緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了1篇國產(chǎn)昇騰處理器的教學(xué)改革，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！

隨著中美貿(mào)易沖突不斷升級，國家高度重視國產(chǎn)化芯片[1]，國產(chǎn)替代成為近幾年國內(nèi)半導(dǎo)體開展的主線。而國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)等課程大部分以國外單片機(jī)、ARM等處理器為核心展開介紹，包括處理器架構(gòu)、編程語言、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等[2-7]，導(dǎo)致學(xué)生對國產(chǎn)化處理器知識的了解有很大欠缺，更缺乏實(shí)際的實(shí)踐與應(yīng)用。大學(xué)生是國家未來的科研支柱，該教學(xué)現(xiàn)狀在一定程度上也阻礙了國產(chǎn)化處理器的推廣及關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化。2016年中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳在《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》[8]中提出到2025年，根本改變核心關(guān)鍵技術(shù)受制于人的局面，形成安全可控的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。國務(wù)院“十四五”規(guī)劃提出堅(jiān)持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。特別提出要從“自主創(chuàng)新”到“科技自強(qiáng)自立”。華為公司響應(yīng)國家號召，構(gòu)建面向人工智能的昇騰AI處理器，聚焦軟硬件創(chuàng)新，推動計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。教育部與華為發(fā)起“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地項(xiàng)目，以最新的技術(shù)培養(yǎng)人才，以創(chuàng)新的人才引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)。本文依托“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地項(xiàng)目，提出“國產(chǎn)化處理器進(jìn)入高校課堂，加強(qiáng)實(shí)踐能力，培養(yǎng)愛國情懷”的教學(xué)思想，以國產(chǎn)昇騰處理器為核心，詳細(xì)闡述教學(xué)內(nèi)容體系，精心設(shè)計(jì)入門實(shí)驗(yàn)例程和綜合創(chuàng)新案例，旨在加強(qiáng)學(xué)生國產(chǎn)化處理器的認(rèn)知與實(shí)踐能力，培養(yǎng)科技自強(qiáng)自立的創(chuàng)新人才。

一教學(xué)內(nèi)容體系

圍繞嵌入式系統(tǒng)課程展開教學(xué)內(nèi)容討論，該課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程專業(yè)課程體系中重要的專業(yè)課，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用處理器體系結(jié)構(gòu)、編程語言、操作系統(tǒng)、人工智能等知識，形成軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)際工程能力。課程注重國產(chǎn)化處理器架構(gòu)與編程方面的基礎(chǔ)教學(xué)，加強(qiáng)實(shí)踐能力，注重創(chuàng)新設(shè)計(jì)。課程主要由三部分構(gòu)成：學(xué)習(xí)昇騰處理器的體系架構(gòu)與編程語言；熟悉昇騰嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺與開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)應(yīng)用；嵌入型系統(tǒng)的課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)。課程以團(tuán)隊(duì)自研的國產(chǎn)昇騰處理器Atlas200實(shí)驗(yàn)板為實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)開發(fā)板小巧，便于攜帶，可在實(shí)驗(yàn)室、宿舍、圖書館等場地進(jìn)行學(xué)習(xí)；具有豐富的外設(shè)及接口，可供學(xué)生實(shí)踐GPIO端口、UART、I－IC、SPI和定時器等基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，此外配合網(wǎng)口、顯示屏，三軸加速度計(jì)等外設(shè)，可進(jìn)一步開展綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)；處理器具有強(qiáng)大AI算力，最高可提供22Tops的乘加計(jì)算能力，可結(jié)合華為AI平臺進(jìn)行深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)移植，進(jìn)行嵌入式AI的應(yīng)用開發(fā)，基礎(chǔ)內(nèi)容+嵌入式AI的教學(xué)平臺將豐富嵌入式實(shí)踐課程。

二教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

嵌入式系統(tǒng)是一門軟硬件相結(jié)合的技術(shù)，對同學(xué)的綜合能力要求高，需要同學(xué)具備硬件和軟件設(shè)計(jì)能力。教學(xué)內(nèi)容包括基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容和擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容?；A(chǔ)內(nèi)容涵蓋嵌入式系統(tǒng)的基本概念、國產(chǎn)昇騰處理器的架構(gòu)、編程語言、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)等部分，采用“線上-線下”混合教學(xué)方式，線上部分充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，全程協(xié)助學(xué)生完成課前的預(yù)習(xí)、課上的控制、課后的復(fù)習(xí)與作業(yè)的提交、問題的反饋等多途徑的學(xué)習(xí)和交流。線下部分以“理論”與“實(shí)踐”相結(jié)合的項(xiàng)目驅(qū)動式方式來進(jìn)行，讓學(xué)生通過“做中學(xué)”的樂學(xué)方式真正體會每一個知識點(diǎn)的用途。擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容為昇騰處理器應(yīng)用部分，該部分教學(xué)內(nèi)容主要以“同學(xué)分享、老師補(bǔ)充、演示示例、自由發(fā)揮”為主線。由同學(xué)在課前查閱昇騰處理器在AI、工業(yè)現(xiàn)場等領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)資料，在課堂上進(jìn)行分享，老師對基本概念、應(yīng)用場景、未來發(fā)展趨勢等知識進(jìn)行補(bǔ)充講解，將有利于同學(xué)主動探索新領(lǐng)域，提升科研興趣。課上老師針對華為昇騰實(shí)驗(yàn)開發(fā)板上的推理應(yīng)用開發(fā)方法進(jìn)行重點(diǎn)講解，并演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可依據(jù)實(shí)驗(yàn)例程進(jìn)行二次開發(fā)。

三單人綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

（一）智能臺燈系統(tǒng)

多功能智能臺燈系統(tǒng)為學(xué)生單人獨(dú)立完成的小型系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)主要涉及板載的按鍵和LED設(shè)備，完成該系統(tǒng)將對前期學(xué)習(xí)的GPIO外設(shè)知識進(jìn)行回顧和實(shí)踐，并掌握按鍵的消抖等處理方法。

1實(shí)驗(yàn)需求說明

多功能智能臺燈系統(tǒng)主要向用戶提供亮度線性調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳的使用效果。當(dāng)用戶按下按鍵，LED燈源亮起，用戶可以通過長按按鍵來線性調(diào)節(jié)燈源的亮度，以達(dá)到最舒適的使用效果。當(dāng)用戶釋放按鍵后保持燈常亮狀態(tài)并記錄此刻亮度控制，以便在下次開啟時，自動調(diào)節(jié)至該亮度，在用戶快速雙觸按鍵開關(guān)后關(guān)閉LED燈源。智能臺燈系統(tǒng)案例各部分需求難度不同，學(xué)生可在實(shí)現(xiàn)不同難度需求的過程中，逐漸加深對硬件和軟件的理解。

2實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

在學(xué)生完成基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)后，還需要進(jìn)行操作實(shí)踐，需要教師串聯(lián)各個知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師需要對系統(tǒng)中涉及的重要知識點(diǎn)進(jìn)行拆分，帶領(lǐng)學(xué)生回顧GPIO輸入、輸出功能、PWM原理，引導(dǎo)學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)知識，利用現(xiàn)有硬件和軟件平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求。系統(tǒng)中使用一個按鍵開關(guān)來獲取用戶的輸入，需要通過讀取按鍵GPIO輸入電平的不同狀態(tài)，經(jīng)過軟件PWM控制LED燈的亮度。向?qū)W生提供參考硬件設(shè)計(jì)電路，如圖2所示，將有利于學(xué)生正確打開思路，少走彎路，提高效率，同時培養(yǎng)同學(xué)們嵌入式開發(fā)過程中閱讀硬件電路的基本能力，在理解硬件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行需求分析，確定系統(tǒng)所需要的功能，并向?qū)W生提供智能臺燈系統(tǒng)的基礎(chǔ)示例實(shí)驗(yàn)。教師向?qū)W生講解例程中軟件設(shè)計(jì)的流程和思路，在此基礎(chǔ)上學(xué)生運(yùn)行例程實(shí)驗(yàn)并掌握其中的軟件設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行基礎(chǔ)示例實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上模仿設(shè)計(jì)，來完成新的需求任務(wù)，這有利于學(xué)生正確和順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，認(rèn)識和熟悉嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)流程。

（二）電子時鐘

電子時鐘為單人完成的固定教學(xué)任務(wù)，此實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌私釯IC總線的特點(diǎn)和功能、了解IIC通訊的時序、使用IIC接口驅(qū)動數(shù)碼管、RTC時鐘等基本外部設(shè)備。

1實(shí)驗(yàn)需求說明

教師向?qū)W生說明此實(shí)驗(yàn)需要完成的基本需求可擴(kuò)展需求，電子時鐘基于開發(fā)板上的四位數(shù)碼管和RTC時鐘電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電子時鐘基本需求為在數(shù)碼管上顯示時鐘信息，并在設(shè)備掉電重新啟動后仍能顯示最新時間；擴(kuò)展需求為在數(shù)碼管上交替顯示當(dāng)前的日期、星期、時刻信息，例如交替顯示“2022”“07.26”“12:00”。即學(xué)生利用IIC總線驅(qū)動數(shù)碼管和RTC時鐘設(shè)備完成一個電子時鐘應(yīng)用。

2實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，老師和學(xué)生們一起復(fù)習(xí)IIC總線的基本知識。結(jié)合此次實(shí)驗(yàn)中用到的IIC總線的編程源碼對IIC總線接口的基本特點(diǎn)和通訊時序進(jìn)行重點(diǎn)講解，在同學(xué)們了解IIC總線的原理和編程方法后，老師引導(dǎo)學(xué)生分析本次實(shí)驗(yàn)中涉及到的IIC設(shè)備及其驅(qū)動方法。在實(shí)驗(yàn)編碼前可布置小測試，讓同學(xué)根據(jù)電路圖分析讓數(shù)碼管顯示“0”等數(shù)值的IIC數(shù)據(jù)，這樣在后期的編程中，同學(xué)們將更快地上手實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)案例的難度設(shè)置為70%~80%的部分學(xué)生可自主完成，剩余的20%~30%的部分需要老師協(xié)作完成。老師將向?qū)W生提供IIC驅(qū)動例程，如驅(qū)動溫濕度傳感器的實(shí)驗(yàn)代碼，學(xué)生可學(xué)習(xí)該例程代碼進(jìn)行移植和模仿來驅(qū)動數(shù)碼管和RTC時鐘。

四綜合創(chuàng)新實(shí)踐

（一）綜合創(chuàng)新實(shí)踐內(nèi)容設(shè)置

在綜合創(chuàng)新實(shí)踐階段，每3~4位同學(xué)組成一創(chuàng)新小組，分別擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理、軟件開發(fā)、軟件測試、硬件開發(fā)等角色，讓同學(xué)充分了解在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中各角色的作用，同時培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。該部分實(shí)驗(yàn)課程可由教師根據(jù)熱點(diǎn)事件，發(fā)布實(shí)驗(yàn)主題，例如2021學(xué)年發(fā)布的實(shí)驗(yàn)主題為“智能家居”。圍繞主題，教師可向?qū)W生提供參考命題，由創(chuàng)意小組自由選擇完成，例如智能門禁系統(tǒng)、家庭助老服務(wù)機(jī)器人和室內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。以智能家庭服務(wù)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目為例，給出的具體項(xiàng)目需求見表2。同時支持學(xué)生自主命題，向老師提出新的創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)課題，經(jīng)老師評估工作量后，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)可分為基礎(chǔ)功能和創(chuàng)新功能兩個部分，基礎(chǔ)功能部分主要利用昇騰處理器開發(fā)板上的通用外設(shè)及接口進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，創(chuàng)新功能部分有更高的要求，在昇騰處理器上融入AI算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，進(jìn)行創(chuàng)新功能設(shè)計(jì)與開發(fā)。每個小組有6~8學(xué)時的設(shè)計(jì)時間，根據(jù)不同能力可以選擇不同難度等級的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成基礎(chǔ)功能部分即可考核合格；創(chuàng)新功能部分根據(jù)作品功能復(fù)雜性、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性、應(yīng)用價值等方面綜合打分，各方面分值較高的作品考核優(yōu)秀。驗(yàn)收階段通過學(xué)生PPT展示的形式進(jìn)行，介紹小組組員分工情況、作品功能及創(chuàng)新、開發(fā)過程難點(diǎn)及解決方法、對國產(chǎn)昇騰處理器開發(fā)的感想等，不但可以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，且可以更深入交流昇騰處理器開發(fā)心得，增強(qiáng)學(xué)生的愛國情懷和民族自豪感。

（二）學(xué)生作品

優(yōu)秀的學(xué)生作品可以進(jìn)一步推廣，在未來的教學(xué)中進(jìn)行介紹與展示，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感。如有的小組綜合利用攝像頭、USB接口、千兆以太網(wǎng)等內(nèi)外設(shè)及接口，基于昇騰處理器開發(fā)板設(shè)計(jì)出了手寫字識別系統(tǒng)，如圖4（a）所示，該系統(tǒng)使用了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在昇騰處理器上推理，將圖片中手寫字體進(jìn)行實(shí)時識別，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可編碼的文字；有的小組針對視頻內(nèi)容，在昇騰處理器上運(yùn)行Yolo模型，設(shè)計(jì)出目標(biāo)檢測系統(tǒng)，如圖4（b）所示，可以準(zhǔn)確檢測出場景中的行人、車輛等目標(biāo)。

五結(jié)束語

本文介紹了國產(chǎn)昇騰處理器引入高校課堂的教學(xué)內(nèi)容與方法，教學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容采用線上-線下混合教學(xué)方式，擴(kuò)展內(nèi)容以“同學(xué)分享、老師補(bǔ)充、演示示例、自由發(fā)揮”為主線，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，深入理解并掌握國產(chǎn)處理器的架構(gòu)與編程方法，對國產(chǎn)處理器有了新的認(rèn)知，培養(yǎng)了學(xué)生愛國情懷。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以小組形式展開，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容含有基礎(chǔ)部分和創(chuàng)新部分，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新性思維。在2021年“互聯(lián)網(wǎng)+”比賽中，學(xué)生使用昇騰處理器設(shè)計(jì)了AI智能自動攝像系統(tǒng)，獲得國賽銀獎。隨著國產(chǎn)化芯片的不斷發(fā)展，國產(chǎn)化處理器知識內(nèi)容引入課堂還需不斷完善，持續(xù)提高教學(xué)建設(shè)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]張倩.關(guān)于我國集成電路裝備國產(chǎn)化問題的研究[J].電子測量技術(shù)，2019，42（2）：28-32.

[2]楊靜，胡秋琦，劉能鋒，等.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2022（4）：182-187.

[3]鄭巧彥，范延濱.嵌入式系統(tǒng)本科人才培養(yǎng)體系的建設(shè)與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2020（23）：156-159.

[4]楊昕欣，張逸琛，聶振剛，等.面向工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)案例教學(xué)實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（14）：142-145.

[5]韓姍姍，沈瑛，范玉雷，等.計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)設(shè)計(jì)與案例實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2022（5）：89-93，98.

[6]郭波，羅小青，管菊花.應(yīng)用型本科自動化專業(yè)嵌入式課程教改研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（19）：63-64，69.

[7]王中明，秦工，周俊.“口袋實(shí)驗(yàn)室”在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)時代，2021（4）：101-103，106.

[8]中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳.國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要[Z].2016.

作者:趙冬冬 陳朋 王海霞 胡映天 梁榮華 單位:浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院