從目前單片機教學(xué)內(nèi)容和實驗方法來看，確實已與單片機本身的歷史一樣久遠了。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在高校中單片機教學(xué)的絕大多數(shù)內(nèi)容仍然停留在51單片機最初進入課堂的那個年代（1984前后），例如許多現(xiàn)在看來早已沒有什么實用價值的內(nèi)容卻逢課必講，甚至是詳述，如0809、0832、8255、8155、8279，以及一些過時的存儲器等器件及接口技術(shù)，這導(dǎo)致了目前的單片機課程中學(xué)到的知識幾乎很難用于對付現(xiàn)在的大學(xué)生電子設(shè)計競賽中大多數(shù)賽題，當(dāng)然更加無法對付在未來工程實踐中出現(xiàn)的諸多問題了。此外，從單片機技術(shù)引入課堂至此，一直作為一門獨立的，孤立的專業(yè)基礎(chǔ)課來對待，從而將其與后來不斷涌現(xiàn)的許多新技術(shù)新知識絕緣起來，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者無法將學(xué)到的單片機知識融入到更廣闊的實用工程技術(shù)領(lǐng)域中去。

通常，單片機有兩個最重要的指標，即功能和速度。如果不考慮速度因素，配以特定的擴展模塊，單片機幾乎可以完成任何任務(wù)。即單片機在實現(xiàn)功能的多樣性方面是無可挑剔的，但是一旦必須考慮高速問題的處理，傳統(tǒng)單片機技術(shù)的劣勢即刻暴露無疑。例如對于高速（包括并行和串行）ADC或DAC控制、基于多通道SPWM的電機控制、步進電機細分控制、各類調(diào)制信號發(fā)生的控制、各類高速通信協(xié)議的實現(xiàn)，以及不同目的的高速運算等等。通常，解決以上問題的方案可以有兩種選擇：方案一是針對不同功能指標要求，選擇不同的單片機或處理器；例如，若需對高速的ADC或DAC進行控制，可以選擇含有特定接口功能的單片機；若需對步進電機細分控制，可選擇用專用DSP處理器；若需實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號的發(fā)生和控制，則可為單片機擴展特定的DDS專用器件。然而這一途徑的最大缺陷在于，對于系統(tǒng)設(shè)計指標和功能要求，必須找到對應(yīng)的處理器和擴展模塊。事實上這是一個很難實現(xiàn)的任務(wù)，因為還沒有一款處理器或單片機擁有能適應(yīng)不同高速DAC和ADC的接口形式，同時還擁有多通道的SPWM端口，以及精度、速度和通道數(shù)都可隨意編輯的DDS功能。顯然方案不存在一攬子解決方案。 方案二就是為單片機擴展一片F(xiàn)PGA。這從任何一個角度，包括功能、速度、成本、技術(shù)指標、靈活性、開發(fā)效率、系統(tǒng)升級可行性等等，都無疑是上佳的選擇，而且還是一個一攬子解決方案。這一方案的實用領(lǐng)域正隨著FPGA技術(shù)的深入應(yīng)用而迅速擴大。針對這一情況，清華大學(xué)出版社于2011年推出了將SOC（System Of a Chip）技術(shù)有機融入單片機教學(xué)和實驗的《單片機原理與應(yīng)用技術(shù)》一書（圖1），作者是桂林電子科技大學(xué)和杭州電子科技大學(xué)的教授。此教材中的許多內(nèi)容對傳統(tǒng)的單片機應(yīng)用理念有了明顯的突破，對教學(xué)目標有了全新的拓展和延伸，特別是融入了單片機與FPGA擴展和基于單片機IP軟核的片上系統(tǒng)SOC構(gòu)建及應(yīng)用的知識，從而開拓了一個將普通單片機技術(shù)、FPGA開發(fā)技術(shù)、EDA技術(shù)、片上系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)有機融合、綜合運用和培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的平臺。

圖2

于是，按照此教材，單片機課程的教學(xué)和實驗內(nèi)容可大致分為四個層次來進行：1）傳統(tǒng)單片機的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)；2）單片機的傳統(tǒng)應(yīng)用方法和擴展技術(shù)；3）單片機擴展FPGA技術(shù)（教學(xué)實驗內(nèi)容如圖2所示：為了使單片機能同時測控多個高速外設(shè)，引入了FPGA）；4）基于單片機IP核的FPGA片上系統(tǒng)SOC開發(fā)技術(shù)（教學(xué)實驗內(nèi)容如圖3所示：將圖2的測控核心部分裝入單片F(xiàn)PGA中，構(gòu)成高效的SOC系統(tǒng)）。顯然，這是將傳統(tǒng)單片機技術(shù)與EDA技術(shù)、FPGA開發(fā)技術(shù)、嵌入式處理器軟核應(yīng)用技術(shù)和SOC技術(shù)有機結(jié)合的課程，這些內(nèi)容顯然與現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展具有很好的同步性。作者學(xué)校相關(guān)專業(yè)在過去多年的單片機教學(xué)中，采用了圖1教材的基本理念和核心內(nèi)容，教學(xué)效果是顯著的。除了在多屆電子設(shè)計競賽中不斷有學(xué)生直接利用這些學(xué)到的知識獲得可喜的成績外，有不少同學(xué)在就業(yè)數(shù)年后創(chuàng)辦了自己IC設(shè)計公司或工作室，有的業(yè)務(wù)是SOC設(shè)計，內(nèi)容多集中于MP4、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字通信器件或手機語音處理相關(guān)的SOC專用集成電路的設(shè)計；有的則是主營特定企業(yè)的專用單片機或?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計與銷售；還有的同學(xué)甚至自主開發(fā)通用單片機，其中還包括單片機開發(fā)芯片和開發(fā)工具的研發(fā)與銷售。作為本科畢業(yè)生，所有這些成就無疑都與他們于在校期間對于諸如單片機SOC技術(shù)等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和實踐所分不開的。

與《單片機原理與應(yīng)用技術(shù)》教材配套的實驗開發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計的設(shè)備是：

一、模塊化單片機技術(shù)SOC設(shè)計綜合實驗系統(tǒng)

模塊化結(jié)構(gòu)給出了最好的解決方案：

通常的單片機實驗系統(tǒng)是整體結(jié)構(gòu)型的，雖也可完成多種類型實驗，但由于整體結(jié)構(gòu)不可變動，實驗項目和類型是預(yù)先設(shè)定和固定的，很難有自主發(fā)揮的余地，如果學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新設(shè)計與實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不吻合，便無法在此平臺上獲得驗證。根據(jù)圖2結(jié)構(gòu)，模塊化配置給出了最好的解決方案：○ 在實驗和創(chuàng)新實踐中，能提供用于構(gòu)建單片機應(yīng)用系統(tǒng)中必須的外設(shè)接口模塊，以及構(gòu)建SOC充足的邏輯資源和存儲器資源，豐富到足以涵蓋單片機SOC系統(tǒng)任何邏輯規(guī)模的結(jié)構(gòu)以及學(xué)生的創(chuàng)造力所及的任何形式的設(shè)計項目�！� 在外圍接口方面，除大量豐富的接口模塊，如VGA、PS2、USB、SD卡、RS232串口、語音處理、AD/DA等等現(xiàn)成的模塊外，還提供能適應(yīng)實驗者隨時根據(jù)自己的創(chuàng)新實驗需要，自主安排和設(shè)計新功能模塊的標準接口。○ 從涉及構(gòu)建SOC級的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的課程性質(zhì)和實驗性質(zhì)看，將實驗硬件平臺定位于大規(guī)模邏輯容量的FPGA，在硬件實現(xiàn)與測試，軟件調(diào)試，軟硬件聯(lián)合測試與驗證方面是十分必須的。

KX-MCU40配置如下：

一、基本平臺 編號:A 主系統(tǒng)

☆此平臺最多可同時插12 塊模塊板�！� KX_USB-Blaster2型雙功能編程器：(1)USB-Blaster編程下載功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、對FPGA/CPLD進行配置或編程；2、對配置器件EPCSx編程；3、訪問和編輯FPGA內(nèi)部RAM；4、調(diào)試Nios2，完成SOPC設(shè)計；5、支持SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀。(2)USB到UART串行通信轉(zhuǎn)換：1、通過USB與FPGA串行通信，實現(xiàn)PC與FPGA的串行通信，且無需RS232電平轉(zhuǎn)換；2、通過USB與單片機的串行通信，實現(xiàn)PC與通用單片機的UART串行通信；3、通過USB對STC等系列單片機進行直接編程開發(fā)，無需電平轉(zhuǎn)換�！� ByteBlasterMV編程器一個（可對isp單片機編程）。☆ 5功能智能邏輯筆：可顯示高電平、低電平、中電平、高阻態(tài)、脈沖信號。注意有“高阻態(tài)”測試功能�！� 獨立的標準時鐘頻率20個。20MHZ-0.5HZ�！� 電源有自動保護的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V�！� 8個LED放光二級管，8個乒乓開關(guān)，揚聲器�！� DDS信號輸出口及幅度、偏移調(diào)諧。

編號:B2、FPGA模塊二

Cyclone III FPGA EP3C40Q240，約300萬門、4鎖相環(huán)，120萬RAM bit，4萬LCs，16M Flash EPCS16，超寬超高鎖相環(huán)輸出頻率1300MHz至2kHz，22對LVDS差分通道，252個9X9bit數(shù)字乘法器等，板上還有3032 CPLD、16M EPCS16 Flash、32M SDRAM。提供多種IP核：32位NiosII核、20MHz有源晶振等。FPGA板包含 8051/52 IP核。提供商業(yè)級全兼容MCS-51單片機IP核。利用此核，實驗者可以實現(xiàn)傳統(tǒng)單片機實驗系統(tǒng)無法達到的SOC(片上系統(tǒng))設(shè)計。即將單片機CPU、RAM、ROM以及其它各類接口電路模塊設(shè)計在同一片F(xiàn)PGA中。此類技術(shù)對于對于面向高新技術(shù)企業(yè)的就業(yè)十分必要。 8088、8086 CPU IP核。 8255A IP核模塊；8255A IP核(I/O接口)；8253/8254 IP核(定時器)；8250 IP核(UART串行通信)；8237 IP核(DMA控制器)；8259 IP核(可編程中斷控制器)，以及基于FPGA的RAM/ROM核、鎖相環(huán)核等。這些IP核與8088CPU核相結(jié)合就能在單片F(xiàn)PGA中構(gòu)成一個微機系統(tǒng)，從而學(xué)習(xí)到實用的SOC設(shè)計工程技術(shù)。FPGA中的8088核與MCS-31單片機核及其中的各種模塊和核都能與以下各模塊結(jié)合，實現(xiàn)不同類型的實驗開發(fā)。

編號:C6、MCS-51單片機模塊

編號:C8、4X4+8個單脈沖綜合鍵盤模塊

編號:C9、7數(shù)碼管串行靜態(tài)顯示模塊

編號:C10、24位輸出顯示HEX模塊

編號:C13、點陣式128X64液晶顯示模塊

編號:C14、字符式20X4液晶顯示模塊

編號:C16、普通A/D與D/A模塊

編號:C21、SD+PS2+RS232+VGA顯示接口模塊

編號:C23、電機接口模塊

編號:C26、雙串行存儲器+邏輯筆設(shè)計模塊

編號:C27、SRAM/EPROM模塊

編號:C29、GPS實驗開發(fā)模塊

編號:C30、看門狗定時器+時鐘日歷模塊

編號:C32、交通燈模塊

編號:C33、動態(tài)掃描模塊

○ 基本軟件：1）Quartus II 9.0/11.0；2）ModelSim；3）Synplify；4）IDE；5）8051單片機IP核；6）8088/8086 CPU IP核；7）8088/8086微機系統(tǒng)接口模塊IP核：8253核、8237核、8259核、8255IP核和8250等IP核；8）Nios II

系統(tǒng)部分除EDA以外的單片機及IP核實驗 注：以下實驗根據(jù)系統(tǒng)配置來對應(yīng)完成

第六章單片機系統(tǒng)綜合實驗
6.1 單片機基本實驗
實驗6-1．存儲器塊清零程序設(shè)計
實驗6-2 二進制到BCD轉(zhuǎn)換程序設(shè)計
實驗6-3 十六進制到ASCII碼轉(zhuǎn)換程序設(shè)計
實驗6-4 存儲塊移動程序設(shè)計
實驗6-5 多分支程序
實驗6-6 數(shù)據(jù)排序程序設(shè)計.
實驗6-7 P1口輸入、輸出實驗
實驗6-8 交通燈控制（軟件延時法）
實驗6-9 交通燈控制（定時器延時法）
實驗6-10 計數(shù)器應(yīng)用實驗
實驗6-11 外部中斷實驗
實驗6-12 定時器實驗1（P1口狀態(tài)取反）
實驗6-13 定時器輸出PWM實驗
實驗6-14 外部中斷實驗
6.2 單片機擴展和接口實驗與設(shè)計
實驗6-15 單片機串口擴展
實驗6-16 鍵盤與液晶顯示控制
實驗6-17 單片機串行通信和紅外雙向通信
實驗6-18 單片機擴展X5045看門狗器件
實驗6-19 單片機擴展DS1302時鐘/日歷器件
實驗6-20 SPI串行DAC TLV5637與單片機的接口
實驗6-21 串行精密ADC器件ADS1100與單片機的接口
實驗6-22 串行高速ADC器件ADS7816與單片機的接口
實驗6-23 高速微功耗串行ADC器件TLV2541與單片機的接口
實驗6-24 雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832與單片機的接口
實驗6-25 高速同步10位串行A/D轉(zhuǎn)換器與單片機的接口
第七章單片機擴展FPGA綜合實驗與設(shè)計
實驗7-1 單片機串行擴展FPGA系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-2 單片機數(shù)據(jù)交換FPGA擴展電路設(shè)計
實驗7-3 擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的單片機與FPGA擴展系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-4 四通道PWM信號發(fā)生器及其單片機控制系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-5 移相信號發(fā)生器的FPGA與單片機擴展系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-6 里薩如圖波形發(fā)生器的單片機與FPGA擴展系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-7 數(shù)字電壓表FPGA單片機的系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-8 數(shù)字頻率計與單片機串行通信接口功能設(shè)計
實驗7-9 直流電機測控單片機與FPGA擴展系統(tǒng)設(shè)計
實驗7-10 等精度頻率/脈寬/占空比/相位多功能測試儀設(shè)計
第八章基于單片機8051/8088微機原理IP核的FPGA片上系統(tǒng)SOC設(shè)計
實驗8-1．單片機串口擴展FPGA片上系統(tǒng)SOC設(shè)計
實驗8-2．?dāng)U展外部數(shù)據(jù)存儲器的FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計
實驗8-3．四通道PWM信號發(fā)生器及單片系統(tǒng)設(shè)計
實驗8-4．移相信號發(fā)生器的FPGA片上系統(tǒng)SOC設(shè)計
實驗8-5．里薩如圖波形發(fā)生器的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計
實驗8-6．?dāng)?shù)字電壓表FPGA單片系統(tǒng)SOC設(shè)計
實驗8-7．?dāng)?shù)字頻率計與單片機串行通信接口功能設(shè)計
實驗8-8．直流電機測控FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計
實驗8-9．等精度頻率計FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計
實驗8-10．基于FPGA的紅外雙向通信單片系統(tǒng)設(shè)計
實驗8-11. 頻率和占空比可數(shù)控方波信號發(fā)生器設(shè)計示例
實驗8-12. 8052 IP核等精度頻率計/GPS應(yīng)用聯(lián)合設(shè)計
實驗8-13. 8051核控制DS18B20數(shù)字溫度模塊
實驗8-14. 8051核驅(qū)動LCD128X64
實驗8-15. 基本8088和8253核應(yīng)用
實驗8-16. 基本8088系統(tǒng)的GPS應(yīng)用模塊
實驗8-17. 8088系統(tǒng)的DMA核應(yīng)用
實驗8-18. 8088系統(tǒng)UART核應(yīng)用
實驗8-19. 8086經(jīng)典微機片上系統(tǒng)構(gòu)建