生主动学习。这种教学方式将学生由被动的知识接受者转变为主动的知识探究者。通过研究型教学,学生可以得到多方面能力的培养,包括提出问题、分析问题、解决问题和评价问题的能力,团队合作精神、有效交流沟通和表达的技能以及批判性和创造性的思维能力。

“授人以鱼,不如授人以渔”。研究型教学正是实践了这种思想,它强调学生的自主性,通过探究的过程激发学生的学习兴趣和积极性。教师的任务不仅仅是传递知识,而是在遵循认知规律的前提下,合理设计教学内容,指导学生进行研究,创造一种双向互动、不断探索未知领域的学习环境,开发学生的潜能,激发学生学习和创造新知识的独立性和主动性,提高创新的能力[2]。

2.2取材科研,编写创新教材

研究型教学要求教学内容与实际生产、科研相结合,内容不能过于陈旧,尤其是更新速度极快的计算机硬件技术。目前,国内多数高校的单片机课程还是以MCS-51为主讲内容。正如前面所述,目前单片机相关的科研开发多使用与MCS-51兼容的高性能8位单片机。我们结合近年来的科研情况,以C8051F为主讲机型、以C51为主要编程语言,编写了《C8051F单片机原理及应用》教材,2006年由中国电力出版社出版;2010年改版为《SOC单片机原理及应用》,由清华大学出版社出版。教材中的主要实例都取材于近年来的科研课题,除了面向每个功能部件的简单实例外,还讲述了几个大型综合性实例,多数实例稍加修改就可以应用到不同的项目中去。新的教学内容深受学生欢迎,学生的学习兴趣较以往有了较大提高。据了解,目前国内已经有不少高校对单片机课程进行了改革,摒弃传统的MCS-51,主讲新一代与MCS-51兼容的单片机,市面上也出现了多本介绍C8051F的单片机教材,这说明我们改革的方向是正确的,是得到同行认可的。

2.3课堂与实验教学方法的改革

结合对研究型教学方法的理论研究,我们将研究型教学方法的一些常见形式,如基于问题的学习(Problem-Based Learning,PBL)、案例研究(Case Study)、项目学习(Project-Based Learning)等在单片机课程的部分教学内容中进行了实践。在教学过程中,设计了部分研究课题,采用分组讨论、多人合作、提出问题、解决问题、实验验证等过程,既解决了问题,又掌握了教学内容。比如,多机通信既是该课程的教学难点又是实际应用中的重点。我们就将该部分多机通信的要求告诉学生,然后五人一组让学生去讨论多机通信中有哪些问题要解决,自己有何解决设想,C8051F是如何解决的等,最后编写出实现多机通信的程序到实验室验证;同时配以完善的考评措施,同学们都能积极主动提出问题,认真讨论。通过这样的过程训练,对知识的掌握远比单纯的以教师为主的单向灌输要好得多。

在实验教学方面,精简验证性实验,加强设计性实验,对设计性实验采取预先写好程序、在同学间相互交流讨论、实验室一人一机、老师严格考评并计入平时成绩等方式,采取这种方式后实验效果大大增强,真正起到了锻炼动手能力的目的。课程组还开发了一些大型的综合性、设计性实验项目,用在课程设计环节。课程设计中提供多个课题让学生自由选择,仅提供基本资料,然后让学生自己制定设计方案,遇到问题与老师或同学交流讨论,最终设计完成。

2.4课程考核环节的改革

改革前,都是课程结束后的闭卷考试决定最终成绩。但是C8051F结构复杂,内部资源丰富,仅特殊功能寄存器就有120多个,不可能采用闭卷考试形式。因此采用课程结束后开卷考试,同时增加平时成绩在课程最终成绩中的比重(占30%)的考核方案。平时成绩是对实验完成情况、平时讨论情况、作业情况以及出勤情况等的综合评定。

3结语

我校以C8051F为主讲机型、以C51为主要编程语言,对单片机原理及应用课程的教学内容进行了更新,该做法正得到越来越多高校的重视与认可,目前已有不少高校摒弃MCS-51,转为对新一代高性能单片机的讲授。同时,改革了传统教学方法,对研究型教学方法进行了研究与实践。教学内容和方法的改革深受学生的欢迎,对学生的培养起到了积极作用。主编的《C8051F单片机原理及应用》获校精品教材,“单片机原理及应用”获校级精品课程,并有几个教研项目获得校级立项。

参考文献:

[1] 鲍可进. C8051F单片机原理及应用[M]. 北京:中国电力出版社,2006:11-16.

[2] 赵卫东,李铭. 研究型教学对大学生创新能力的影响[J]. 计算机应用,2009(4):3-5.

Education Reform of Principle and Application of Microcontroller Based on C8051F

ZHAO Nian-qiang, BAO Ke-jin

(School of Computer Science and Telecommunication Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract: We reformed the teaching contents of principle and application of microcontroller based on the present situation of our country in teaching and practice application. Now, we teaching C8051F instead of conventional MCS-51, C8051F is a new generation 8bits microcontroller based on SOC. The new teaching contents are novel and applied, increased study interest of students. We also developed some research and practice of research-oriented teaching, obtained good results.

Key words: microcontroller; MCS-51; C8051F; assembler language; C51; research-oriented teaching