基于國產昇騰處理器的教學改革與實踐

趙冬冬，陳 朋*，王海霞，胡映天，梁榮華

(1.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，杭州 310023；2.浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310023)

隨著中美貿易沖突不斷升級，國家高度重視國產化芯片[1]，國產替代成為近幾年國內半導體開展的主線。而國內嵌入式系統等課程大部分以國外單片機、ARM 等處理器為核心展開介紹，包括處理器架構、編程語言、實驗內容等[2-7]，導致學生對國產化處理器知識的了解有很大欠缺，更缺乏實際的實踐與應用。大學生是國家未來的科研支柱，該教學現狀在一定程度上也阻礙了國產化處理器的推廣及關鍵技術國產化。

2016 年中共中央辦公廳、國務院辦公廳在《國家信息化發展戰略綱要》[8]中提出到2025年，根本改變核心關鍵技術受制于人的局面，形成安全可控的信息技術產業體系。國務院“十四五”規劃提出堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐。特別提出要從“自主創新”到“科技自強自立”。華為公司響應國家號召，構建面向人工智能的昇騰AI 處理器，聚焦軟硬件創新，推動計算產業發展。教育部與華為發起“智能基座”產教融合協同育人基地項目，以最新的技術培養人才，以創新的人才引領產業。

本文依托“智能基座”產教融合協同育人基地項目，提出“國產化處理器進入高校課堂，加強實踐能力，培養愛國情懷”的教學思想，以國產昇騰處理器為核心，詳細闡述教學內容體系，精心設計入門實驗例程和綜合創新案例，旨在加強學生國產化處理器的認知與實踐能力，培養科技自強自立的創新人才。

一 教學內容體系

圍繞嵌入式系統課程展開教學內容討論，該課程是計算機科學與技術、電子信息工程專業課程體系中重要的專業課，培養學生綜合運用處理器體系結構、編程語言、操作系統、人工智能等知識，形成軟硬件協同設計的實際工程能力。課程注重國產化處理器架構與編程方面的基礎教學，加強實踐能力，注重創新設計。課程主要由三部分構成：學習昇騰處理器的體系架構與編程語言；熟悉昇騰嵌入式實驗平臺與開發環境，實現基礎模塊設計應用；嵌入型系統的課程創新設計。

課程以團隊自研的國產昇騰處理器Atlas200 實驗板為實驗平臺，如圖1 所示，該實驗開發板小巧，便于攜帶，可在實驗室、宿舍、圖書館等場地進行學習；具有豐富的外設及接口，可供學生實踐GPIO 端口、UART、IIC、SPI 和定時器等基礎教學內容，此外配合網口、顯示屏，三軸加速度計等外設，可進一步開展綜合實驗和創新設計；處理器具有強大AI 算力，最高可提供22Tops的乘加計算能力，可結合華為AI 平臺進行深度學習網絡移植，進行嵌入式AI 的應用開發，基礎內容+嵌入式AI 的教學平臺將豐富嵌入式實踐課程。

圖1 團隊自研國產昇騰處理器Atlas200 實驗開發板

二 教學內容設置

嵌入式系統是一門軟硬件相結合的技術，對同學的綜合能力要求高，需要同學具備硬件和軟件設計能力。教學內容包括基礎教學內容和擴展教學內容。

基礎內容涵蓋嵌入式系統的基本概念、國產昇騰處理器的架構、編程語言、嵌入式系統應用與開發等部分，采用“線上-線下”混合教學方式，線上部分充分利用網絡教學平臺，全程協助學生完成課前的預習、課上的控制、課后的復習與作業的提交、問題的反饋等多途徑的學習和交流。線下部分以“理論”與“實踐”相結合的項目驅動式方式來進行，讓學生通過“做中學”的樂學方式真正體會每一個知識點的用途。

擴展教學內容為昇騰處理器應用部分，該部分教學內容主要以“同學分享、老師補充、演示示例、自由發揮”為主線。由同學在課前查閱昇騰處理器在AI、工業現場等領域應用的相關資料，在課堂上進行分享，老師對基本概念、應用場景、未來發展趨勢等知識進行補充講解，將有利于同學主動探索新領域，提升科研興趣。課上老師針對華為昇騰實驗開發板上的推理應用開發方法進行重點講解，并演示實驗，學生可依據實驗例程進行二次開發。各教學內容設計見表1。

表1 基礎模塊實驗內容與實驗項目設計

三 單人綜合設計實驗

（一）智能臺燈系統

多功能智能臺燈系統為學生單人獨立完成的小型系統。該實驗主要涉及板載的按鍵和LED 設備，完成該系統將對前期學習的GPIO 外設知識進行回顧和實踐，并掌握按鍵的消抖等處理方法。

1 實驗需求說明

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

2 實驗課堂教學設計

So L3=950×I3+475+475-200=950×I3+750,L4=Ls-A1-220-200-(950×I3+750)=Ls-A1-950×I3-1 170

在學生完成基礎理論學習后，還需要進行操作實踐，需要教師串聯各個知識點，引導學生綜合應用，以激發學生的學習興趣。教師需要對系統中涉及的重要知識點進行拆分，帶領學生回顧GPIO 輸入、輸出功能、PWM原理，引導學生能夠根據所學知識，利用現有硬件和軟件平臺實現系統需求。系統中使用一個按鍵開關來獲取用戶的輸入，需要通過讀取按鍵GPIO 輸入電平的不同狀態，經過軟件PWM 控制LED 燈的亮度。

向學生提供參考硬件設計電路，如圖2 所示，將有利于學生正確打開思路，少走彎路，提高效率，同時培養同學們嵌入式開發過程中閱讀硬件電路的基本能力，在理解硬件的基礎上，實現軟件的設計。

圖2 智能臺燈硬件電路

軟件設計需要引導學生進行需求分析，確定系統所需要的功能，并向學生提供智能臺燈系統的基礎示例實驗。教師向學生講解例程中軟件設計的流程和思路，在此基礎上學生運行例程實驗并掌握其中的軟件設計思路，進行基礎示例實驗的基礎上模仿設計，來完成新的需求任務，這有利于學生正確和順利完成實驗內容，認識和熟悉嵌入式系統和產品的開發流程。

（二）電子時鐘

電子時鐘為單人完成的固定教學任務，此實驗目的包括了解IIC 總線的特點和功能、了解IIC 通訊的時序、使用IIC 接口驅動數碼管、RTC 時鐘等基本外部設備。

1 實驗需求說明

教師向學生說明此實驗需要完成的基本需求可擴展需求，電子時鐘基于開發板上的四位數碼管和RTC時鐘電路進行設計。該電子時鐘基本需求為在數碼管上顯示時鐘信息，并在設備掉電重新啟動后仍能顯示最新時間；擴展需求為在數碼管上交替顯示當前的日期、星期、時刻信息，例如交替顯示“2022”“07.26”“12:00”。即學生利用IIC 總線驅動數碼管和RTC 時鐘設備完成一個電子時鐘應用。

首先，老師和學生們一起復習IIC 總線的基本知識。結合此次實驗中用到的IIC 總線的編程源碼對IIC總線接口的基本特點和通訊時序進行重點講解，在同學們了解IIC 總線的原理和編程方法后，老師引導學生分析本次實驗中涉及到的IIC 設備及其驅動方法。在實驗編碼前可布置小測試，讓同學根據電路圖分析讓數碼管顯示“0”等數值的IIC 數據，這樣在后期的編程中，同學們將更快地上手實驗。

本實驗案例的難度設置為70%～80%的部分學生可自主完成，剩余的20%～30%的部分需要老師協作完成。老師將向學生提供IIC 驅動例程，如驅動溫濕度傳感器的實驗代碼，學生可學習該例程代碼進行移植和模仿來驅動數碼管和RTC 時鐘。軟件流程如圖3 所示。

圖3 電子時鐘軟件流程圖

四 綜合創新實踐

（一）綜合創新實踐內容設置

在綜合創新實踐階段，每3～4 位同學組成一創新小組，分別擔任項目經理、軟件開發、軟件測試、硬件開發等角色，讓同學充分了解在實際項目開發中各角色的作用，同時培養學生的團隊協作意識。

該部分實驗課程可由教師根據熱點事件，發布實驗主題，例如2021 學年發布的實驗主題為“智能家居”。圍繞主題，教師可向學生提供參考命題，由創意小組自由選擇完成，例如智能門禁系統、家庭助老服務機器人和室內遠程監控系統。以智能家庭服務系統實踐教學項目為例，給出的具體項目需求見表2。同時支持學生自主命題，向老師提出新的創意實驗課題，經老師評估工作量后，進行課程設計。

表2 智能家庭服務系統

該實驗可分為基礎功能和創新功能兩個部分，基礎功能部分主要利用昇騰處理器開發板上的通用外設及接口進行綜合設計，創新功能部分有更高的要求，在昇騰處理器上融入AI 算法、物聯網技術等，進行創新功能設計與開發。每個小組有6～8 學時的設計時間，根據不同能力可以選擇不同難度等級的實驗內容，完成基礎功能部分即可考核合格；創新功能部分根據作品功能復雜性、設計創新性、應用價值等方面綜合打分，各方面分值較高的作品考核優秀。

驗收階段通過學生PPT 展示的形式進行，介紹小組組員分工情況、作品功能及創新、開發過程難點及解決方法、對國產昇騰處理器開發的感想等，不但可以培養學生團隊協作能力，且可以更深入交流昇騰處理器開發心得，增強學生的愛國情懷和民族自豪感。

（二）學生作品

優秀的學生作品可以進一步推廣，在未來的教學中進行介紹與展示，激發學生的創作靈感。如有的小組綜合利用攝像頭、USB 接口、千兆以太網等內外設及接口，基于昇騰處理器開發板設計出了手寫字識別系統，如圖4(a)所示，該系統使用了深度神經網絡模型，在昇騰處理器上推理，將圖片中手寫字體進行實時識別，并轉化為計算機可編碼的文字；有的小組針對視頻內容，在昇騰處理器上運行Yolo 模型，設計出目標檢測系統，如圖4(b)所示，可以準確檢測出場景中的行人、車輛等目標。

圖4 學生作品

五 結束語

本文介紹了國產昇騰處理器引入高校課堂的教學內容與方法，教學基礎內容采用線上-線下混合教學方式，擴展內容以“同學分享、老師補充、演示示例、自由發揮”為主線，充分發揮學生的自主學習能力，深入理解并掌握國產處理器的架構與編程方法，對國產處理器有了新的認知，培養了學生愛國情懷。實驗內容以小組形式展開，培養了團隊協作意識，實驗內容含有基礎部分和創新部分，在實驗中培養學生的綜合設計能力與創新性思維。在2021 年“互聯網+”比賽中，學生使用昇騰處理器設計了AI 智能自動攝像系統，獲得國賽銀獎。隨著國產化芯片的不斷發展，國產化處理器知識內容引入課堂還需不斷完善，持續提高教學建設水平。