dsp原理及应用课程的层次递进体系教学方法研究

1 / 8 DSP 原理及应用课程的层次递进体系教学方法研究 DSP 原理及应用课程的层次递进体系教学方法研究 陈朝阳，李小魁，李娜 （河南工程学院电气信息工程学院，河南郑州 451191） 摘要：数字信号处理器（ Digital Signal Processor，DSP）是用于通信、电子、自动控制及仪器仪表领域的数字信号处理中的主要处理芯片，其高速并行运算和丰富的指令造成其结构复杂，编程工具功能多，掌握难度大。本文探讨在 DSP 教学中，采用体系教学方法，从与学生掌握的前修课程相衔接开始，分多个层次，理 论与实践并重推进教学进度，以 2 周的 DSP 课程设计作为 DSP 体系教学的验收环节，在教学实践中吸引了学生的学习兴趣，提升了学生的 DSP 应用技能。 关键词： DSP；体系教学；层次递进教学 作者简介：陈朝阳（ 1968-），男，河南孟州人，博士，高级工程师，研究方向：通信新技术。 DSP 是 指 数 字 信 号 处 理 器 （ Digital Signal Processor）。其强大的乘法及乘累加运算和并行处理能力，使其在通信设备、电子信息、自动控制和仪器仪表领域的地位越来越重要。社会对掌握 DSP 技术的专业工程技术人才 有2 / 8 强烈需求， DSP 原理及应用课程是高等院校电气、电子和通信专业的本科重要课程。我校的电子科学与技术专业和通信工程专业都开设了 DSP 技术课程。为了培养高能力的 DSP 技术人才，适应建设应用技术型大学的要求，我们立足于充分利用现有资源，在前修课程中为 DSP 技术课程相关的内容作好铺垫，在 DSP 课程授课结束后，紧接着安排 DSP 技术课程设计，形成 DSP 技术课程体系。本文总结我们在 DSP 课程体系方面的探索成果。 一、 DSP 原理及应用课程特点和教学方法现状 DSP 原理及应用课程是一门以数字信号处理理论和算法为基 础的实践性较强的课程。这门课程的前修课程应当包括：计算机原理基础、 C 语言编程、嵌入式 ARM 技术及应用、数字信号处理等。如果说， MATLAB 等仿真工具可以应用于像信号与系统、通信原理、数字信号处理等理论课程的学习，使理论被形象地呈现出来， DSP 原理及应用则让理论在工程中的实际应用得以实现。 MATLAB 可以作为一种简捷、易用的编程语言来学习， DSP 则不能仅仅被当作一种通用处理器来学习，因为那样会让学生困惑：已经有了单片机处理器、 ARM处理器和通用的 8086 系列处理器，为什么还需要 DSP 呢？可是， DSP 原理及应用 教材往往将这门课程看得相当独立，像单片机技术、微机原理或嵌入式 ARM 技术一样，将 DSP 看作一种处理器，从硬件结构开始讲起，接着讲汇编指令集，3 / 8 再接着讲 C 语言编程，然后讲集成编程环境、外设和应用。 按教学顺序安排的教学内容包括： DSP 芯片的概念及其发展历史； DSP 芯片的硬件结构，包括总体结构、封装和引脚功能、 CPU 结构、寄存器、存储空间和 I/O 空间、堆栈操作、中断和复位；寻址方式和汇编指令系统；汇编语言编程，包括目标文件格式、汇编器、汇编伪指令、汇编语言源文件的书写格式、链接器；集成开发环境（ CCS），包 括 CCS的基本操作、工程项目的调试； C 语言程序设计，包括 DSPC语言编程基础、 DSPC 编译器的使用、 C 代码优化、 C 和汇编语言混合编程；应用程序设计，包括定标与溢出处理、基础算术运算、 FIR 滤波器和 IIR 滤波器、快速傅里叶变换；片上外设，包括时钟发生器、通用定时器、通用 IO 口、外部存储器接口、多通道缓冲串口、模数转换器、看门狗定时器；硬件扩展，包括外部程序存储器扩展、外部数据存储器扩展。 将 DSP 外围电路提前到 DSP 芯片结构单元中，虽然考虑了学生对处理器的硬件原理相对容易接受的实际情况，但带来的问题是不 容易解释 DSP 外设寄存器的地址和寻址、配置，并且没有突出 DSP 的高速并行计算和高速乘加计算的特征。 DSP 芯片结构设计满足并行处理和高速乘加运算的要求，以适应数字信号处理的线性算法处理要求，但也造成了DSP 芯片结构复杂、指令十分丰富，从而需要进行混合编程4 / 8 和编程优化，特别是适应现代先进的项目工程理念，要求按工程单位组织程序文件，这些都给学生掌握和理解 DSP 造成了困难。按部就班的教学模式往往不能取得满意的效果，因此提出了改革 DSP 原理及应用课程教学的建议，但是没有提到和前修课程形成体系教学，也没有提到和前 修课程的知识和技能相衔接的问题，因此没有涉及 DSP 原理及应用课程本身的教学内容顺序调整的问题。 二、层次递进的体系教学方法 鉴于 DSP 原理及应用课程的掌握难度系数较大，需要充分利用前修课程和后续课程设计等实践教学环节，做到前有铺垫、中有层次、后有强化。前有铺垫是指在前修的信号与系统、数字信号处理课程及通信原理课程中，强调数字信号处理理论算法（如卷积、数字滤波）和数字调制解调、编译码等算法可用 DSP 处理器实时实现。中有层次是指在 DSP原理及应用课程的授课过程中，应注意学习的客观规律性，将整个课程的授课内容进行层次划分：第一层次主要是与前修课程，如数字信号处理理论、通信原理理论等的衔接，并注意讨论单片机和 ARM 处理器不能做到实时性，通用处理器一般没有硬件实现的乘法，以突出 DSP 芯片的独特特色；以CCS（集成编程环境）下的 C 语言编程开始教学，辅以 CCS的使用， FIR 滤波器、卷积等数字信号处理算法在 DSP 上用C 语言实现等课内实验，突出 DSP 做数字信号处理的主要功5 / 8 能；第二层次内容集中于 DSP 芯片的结构、寻址方式、外设、指令系统及汇编语言编程；第 三层次内容包括 C 语言和汇编语言混合编程、程序优化、应用程序设计和 C55X 的硬件扩展等内容。 DSP 原理及应用课程结束后，紧接着有两周或更长时间的 DSP 课程设计对学生所掌握的 DSP 知识和技能进行强化。这样，把数字信号处理课程、专业基础理论课程、 C语言编程课程及 DSP 课程设计等都纳入 DSP 的体系教学中。各层次理论教学内容和实践教学内容的学时分配如表 1 所示。 （一）第一层次的理论教学内容和实践教学内容 第一层次教学内容要尽量衔接学生所拥有的基础知识。一般在学习 DSP 原理及应用课程时，学生已经学习了计算机 原理基础、数字电路和 C 语言编程课程，学习过数字信号处理和通信原理、信号与系统等专业基础课程，而对处理器内部结构和汇编语言还是比较陌生的。因此，第一层次的理论教学内容应该安排： DSP 数字信号处理器的基本概念、DSP 集成开发环境 CCS 及其基本操作、 DSP C/C+语言编程基础，用两个 C 语言为基础的 DSP 编程实验结束第一层次的教学。 第一层次的教学内容主要让学生了解 DSP 的概念和特点，通过 C 语言程序在 DSP 上运行，让学生抓住 DSP 是一种处理器这一共性，并通过 DSP 运行，如 FIR 滤波的数字信号6 / 8 处理 C 语言程序 ，让学生找到学习 DSP 的切入点。 （二）第二层次的理论教学内容和实践教学内容 第二层次的教学目的是让学生逐渐领会 DSP 的特色：并行处理的流水线结构、快速的硬件乘法。因此，第二层次的教学内容应该安排： DSP 芯片的总体结构，包括 DSP 处理器的特点、多内部总线、中央处理单元、存储空间结构；片上外设，包括时钟发生器、通用定时器、外部存储器接口等，并安排相应的外设实验；接着讲授寻址方式和汇编指令系统、通用目标格式文件和段的概念、汇编伪指令、汇编语言源程序的格式、汇编语言编程实验；然后用汇编语言编程实验结束 第二层次的教学内容。 汇编语言在状态寄存器各标志位的应用方面很简洁，比如溢出的判断是 C 语言所不容易实现的。但是第二层次的教学内容要让学生体会到汇编语言对于 DSP处理实时性复杂算法的必要性和汇编语言的高效性。 （三）第三层次的理论教学内容和实践教学内容 第三层次的教学内容在第一层次和第二层次教学内容的基础上，让学生的知识得以融会贯通，将所学的 DSP 知识升华，形成体系性的技能，为今后职业生涯中的应用奠定基础。安排的教学内容包括： C 语言与汇编语言的混合编程，包括寄存器规则、函数结构和调用规则、 C 语言和汇编语言的接口等内容；应用程序设计，包括定标与溢出处理、基础7 / 8 算术运算、 FIR 和 IIR 滤波器的混合语言编程； DSP 硬件扩展，包括基本电路中的电源电路、调试接口电路、复位电路、时钟电路等的设计，外部程序存储器的扩展、外部数据存储器的扩展、 DSP 与 A/D 和 D/A 转换器的接口等内容；安排 C语言和汇编语言混合编程实验，比如 FFT 快速傅里叶变换的DSP 实现、自适应系统辨识的 DSP 实现等综合性实验。 三、后续强化教学实践环节的展望 在紧接着 DSP 原理及应用课程的 DSP 应用课程设计中，安排 DSP 应用系统的 硬件设计、安排了各种应用实验，从外设的相关实验，到数字图像信号处理、通信与语音信号采集与分析等综合性实验。也拿出通信教研室和电子教研室的相关科研项目，如“ WLAN 系统中的智能天线定位系统”等供学生探讨与研究。 DSP 原理及应用课程采用了层次化的体系教学方法，由于遵循了教育规律，由易入难、由浅入深，把较难的学习掌握系数分摊到各个层次的教学中，避免了一开始就把学生吓住，从而变为循序渐进、螺旋式上升、持续匀速提升知识技能的学习，