劉永軍,王彥芳,孫素靜,張國(guó)兵

(石家莊鐵道大學(xué)計(jì)算機(jī)系,河北石家莊 050043)

0 引言

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員研究了計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略后,制訂了計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)規(guī)范。該規(guī)范歸納了三種類(lèi)型、四個(gè)不同的專(zhuān)業(yè)方向,其中工程型的計(jì)算機(jī)工程專(zhuān)業(yè)方向即以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)、以嵌入式技術(shù)為主的應(yīng)用方向[1],如美國(guó)的計(jì)算機(jī)工程專(zhuān)業(yè)即以嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)計(jì)算為主。

嵌入式系統(tǒng)活躍在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域,其中一類(lèi)應(yīng)用是電子系統(tǒng)智能化,如工業(yè)控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、家用電器、汽車(chē)電子、測(cè)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集等;另外一類(lèi)是計(jì)算機(jī)的延伸應(yīng)用,如計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、MP4、手機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)等[2]。

按IEEE的定義,嵌入式系統(tǒng)即以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)追求的高速度和海量存儲(chǔ)而言,更側(cè)重于專(zhuān)用性、嵌入應(yīng)用對(duì)象、實(shí)時(shí)性、低功耗、便捷、可靠性、穩(wěn)定性以及成本等要求。由于國(guó)內(nèi)大多高校的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)普遍側(cè)重于信息技術(shù)或軟件工程等,有部分高等職業(yè)學(xué)校或?qū)I(yè)雖很看重嵌入式人才的培養(yǎng),卻往往停留于使用層面上。實(shí)際上,嵌入式系統(tǒng)人才的培養(yǎng)需要既看重基礎(chǔ)又強(qiáng)調(diào)具備開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新能力,既系統(tǒng)掌握硬件設(shè)計(jì)又精通軟件設(shè)計(jì)的復(fù)合型人才。

許多高校已逐漸認(rèn)識(shí)到開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的重要性,在近幾年已經(jīng)開(kāi)始探索性地開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的課程。由于受傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)、課程設(shè)置、師資以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等條件的限制,尚未形成完整的嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)或課程體系。

1 嵌入式系統(tǒng)課程體系架構(gòu)

基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程既與計(jì)算機(jī)、電子、通信和自動(dòng)控制技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課程有關(guān),又與具體的應(yīng)用背景有關(guān)。在知識(shí)體系上,會(huì)涉及到模擬與數(shù)字電路、嵌入式微處理器、計(jì)算機(jī)組成與接口以及嵌入式操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)等技術(shù),是計(jì)算機(jī)軟件、硬件的有機(jī)結(jié)合。在制訂嵌入式系統(tǒng)培養(yǎng)計(jì)劃時(shí),既需要考慮計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、嵌入式系統(tǒng)軟硬件專(zhuān)門(mén)技術(shù)和面向應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)背景等,又需要顧及到專(zhuān)業(yè)深度和應(yīng)用廣度的綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)多年來(lái)形成了計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的目標(biāo)培養(yǎng)體系,開(kāi)設(shè)了“EDA技術(shù)”和“微機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用綜合訓(xùn)練”等課程。自2005年加入Freescale大學(xué)計(jì)劃,在本科生中開(kāi)設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)概論”課程,后來(lái)隨著ARM類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的添設(shè),教學(xué)資源愈加豐富,師資力量逐步強(qiáng)大。于是開(kāi)始考慮建立比較完整的嵌入式教學(xué)體系,確立三個(gè)層面的知識(shí)傳授,以計(jì)算機(jī)的專(zhuān)業(yè)公共基礎(chǔ)為根本,強(qiáng)化計(jì)算機(jī)工程方向的內(nèi)涵,拓展主要應(yīng)用領(lǐng)域。

正如前述,目前嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用是面向電子系統(tǒng)智能化和計(jì)算機(jī)延伸應(yīng)用兩個(gè)大類(lèi)[3]的,電子系統(tǒng)智能化方面的課程選擇Freescale系列的系統(tǒng)作為教學(xué)的主要內(nèi)容,面向計(jì)算機(jī)延伸應(yīng)用方面的課程選擇ARM系列的系統(tǒng)作為教學(xué)內(nèi)容,結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)踐教學(xué),突出主要的知識(shí)領(lǐng)域和一般方法,相應(yīng)的培養(yǎng)體系和課程設(shè)置圍繞這兩個(gè)方面展開(kāi)。

2 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課程

嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件和軟件的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng),知識(shí)領(lǐng)域大多屬于計(jì)算機(jī),以計(jì)算機(jī)學(xué)科為根基。按照專(zhuān)業(yè)規(guī)范中計(jì)算機(jī)工程方向的要求,教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)結(jié)構(gòu)除通識(shí)教育和綜合教育外,專(zhuān)業(yè)教育體現(xiàn)了研究計(jì)算機(jī)的理論、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用等。目前計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的課程體系中所設(shè)置的許多基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,比如“電路基礎(chǔ)”、“數(shù)字邏輯”、“離散數(shù)學(xué)”、“C 語(yǔ)言 程序設(shè)計(jì)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語(yǔ)言”、“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)接口技術(shù)”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等,都是計(jì)算機(jī)學(xué)科各個(gè)專(zhuān)業(yè)方向的公共核心課程;而計(jì)算機(jī)工程的方向性課程有“微控制器原理與應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)原理”和“嵌入式操作系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)”等;方向拓展課程有“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“軟件工程”、“數(shù)字信號(hào)處理”等。

為充實(shí)硬件教學(xué),也為嵌入式硬件設(shè)計(jì)與構(gòu)造打下相關(guān)基礎(chǔ),在基礎(chǔ)課及專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課階段,學(xué)生可以在課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)上加強(qiáng)“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)”、“HDL 語(yǔ)言”、“電路板設(shè)計(jì)”、“數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”和“微機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”等,并把工程化思想引入學(xué)習(xí)實(shí)踐當(dāng)中,為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。

3 嵌入式系列課程

在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”基礎(chǔ)上,引入“微控制器原理及嵌入式應(yīng)用”課程,結(jié)合具體的 MCU(如 Freescale系列的 MC68HC908 GP32)來(lái)介紹微控制器的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、指令系統(tǒng)和常用外設(shè)接口及應(yīng)用等[5]。這里選擇8位MCU為教學(xué)內(nèi)容,是學(xué)習(xí)的一個(gè)關(guān)鍵。學(xué)習(xí)嵌入式應(yīng)用選擇合適的芯片型號(hào)作為入門(mén)機(jī)型,能讓學(xué)生容易學(xué)會(huì)、快速上手、符合循序漸進(jìn)和由淺入深的學(xué)習(xí)原則,符合學(xué)習(xí)規(guī)律和認(rèn)知規(guī)律。課程選擇Freescale的芯片系列是因?yàn)槠湟?guī)格齊全、資源齊備、適用廣泛、價(jià)格低及市場(chǎng)占有率高,在基本學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,還可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)如S12和ColdFire等內(nèi)容,而在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中根據(jù)問(wèn)題的需要選擇合適的芯片[5]。

計(jì)算機(jī)科學(xué)是實(shí)踐的科學(xué),嵌入式的學(xué)習(xí)更注重動(dòng)手能力的培養(yǎng)、更關(guān)注創(chuàng)新能力和工程化設(shè)計(jì)思想的形成,配合課程內(nèi)容設(shè)置的相關(guān)實(shí)驗(yàn),在教學(xué)上提倡用機(jī)器語(yǔ)言完成基本實(shí)驗(yàn),如通用I/O、串行I/O 、A/D 、定時(shí)、PWM 、LED、監(jiān)控代碼以及基本綜合性實(shí)驗(yàn)等,在進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)時(shí),除非底層的功能部分,一般推薦采用高級(jí)語(yǔ)言完成設(shè)計(jì),并按工程化思想實(shí)現(xiàn)每個(gè)步驟。采用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放式手段,使學(xué)生加快對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熟悉,鼓勵(lì)學(xué)生借助飛思卡爾網(wǎng)站以及相關(guān)教材等進(jìn)行自主學(xué)習(xí),結(jié)合實(shí)際使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)手段,建立自己滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境[4]。

在學(xué)習(xí)了“操作系統(tǒng)”課程和“Linux分析”課程的基礎(chǔ)上,開(kāi)設(shè)“嵌入式操作系統(tǒng)”(比如μ C/OSⅡ或uCLinux,Linix或WinCE)課程,通過(guò)對(duì)一個(gè)具體的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的剖析、裁剪和移植等,結(jié)合實(shí)驗(yàn)環(huán)境使學(xué)生掌握嵌入式操作系統(tǒng)一般開(kāi)發(fā)過(guò)程[6,7]和培養(yǎng)繼續(xù)學(xué)習(xí)的拓展能力。還可通過(guò)實(shí)習(xí)實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)、競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)等集中環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性應(yīng)用或拓展的深入訓(xùn)練,也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新等來(lái)進(jìn)一步加深理解嵌入式技術(shù),學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的方方面面。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了符合專(zhuān)業(yè)規(guī)范的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方向,適應(yīng)社會(huì)需求的人才培養(yǎng)目標(biāo),以計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)為主干,實(shí)施堅(jiān)實(shí)公共基礎(chǔ)課程、明確專(zhuān)業(yè)方向課程、拓展方向相關(guān)課程的三層面教學(xué)體系,堅(jiān)定理論基礎(chǔ)和強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)方案,使學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)上具備良好的系統(tǒng)知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力,以適應(yīng)社會(huì)對(duì)IT人才的需求,尤其是嵌入式技術(shù)在工業(yè)方面的應(yīng)用發(fā)揮作用。

[1] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專(zhuān)業(yè)規(guī)范(試行)[M].北京:高等教育出版社,2006

[2] 王宜懷,劉曉升.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007

[3] 王宜懷,陳建明,蔣銀珍.基于32位ColdFire構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009

[4] 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線(xiàn)開(kāi)發(fā)方法[M],北京:清華大學(xué)出版社,2004

[5] 劉慧銀,龔光華,王云飛.Freescale微控制器MC68HC08原理及其嵌入式應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005

[6] 周立功.A RM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003

[7] 夏靖波,王航,陳雅蓉.嵌入式系統(tǒng)原理與開(kāi)發(fā)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006