嵌入式系统教学模式探讨

　　引言

　　从1985年初接触单片机到现在已有20余年，亲历我国嵌入式系统的发展，也从事着嵌入式系统教学的探索。在社会上开始单片机培训7年后高校才大规模开设单片机课程，而嵌入式系统课程只是全面铺开，并没有形成由应用推动的嵌入式系统教学体系，这值得探讨和反思。

由8/16位单片机到采用32位嵌入式处理器的嵌入式系统，一方面是互联网的普及和高端应用的需求，另一方面是8位单片机对半导体公司来说利润空间已经很小。由全国大学生电子设计竞赛组委会主办、Intel公司协办的“全国大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题竞赛”进一步丰富了全国大学生电子设计竞赛的形式和内容，推动了高校信息电子类专业教学改革、课程体系及实验室建设，各高校纷纷开设嵌入式系统课程。2002年举办的首届嵌入式系统专题竞赛采用Intel公司提供的基于StrongARM和Windows CE的开发板。只有北京大学参赛队采用了Linux操作系统，并最终获得了Intel杯。嵌入式系统不只是ARM和Linux的组合，可用于嵌入式应用的微处理器和嵌入式操作系统种类繁多。下面评介流行的、适合嵌入式系统教学的微处理器和嵌入式操作系统，探讨嵌入式系统教学模式和经验。

　　1 嵌入式处理器

　　用于嵌入式应用的处理器可分为4类：微控制器（即俗称单片机，Microcontroller Unit，MCU)、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)、信号处理领域的DSP处理器(Digital Signal Processor，DSP)和高度集成的片上系统(System on Chip，SoC)。目前用于教学的嵌入式处理器大致形成了以8位、16位和32位划分的局面。

　　单片机教学最流行的是8051系列。8051是Intel公司1980年设计的8位MCU。20世纪80年代中期，Intel公司将8051单片机内核使用权以专利互换或出售形式转让给世界许多著名的IC制造厂商，如Philips、Atme1、Dallas、Infineon、ADI、Winbond和Silicon Labs公司等，这样8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。到目前为止，其他任何一个单片机系列均未发展到如此的规模，近30年一直是普遍流行的产品，如此具有生命力。8051是单片机教学的首选机型，已成为单片机领域的实际标准。现在C8051F系列和STC89系列就是8051生命力的最好体现，前一种是SoC型单片机，功能更强，后一种价格相当便宜。Oregano System公司的Core8051 IP和Synopsys公司的DW8051_core是与8051指令兼容的8位单片机IP核。基于IP核和FPGA的SoC设计方法具有极大的灵活性，可以大大缩短项目的开发周期。

　　Microchip公司的PIC系列倚靠大学计划，使得在单片机教学中采用PIC系列单片机的高校不少。值得欣赏的是这个公司非常专注，它把8位PIC单片机做到了60亿颗。现在他们才用MIPS核推出32位微控制器。MIPS是美国计算机体系结构课教学机型，国产的龙芯CPU就是MIPS兼容的。Atmel公司的AVR系列同PIC系列一样也是RISC结构的单片机，得益于启东人成长起来的双龙公司代理该系列产品。AVR系列单片机也在教学中采用，甚至推广到了中学课外科技活动中。这些从国内出版的单片机教材中可见一斑。

　　在DSP芯片教学中，TI公司做得最好，TMS320C54x系列靠大学计划得到普及。该公司后续推广的TMS320C240系列和MSP430系列单片机也得益于大学计划。ADI公司也利用大学计划推广DSP芯片。Freescale公司（原Motorola公司半导体部）大学计划推广DSP芯片、通信用PowerPC芯片和单片机。

　　ARM公司是一家不生产芯片，只提供IP授权的公司，它的产品已经成为32位嵌入式系统的事实标准。ARM嵌入式处理器以它独特的IP授权形式得到了众多半导体厂家的青睐。DSP生产厂家购买它的RISC核做双核芯片，PLD生产厂商购买其IP核支持SoC设计，大多数半导体厂商设计MPU或MCU。NXP公司（原Philips公司半导体部）靠广州周立功公司的推广，其LPC系列ARM7核微控制器在教学中得到采用。采用ARM公司最新Cortex核的意法半导体公司的STM32系列和Luminary公司的群星系列微控制器正在推广过程中。ARM9核芯片方面，因NXP公司和Atmel公司的芯片都不带LCD控制器，做实验箱普遍都采用了三星公司的S3C2410芯片。但三星公司对散客没有支持，优势只是价格便宜。Intel公司出售了ARM核的XScale，主推自己的EIA架构，对高端嵌入式系统教学有一定的影响。

　　SoC片上系统更是嵌入式系统的终极目标。大学计划做得最好的是Altera公司，它推出了Nios软核的SOPC解决方案，并举办创新竞赛。Xilinx公司也有大学计划，推广Microblaze软核FPGA。现在还有Actel公司，在推广带ARM CortexM硬核和8051软核的FPGA芯片。

　　总之，嵌入式系统教学用处理器应选用主流芯片，或有厂家大学计划支持的芯片。若教学偏重硬件设计，要教会学生制板、做硬件应用系统，最好选择8/16位芯片、ARM7或CortexM芯片。200MHz以上的ARM9芯片对布线的要求高，而且表面贴装引脚较多的芯片也需要专门的焊接设备。