- 相關推薦
DSP原理及應用課程的層次遞進體系教學方法研究
DSP原理及應用課程的層次遞進體系教學方法研究
陳朝陽，李小魁，李娜
（河南工程學院電氣信息工程學院，河南鄭州451191）
摘要：數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是用于通信、電子、自動控制及儀器儀表領域的數字信號處理中的主要處理芯片，其高速并行運算和豐富的指令造成其結構復雜，編程工具功能多，掌握難度大。本文探討在DSP教學中，采用體系教學方法，從與學生掌握的前修課程相銜接開始，分多個層次，理論與實踐并重推進教學進度，以2周的DSP課程設計作為DSP體系教學的驗收環(huán)節(jié)，在教學實踐中吸引了學生的學習興趣，提升了學生的DSP應用技能。
關鍵詞：DSP；體系教學；層次遞進教學
作者簡介：陳朝陽（1968-），男，河南孟州人，博士，高級工程師，研究方向：通信新技術。
DSP是指數字信號處理器（Digital Signal Processor）。其強大的乘法及乘累加運算和并行處理能力，使其在通信設備、電子信息、自動控制和儀器儀表領域的地位越來越重要。社會對掌握DSP技術的專業(yè)工程技術人才有強烈需求，DSP原理及應用課程是高等院校電氣、電子和通信專業(yè)的本科重要課程。我校的電子科學與技術專業(yè)和通信工程專業(yè)都開設了DSP技術課程。為了培養(yǎng)高能力的DSP技術人才，適應建設應用技術型大學的要求，我們立足于充分利用現有資源，在前修課程中為DSP技術課程相關的內容作好鋪墊，在DSP課程授課結束后，緊接著安排DSP技術課程設計，形成DSP技術課程體系。本文總結我們在DSP課程體系方面的探索成果。
一、DSP原理及應用課程特點和教學方法現狀
DSP原理及應用課程是一門以數字信號處理理論和算法為基礎的實踐性較強的課程。這門課程的前修課程應當包括：計算機原理基礎、C語言編程、嵌入式ARM技術及應用、數字信號處理等。如果說，MATLAB等仿真工具可以應用于像信號與系統、通信原理、數字信號處理等理論課程的學習，使理論被形象地呈現出來，DSP原理及應用則讓理論在工程中的實際應用得以實現。MATLAB可以作為一種簡捷、易用的編程語言來學習，DSP則不能僅僅被當作一種通用處理器來學習，因為那樣會讓學生困惑：已經有了單片機處理器、ARM處理器和通用的8086系列處理器，為什么還需要DSP呢？可是，DSP原理及應用教材往往將這門課程看得相當獨立，像單片機技術、微機原理或嵌入式ARM技術一樣，將DSP看作一種處理器，從硬件結構開始講起，接著講匯編指令集，再接著講C語言編程，然后講集成編程環(huán)境、外設和應用。
按教學順序安排的教學內容包括：DSP芯片的概念及其發(fā)展歷史；DSP芯片的硬件結構，包括總體結構、封裝和引腳功能、CPU結構、寄存器、存儲空間和I/O空間、堆棧操作、中斷和復位；尋址方式和匯編指令系統；匯編語言編程，包括目標文件格式、匯編器、匯編偽指令、匯編語言源文件的書寫格式、鏈接器；集成開發(fā)環(huán)境（CCS），包括CCS的基本操作、工程項目的調試；C語言程序設計，包括DSPC語言編程基礎、DSPC編譯器的使用、C代碼優(yōu)化、C和匯編語言混合編程；應用程序設計，包括定標與溢出處理、基礎算術運算、FIR濾波器和IIR濾波器、快速傅里葉變換；片上外設，包括時鐘發(fā)生器、通用定時器、通用IO口、外部存儲器接口、多通道緩沖串口、模數轉換器、看門狗定時器；硬件擴展，包括外部程序存儲器擴展、外部數據存儲器擴展。
將DSP外圍電路提前到DSP芯片結構單元中，雖然考慮了學生對處理器的硬件原理相對容易接受的實際情況，但帶來的問題是不容易解釋DSP外設寄存器的地址和尋址、配置，并且沒有突出DSP的高速并行計算和高速乘加計算的特征。
DSP芯片結構設計滿足并行處理和高速乘加運算的要求，以適應數字信號處理的線性算法處理要求，但也造成了DSP芯片結構復雜、指令十分豐富，從而需要進行混合編程和編程優(yōu)化，特別是適應現代先進的項目工程理念，要求按工程單位組織程序文件，這些都給學生掌握和理解DSP造成了困難。按部就班的教學模式往往不能取得滿意的效果，因此提出了改革DSP原理及應用課程教學的建議，但是沒有提到和前修課程形成體系教學，也沒有提到和前修課程的知識和技能相銜接的問題，因此沒有涉及DSP原理及應用課程本身的教學內容順序調整的問題。
二、層次遞進的體系教學方法
鑒于DSP原理及應用課程的掌握難度系數較大，需要充分利用前修課程和后續(xù)課程設計等實踐教學環(huán)節(jié)，做到前有鋪墊、中有層次、后有強化。前有鋪墊是指在前修的信號與系統、數字信號處理課程及通信原理課程中，強調數字信號處理理論算法（如卷積、數字濾波）和數字調制解調、編譯碼等算法可用DSP處理器實時實現。中有層次是指在DSP原理及應用課程的授課過程中，應注意學習的客觀規(guī)律性，將整個課程的授課內容進行層次劃分：第一層次主要是與前修課程，如數字信號處理理論、通信原理理論等的銜接，并注意討論單片機和ARM處理器不能做到實時性，通用處理器一般沒有硬件實現的乘法，以突出DSP芯片的獨特特色；以CCS（集成編程環(huán)境）下的C語言編程開始教學，輔以CCS的使用，FIR濾波器、卷積等數字信號處理算法在DSP上用C語言實現等課內實驗，突出DSP做數字信號處理的主要功能；第二層次內容集中于DSP芯片的結構、尋址方式、外設、指令系統及匯編語言編程；第三層次內容包括C語言和匯編語言混合編程、程序優(yōu)化、應用程序設計和C55X的硬件擴展等內容。DSP原理及應用課程結束后，緊接著有兩周或更長時間的DSP課程設計對學生所掌握的DSP知識和技能進行強化。這樣，把數字信號處理課程、專業(yè)基礎理論課程、C語言編程課程及DSP課程設計等都納入DSP的體系教學中。各層次理論教學內容和實踐教學內容的學時分配如表1所示。
�。ㄒ唬┑谝粚哟蔚睦碚摻虒W內容和實踐教學內容
第一層次教學內容要盡量銜接學生所擁有的基礎知識。一般在學習DSP原理及應用課程時，學生已經學習了計算機原理基礎、數字電路和C語言編程課程，學習過數字信號處理和通信原理、信號與系統等專業(yè)基礎課程，而對處理器內部結構和匯編語言還是比較陌生的。因此，第一層次的理論教學內容應該安排：DSP數字信號處理器的基本概念、DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS及其基本操作、DSP C/C++語言編程基礎，用兩個C語言為基礎的DSP編程實驗結束第一層次的教學。
第一層次的教學內容主要讓學生了解DSP的概念和特點，通過C語言程序在DSP上運行，讓學生抓住DSP是一種處理器這一共性，并通過DSP運行，如FIR濾波的數字信號處理C語言程序，讓學生找到學習DSP的切入點。
�。ǘ┑诙䦟哟蔚睦碚摻虒W內容和實踐教學內容
第二層次的教學目的是讓學生逐漸領會DSP的特色：并行處理的流水線結構、快速的硬件乘法。因此，第二層次的教學內容應該安排：DSP芯片的總體結構，包括DSP處理器的特點、多內部總線、中央處理單元、存儲空間結構；片上外設，包括時鐘發(fā)生器、通用定時器、外部存儲器接口等，并安排相應的外設實驗；接著講授尋址方式和匯編指令系統、通用目標格式文件和段的概念、匯編偽指令、匯編語言源程序的格式、匯編語言編程實驗；然后用匯編語言編程實驗結束第二層次的教學內容。
匯編語言在狀態(tài)寄存器各標志位的應用方面很簡潔，比如溢出的判斷是C語言所不容易實現的。但是第二層次的教學內容要讓學生體會到匯編語言對于DSP處理實時性復雜算法的必要性和匯編語言的高效性。
（三）第三層次的理論教學內容和實踐教學內容
第三層次的教學內容在第一層次和第二層次教學內容的基礎上，讓學生的知識得以融會貫通，將所學的DSP知識升華，形成體系性的技能，為今后職業(yè)生涯中的應用奠定基礎。安排的教學內容包括：C語言與匯編語言的混合編程，包括寄存器規(guī)則、函數結構和調用規(guī)則、C語言和匯編語言的接口等內容；應用程序設計，包括定標與溢出處理、基礎算術運算、FIR和IIR濾波器的混合語言編程；DSP硬件擴展，包括基本電路中的電源電路、調試接口電路、復位電路、時鐘電路等的設計，外部程序存儲器的擴展、外部數據存儲器的擴展、DSP與A/D和D/A轉換器的接口等內容；安排C語言和匯編語言混合編程實驗，比如FFT快速傅里葉變換的DSP實現、自適應系統辨識的DSP實現等綜合性實驗。
三、后續(xù)強化教學實踐環(huán)節(jié)的展望
在緊接著DSP原理及應用課程的DSP應用課程設計中，安排DSP應用系統的硬件設計、安排了各種應用實驗，從外設的相關實驗，到數字圖像信號處理、通信與語音信號采集與分析等綜合性實驗。也拿出通信教研室和電子教研室的相關科研項目，如“WLAN系統中的智能天線定位系統”等供學生探討與研究。
DSP原理及應用課程采用了層次化的體系教學方法，由于遵循了教育規(guī)律，由易入難、由淺入深，把較難的學習掌握系數分攤到各個層次的教學中，避免了一開始就把學生嚇住，從而變?yōu)檠驖u進、螺旋式上升、持續(xù)勻速提升知識技能的學習，明顯提高了學生的學習積極性，也取得了良好的學習效果。
參考文獻：
[1]趙洪亮，卜凡亮，等。TMS320C55x DSP應用系統設計[M].第2版。北京航空航天大學出版社，2010.
[2]謝海霞，孫志雄。DSP技術課程教學方法研究與實踐[J].電子設計工程，2012，40（8）：10-14.
【DSP原理及應用課程的層次遞進體系教學方法研究】相關文章：
論“小結”——《化工原理》教學方法研究08-19
水污染控制工程課程教學方法研究08-15
初中法制教育分層遞進教學方法實驗08-17
TigerSHARC DSP在信號處理系統中的應用04-12
預算管理運行體系的新模式應用與發(fā)展案例研究08-07
DSP TMS320F206復位問題研究04-12
電解原理及其應用08-17
校園網在研究型課程中的應用研究與實踐08-09