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

摘要：數(shù)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(shù)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(jié)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

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）28-0164-02

DSP是指數(shù)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(xiàn)有資源，在前修課程中為DSP技術課程相關的內(nèi)容作好鋪墊，在DSP課程授課結(jié)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(jié)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(xiàn)狀

DSP原理及應用課程是一門以數(shù)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(shù)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(tǒng)、通信原理、數(shù)字信號處理等理論課程的學習，使理論被形象地呈現(xiàn)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(xiàn)。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(jīng)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(jié)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(nèi)容包括：DSP芯片的概念及其發(fā)展歷史；DSP芯片的硬件結(jié)構，包括總體結(jié)構、封裝和引腳功能、CPU結(jié)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(tǒng)；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(diào)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)存儲器擴展。

將DSP外圍電路提前到DSP芯片結(jié)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(jié)構設計滿足并行處理和高速乘加運算的要求，以適應數(shù)字信號處理的線性算法處理要求，但也造成了DSP芯片結(jié)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(xiàn)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(nèi)容順序調(diào)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(shù)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(tǒng)、數(shù)字信號處理課程及通信原理課程中，強調(diào)數(shù)字信號處理理論算法（如卷積、數(shù)字濾波）和數(shù)字調(diào)制解調(diào)、編譯碼等算法可用DSP處理器實時實現(xiàn)。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(nèi)容進行層次劃分：第一層次主要是與前修課程，如數(shù)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(xiàn)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，F(xiàn)IR濾波器、卷積等數(shù)字信號處理算法在DSP上用C語言實現(xiàn)等課內(nèi)實驗，突出DSP做數(shù)字信號處理的主要功能；第二層次內(nèi)容集中于DSP芯片的結(jié)構、尋址方式、外設、指令系統(tǒng)及匯編語言編程；第三層次內(nèi)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(nèi)容。DSP原理及應用課程結(jié)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(shù)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(nèi)容和實踐教學內(nèi)容的學時分配如表1所示。

（一）第一層次的理論教學內(nèi)容和實踐教學內(nèi)容

第一層次教學內(nèi)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(jīng)學習了計算機原理基礎、數(shù)字電路和C語言編程課程，學習過數(shù)字信號處理和通信原理、信號與系統(tǒng)等專業(yè)基礎課程，而對處理器內(nèi)部結(jié)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(nèi)容應該安排：DSP數(shù)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(jié)束第一層次的教學。endprint

第一層次的教學內(nèi)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(shù)字信號處理C語言程序，讓學生找到學習DSP的切入點。

（二）第二層次的理論教學內(nèi)容和實踐教學內(nèi)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(jié)構、快速的硬件乘法。因此，第二層次的教學內(nèi)容應該安排：DSP芯片的總體結(jié)構，包括DSP處理器的特點、多內(nèi)部總線、中央處理單元、存儲空間結(jié)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(tǒng)、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(jié)束第二層次的教學內(nèi)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(xiàn)的。但是第二層次的教學內(nèi)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(nèi)容和實踐教學內(nèi)容

第三層次的教學內(nèi)容在第一層次和第二層次教學內(nèi)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(nèi)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(shù)結(jié)構和調(diào)用規(guī)則、C語言和匯編語言的接口等內(nèi)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(diào)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(shù)據(jù)存儲器的擴展、DSP與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的接口等內(nèi)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(xiàn)、自適應系統(tǒng)辨識的DSP實現(xiàn)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(tǒng)的硬件設計、安排了各種應用實驗，從外設的相關實驗，到數(shù)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(tǒng)中的智能天線定位系統(tǒng)”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(shù)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(tǒng)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.endprint