基于国产昇腾处理器的教学改革与实践

摘  要：针对当前我国受到贸易战影响导致芯片断供，而国内嵌入式系统等课程以国外处理器为核心的教学现状，提出“国产化处理器进入高校课堂，加强实践能力，培养爱国情怀”的教学思想，以国产化昇腾处理器为核心，探讨如何建立以国产处理器案例教学为主的教学内容体系和实验教学方法，通过展示学生在嵌入式系统课程中的实验作品，说明该教学模式在实际教学有较好的效果，值得进一步推广。

关键词：国产化处理器；嵌入式系统；教学方法；教学案例；实验作品

中图分类号：TP368      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）08-0148-04

Abstract： In view of the current situation that our country is affected by the trade war， the supply of chips is cut off， and the teaching status of domestic embedded systems and other courses is based on foreign processors. This paper proposed that "domestic processors enter college classrooms， strengthen practical ability， and cultivate patriotic feelings". The teaching idea， with the domestically produced Ascend processor as the core， discusses how to establish a teaching content system and experimental teaching method based on domestic processor case teaching， and illustrates the teaching mode by showing student' experimental works in the embedded system course. It has a good effect in practical teaching and is worthy of further promotion.

Keywords： localized processor; embedded system; teaching method; teaching case; experimental work

随着中美贸易冲突不断升级，国家高度重视国产化芯片[1]，国产替代成为近几年国内半导体开展的主线。而国内嵌入式系统等课程大部分以国外单片机、ARM等处理器为核心展开介绍，包括处理器架构、编程语言、实验内容等[2-7]，导致学生对国产化处理器知识的了解有很大欠缺，更缺乏实际的实践与应用。大学生是国家未来的科研支柱，该教学现状在一定程度上也阻碍了国产化处理器的推广及关键技术国产化。

2016年中共中央办公厅、国务院办公厅在《国家信息化发展战略纲要》[8]中提出到2025年，根本改变核心关键技术受制于人的局面，形成安全可控的信息技术产业体系。国务院“十四五”规划提出坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。特别提出要从“自主创新”到“科技自强自立”。华为公司响应国家号召，构建面向人工智能的昇腾AI处理器，聚焦软硬件创新，推动计算产业发展。教育部与华为发起“智能基座”产教融合协同育人基地项目，以最新的技术培养人才，以创新的人才引领产业。

本文依托“智能基座”产教融合协同育人基地项目，提出“国产化处理器进入高校课堂，加强实践能力，培养爱国情怀”的教学思想，以国产昇腾处理器为核心，详细阐述教学内容体系，精心设计入门实验例程和综合创新案例，旨在加强学生国产化处理器的认知与实践能力，培养科技自强自立的创新人才。

一  教学内容体系

围绕嵌入式系统课程展开教学内容讨论，该课程是计算机科学与技术、电子信息工程专业课程体系中重要的专业课，培养学生综合运用处理器体系结构、编程语言、操作系统、人工智能等知识，形成软硬件协同设计的实际工程能力。课程注重国产化处理器架构与编程方面的基础教学，加强实践能力，注重创新设计。课程主要由三部分构成：学习昇腾处理器的体系架构与编程语言；熟悉昇腾嵌入式实验平台与开发环境，实现基础模块设计应用；嵌入型系统的课程创新设计。

课程以团队自研的国产昇腾处理器Atlas200实验板为实验平台，如图 1所示，该实验开发板小巧，便于携带，可在实验室、宿舍、图书馆等场地进行学习；具有丰富的外设及接口，可供学生实践GPIO端口、UART、IIC、SPI和定时器等基础教学内容，此外配合网口、显示屏，三轴加速度计等外设，可进一步开展综合实验和创新设计；处理器具有强大AI算力，最高可提供22Tops的乘加计算能力，可结合华为AI平台进行深度学习网络移植，进行嵌入式AI的应用开发，基础内容+嵌入式AI的教学平台将丰富嵌入式实践课程。

二  教学内容设置

嵌入式系统是一门软硬件相结合的技术，对同学的综合能力要求高，需要同学具备硬件和软件设计能力。教学内容包括基础教学内容和扩展教学内容。

基础内容涵盖嵌入式系统的基本概念、国产昇腾处理器的架构、编程语言、嵌入式系统应用与开发等部分，采用“线上-线下”混合教学方式，线上部分充分利用网络教学平台，全程协助学生完成课前的预习、课上的控制、课后的复习与作业的提交、问题的反馈等多途径的学习和交流。线下部分以“理论”与“实践”相结合的项目驱动式方式来进行，让学生通过“做中学”的乐学方式真正体会每一个知识点的用途。

扩展教学内容为昇腾处理器应用部分，该部分教学内容主要以“同学分享、老师补充、演示示例、自由发挥”为主线。由同学在课前查阅昇腾处理器在AI、工业现场等领域应用的相关资料，在课堂上进行分享，老师对基本概念、应用场景、未来发展趋势等知识进行补充讲解，将有利于同学主动探索新领域，提升科研兴趣。课上老师针对华为昇腾实验开发板上的推理应用开发方法进行重点讲解，并演示实验，学生可依据实验例程进行二次开发。各教学内容设计见表1。

三  单人综合设计实验

（一）  智能台灯系统

多功能智能台灯系统为学生单人独立完成的小型系统。该实验主要涉及板载的按键和LED设备，完成该系统将对前期学习的GPIO外设知识进行回顾和实践，并掌握按键的消抖等处理方法。

1  实验需求说明

多功能智能台灯系统主要向用户提供亮度线性调节，以达到最佳的使用效果。当用户按下按键，LED灯源亮起，用户可以通过长按按键来线性调节灯源的亮度，以达到最舒适的使用效果。当用户释放按键后保持灯常亮状态并记录此刻亮度控制，以便在下次开启时，自动调节至该亮度，在用户快速双触按键开关后关闭LED灯源。智能台灯系统案例各部分需求难度不同，学生可在实现不同难度需求的过程中，逐渐加深对硬件和软件的理解。

2  实验课堂教学设计

在学生完成基础理论学习后，还需要进行操作实践，需要教师串联各个知识点，引导学生综合应用，以激发学生的学习兴趣。教师需要对系统中涉及的重要知识点进行拆分，带领学生回顾GPIO输入、输出功能、PWM原理，引导学生能够根据所学知识，利用现有硬件和软件平台实现系统需求。系统中使用一个按键开关来获取用户的输入，需要通过读取按键GPIO输入电平的不同状态，经过软件PWM控制LED灯的亮度。

向学生提供参考硬件设计电路，如图2所示，将有利于学生正确打开思路，少走弯路，提高效率，同时培养同学们嵌入式开发过程中阅读硬件电路的基本能力，在理解硬件的基础上，实现软件的设计。

软件设计需要引导学生进行需求分析，确定系统所需要的功能，并向学生提供智能台灯系统的基础示例实验。教师向学生讲解例程中软件设计的流程和思路，在此基础上学生运行例程实验并掌握其中的软件设计思路，进行基础示例实验的基础上模仿设计，来完成新的需求任务，这有利于学生正确和顺利完成实验内容，认识和熟悉嵌入式系统和产品的开发流程。

（二）  电子时钟

电子时钟为单人完成的固定教学任务，此实验目的包括了解IIC总线的特点和功能、了解IIC通讯的时序、使用IIC接口驱动数码管、RTC时钟等基本外部设备。

1  实验需求说明

教师向学生说明此实验需要完成的基本需求可扩展需求，电子时钟基于开发板上的四位数码管和RTC时钟电路进行设计。该电子时钟基本需求为在数码管上显示时钟信息，并在设备掉电重新启动后仍能显示最新时间；扩展需求为在数码管上交替显示当前的日期、星期、时刻信息，例如交替显示“2022”“07.26”“12：00”。即学生利用IIC总线驱动数码管和RTC时钟设备完成一个电子时钟应用。

2  实验课堂教学设计

首先，老师和学生们一起复习IIC总线的基本知识。结合此次实验中用到的IIC总线的编程源码对IIC总线接口的基本特点和通讯时序进行重点讲解，在同学们了解IIC总线的原理和编程方法后，老师引导学生分析本次实验中涉及到的IIC设备及其驱动方法。在实验编码前可布置小测试，让同学根据电路图分析让数码管显示“0”等数值的IIC数据，这样在后期的编程中，同学们将更快地上手实验。

本实验案例的难度设置为70%～80%的部分学生可自主完成，剩余的20%～30%的部分需要老师协作完成。老师将向学生提供IIC驱动例程，如驱动温湿度传感器的实验代码，学生可学习该例程代码进行移植和模仿来驱动数码管和RTC时钟。软件流程如图3所示。

四  综合创新实践

（一）  综合创新实践内容设置

在综合创新实践阶段，每3～4位同学组成一创新小组，分别担任项目经理、软件开发、软件测试、硬件开发等角色，让同学充分了解在实际项目开发中各角色的作用，同时培养学生的团队协作意识。

该部分实验课程可由教师根据热点事件，发布实验主题，例如2021学年发布的实验主题为“智能家居”。围绕主题，教师可向学生提供参考命题，由创意小组自由选择完成，例如智能门禁系统、家庭助老服务机器人和室内远程监控系统。以智能家庭服务系统实践教学项目为例，给出的具体项目需求见表2。同时支持学生自主命题，向老师提出新的创意实验课题，经老师评估工作量后，进行课程设计。

该实验可分为基础功能和创新功能两个部分，基础功能部分主要利用昇腾处理器开发板上的通用外设及接口进行综合设计，创新功能部分有更高的要求，在昇腾处理器上融入AI算法、物联网技术等，进行创新功能设计与开发。每个小组有6～8学时的设计时间，根据不同能力可以选择不同难度等级的实验内容，完成基础功能部分即可考核合格；创新功能部分根据作品功能复杂性、设计创新性、应用价值等方面综合打分，各方面分值较高的作品考核优秀。

验收阶段通过学生PPT展示的形式进行，介绍小组组员分工情况、作品功能及创新、开发过程难点及解决方法、对国产昇腾处理器开发的感想等，不但可以培养学生团队协作能力，且可以更深入交流昇腾处理器开发心得，增强学生的爱国情怀和民族自豪感。

（二）  学生作品

优秀的学生作品可以进一步推广，在未来的教学中进行介绍与展示，激发学生的创作灵感。如有的小组综合利用摄像头、USB接口、千兆以太网等内外设及接口，基于昇腾处理器开发板设计出了手写字识别系统，如图4（a）所示，该系统使用了深度神经网络模型，在昇腾处理器上推理，将图片中手写字体进行实时识别，并转化为计算机可编码的文字；有的小组针对视频内容，在昇腾处理器上运行Yolo模型，设计出目标检测系统，如图4（b）所示，可以准确检测出场景中的行人、车辆等目标。