嵌入式處理器體系結構
時間：2018-09-21 來源：未知
這個階段課程淵源已久。上世紀90年代時單片機的大行其道是計算機單芯片化的開端。隨著集成電路技術的發展，單芯片上集成的功能越來越強，終于在本世紀初發展出現了在單芯片上集成復雜計算機系統的技術（System-on-Chip SOC）。這使得原本需要獨立運行在單獨的計算機上的復雜的軟件系統可以運行在（嵌入）小型的設備上。這就是“嵌入式系統”。這種系統的核心處理器被稱為“嵌入式處理器”。
在講授這部分課程時，講師應當讓學生同時接觸到Intel架構以及ARM架構的指令。學生應當首先學習編寫在操作系統環境下運行的匯編語言程序，然后在無操作系統環境下運行的裸板程序。歸根結底，這個階段課程教給學員分析和編寫匯編語言程序的一般性方法，而非僅僅針對某個體系結構和匯編器。學員將學到超越某個具體指令集的匯編語言能力以及建立在此之上的自底向上的思考整個計算機體系的能力。
傳統誤區
完全地學習處理器體系結構需要具備大量的先修課程（主要是電路類課程），今天的學生不具備這些先修課程能力。傳統的方式是首先講解處理器體系結構，然后講解指令集，再然后講解匯編程序語法，再然后像C語言階段一樣寫一些小程序，再然后...。但是很不幸，教學實踐表明，由于無法安排足夠的課時，這種方式的教學甚至無法讓學員獲得基本的分析和使用匯編代碼的能力。同時由于處理器能力的增強導致嵌入式軟件體系的復雜度大大提升的結果是芯片廠商包辦了底層的諸如Bootloader之類的底層軟件。同時大部分的嵌入式產品都通過運行某種操作系統環境提供應用層支持。直接在無操作系統環境下編程的程序員崗位在嵌入式行業中大大減少。這樣一來，講授裸機匯編的傳統課程體系和新工程實踐嚴重脫節。
問題分析
問題的根源在于現代程序員對于匯編語言的需求是很獨特的。即使是在操作系統核心級別的代碼中，用匯編語言寫成的代碼總量也不會很多。而當程序員開始和這些代碼打交道時，往往意味著他碰到了關鍵的核心問題。這個時候問題的核心在于整體的軟硬件結構而不是具體的匯編指令。現代的程序員在處理構成系統關鍵部分的匯編代碼時，并不需要像計算機發展的早期時的匯編程序員那樣精通某種匯編語言的每一個角落。只要“框架”清晰，指令集的障礙自然可以通過臨時查閱相關體系結構的手冊邁過。但是框架卻不是臨時能夠建立起來的。
應當徹底改變這部分課程以適應新的工程實踐。壓縮繁瑣的匯編指令教學，增加在操作系統環境下的關鍵匯編代碼分析和設計，把原本放在匯編程序上的精力轉移到SOC的體系結構和操作系統的底層機制上。
教師應當在C、內核這幾個課程階段展開多架構匯編語言視角的討論。這樣能夠讓學生在很長的時間跨度上去習慣用匯編語言的視角分析問題。在本階段的教學中，首先在Linux環境下寫匯編，然后才是裸板的匯編。這是因為經過前期的學習，學生對于Linux和C是比較熟悉的，使用匯編語言和這兩種環境打交道會降低學習的難度梯度。
消除了學生對指令集的恐懼之后，再展開用匯編和C語言直接操作硬件的SOC課程環節。他們將通過這個環節了解到基于ARM的SOC體系結構特點，包括總線、地址、外設以及中斷等等硬件知識。由于已經熟悉了匯編語言，所以此時的學生能夠把精力集中在SOC體系結構本身上。這是組織課程的一種“超級技巧”，尤其用來解決那些復雜的課程環節：盡量避免在課程中同時出現兩個或多個學生之前并不熟悉的知識體系（在這里就是匯編和SOC芯片）。通過重新規劃這課程，甚至動用其它環節的課程以呼應這一階段課程的方式降低學習的難度梯度。
