冀常鵬，馬 飛，徐 維

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是以微控制器為核心，將其嵌入到產(chǎn)品或設(shè)備中以實現(xiàn)其功能數(shù)字化和智能化的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，覆蓋了包括消費(fèi)類電子、智能家電、工業(yè)控制和通訊網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、汽車電子和醫(yī)療電子等領(lǐng)域［1]。

嵌入式系統(tǒng)是訓(xùn)練軟硬件綜合能力的一個極好的載體。在IEEE/CS的Computing Curricula 2001中把嵌入式系統(tǒng)課程列為計算機(jī)工程學(xué)科的領(lǐng)域之一，把軟硬件協(xié)同設(shè)計列為高層次的選修課程。美國科羅拉多州立大學(xué)嵌入式系統(tǒng)認(rèn)證課程目錄包括“實時嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”和“嵌入式系統(tǒng)工程”等課程。美國華盛頓大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程的名稱是“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)論”，它基本包括了前面三門課程的內(nèi)容。我國高校的信息類相關(guān)專業(yè)，如計算機(jī)、自動化、通信和電子信息等專業(yè)已將嵌入式系統(tǒng)課程列入必修課程。

1 嵌入式系統(tǒng)知識體系

嵌入式系統(tǒng)通常定義為一種以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可以剪裁，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的知識體系如圖1所示，可見，嵌入式系統(tǒng)所涉及的內(nèi)容從硬件到軟件，涵蓋非常廣泛［2，3]。

圖1 嵌入式系統(tǒng)的知識體系

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)有以下三個特點(diǎn)［4]:

1)綜合性:嵌入式系統(tǒng)集軟硬件技術(shù)于一體，需要進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計。它涉及電子、計算機(jī)、自動控制等相關(guān)專業(yè)的知識，課程上綜合了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、微機(jī)原理、單片機(jī)和軟件工程等課程;

2)實踐性:涉及的多種專業(yè)知識包括操作系統(tǒng)和微機(jī)原理、編程語言程序設(shè)計、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)設(shè)計等課程內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件設(shè)計的完美結(jié)合，可以有效訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力;

3)應(yīng)用性:嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用出發(fā)，將工程應(yīng)用的案例和項目滲透到教學(xué)之中，提升學(xué)生實踐動手能力。

3 嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程實踐

3.1 教學(xué)大綱

“嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用”課程的主要內(nèi)容包括:①典型嵌入式系統(tǒng)的基本配置、硬/軟件綜合設(shè)計方法、流程和應(yīng)用范例;②微處理器、存儲器、I/O口、外設(shè)接口和驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換和管理、總線和硬件調(diào)試;③嵌入式操作系統(tǒng)概念、內(nèi)核、WinCE和uCLinux、任務(wù)和任務(wù)調(diào)度、RTOS、GUI、API和文件系統(tǒng)等;④軟件開發(fā)過程、交叉編譯、鏈接調(diào)試、下載和板級支持包(BSP);⑤設(shè)備驅(qū)動機(jī)制、按鍵和觸摸屏驅(qū)動、網(wǎng)口驅(qū)動、紅外和USB驅(qū)動。

3.2 實驗大綱

實驗平臺采用三星公司的S3C2410教學(xué)開發(fā)平臺，操作系統(tǒng)和圖形界面采用μCLinux和Windows CE5.0等。實驗內(nèi)容分為2個層次。

基本實驗包括嵌入式軟件開發(fā)基礎(chǔ)實驗、人機(jī)接口實驗、通信與音頻接口實驗、簡單驅(qū)動程序?qū)嶒灪颓度胧讲僮飨到y(tǒng)移植實驗等。

綜合應(yīng)用實驗給出多個題目，每組選擇其一，學(xué)生也可以自選題目，但需經(jīng)過可行性審查。期末要求每人提交一份報告和程序，并答辯和演示成果。其中包括“按鍵驅(qū)動程序設(shè)計”、“串口驅(qū)動程序設(shè)計”、“嵌入式Web服務(wù)器實現(xiàn)”、“基于WWW服務(wù)的智能家居應(yīng)用”、“圖形用戶界面的移植”、“觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計”和“MP3音頻播放”等專題。

4 工程項目驅(qū)動的課后體系

實踐教學(xué)模式應(yīng)當(dāng)是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的核心，培養(yǎng)學(xué)生動手能力是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的關(guān)鍵，應(yīng)以典型的工程項目為對象，分解提煉出其中的理論知識點(diǎn)和實踐知識點(diǎn)，并將它們滲透到理論教學(xué)和實踐教學(xué)之中［5]。

嵌入式系統(tǒng)是一個綜合性很強(qiáng)的知識體系，所涵蓋的課程較多［6]。如果在課程教學(xué)中引入工程項目，則可以將枯燥抽象的理論轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗髮嵱玫陌咐?，可以起到事半功倍的效果。根?jù)嵌入式系統(tǒng)課程之間內(nèi)在的關(guān)系，可以將其分為五個層面，如圖2所示。圖中的箭頭表示課程之間的順序關(guān)系，代表了課程之間的互為基礎(chǔ)和前后承接的關(guān)系。

圖2 嵌入式系統(tǒng)課程體系

(1)硬件層面:這個層面從電子技術(shù)的基礎(chǔ)開始，逐步深入到嵌入式系統(tǒng)所涉及的硬件知識體系，教學(xué)的中心是提升學(xué)生的電路分析和設(shè)計的能力，達(dá)到獨(dú)立完成嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的目的。

(2)計算機(jī)軟件層面:主要涉及到計算機(jī)相關(guān)的知識和技術(shù)，如從操作系統(tǒng)原理過渡到嵌入式操作系統(tǒng)，從C/C++程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等程序設(shè)計相關(guān)課程過渡到嵌入式軟件設(shè)計。

(3)測試層面:測試技術(shù)對保證產(chǎn)品質(zhì)量是至關(guān)重要的，因此應(yīng)當(dāng)開設(shè)嵌入式系統(tǒng)測試課程。因為嵌入式系統(tǒng)是軟硬件的綜合體，所以測試技術(shù)應(yīng)當(dāng)兼顧軟件和硬件。

(4)工程管理層面:嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，因而需要開發(fā)者掌握軟件工程及UML等工程化開發(fā)的理論和工具。

(5)專業(yè)領(lǐng)域知識層面:嵌入式系統(tǒng)除了涉及其本身的知識外，還應(yīng)當(dāng)與所應(yīng)用的領(lǐng)域結(jié)合起來，比如機(jī)頂盒應(yīng)結(jié)合數(shù)字電視技術(shù)及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等;自動化控制產(chǎn)品應(yīng)結(jié)合控制原理等課程;3G產(chǎn)品則應(yīng)結(jié)合無線通信技術(shù)等。

我們可以采用了課內(nèi)外相結(jié)合的方式，建立嵌入式系統(tǒng)開放實驗室和創(chuàng)新實驗室，給學(xué)生提供課外實踐的平臺，補(bǔ)充課內(nèi)實驗課時的不足。

我們在講授嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)之后，增加一節(jié)對嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)組成的分析。部分學(xué)生表明想嘗試設(shè)計一臺串口服務(wù)器。我們在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自己去查找資料，自擬題目寫一篇關(guān)于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的說明材料或報告。

由應(yīng)試教育向素質(zhì)教育的轉(zhuǎn)變，考核方式的改革是一個重要因素。本課程學(xué)生的綜合成績的評定，由期末考試成績(60分)論文報告成績(15分)及實驗成績(25分)構(gòu)成。這樣更能全面和客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

5 結(jié)語

從教學(xué)實踐來看，以工程項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式可以有效地縮短學(xué)生與實際應(yīng)用之間的距離，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、創(chuàng)新研發(fā)的能力。實施這一模式，對教學(xué)人員的能力，特別是實踐能力要求較高，應(yīng)當(dāng)建立有利于提升嵌入式系統(tǒng)教師實踐能力的機(jī)制。不斷更新教師的知識體系，這樣才能使嵌入式系統(tǒng)教學(xué)朝縱深的方向發(fā)展。

［1] 梁宜勇，王曉萍，趙文義等.“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)與實踐探討［J] .北京:中國大學(xué)教學(xué)，2009(5):36-37.

［2] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3] 李軍，袁滿，劉彥軍.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系及方式探討［J] .北京:計算機(jī)教育，2010(6):97-99.

［4] 丁珠玉，張濟(jì)龍，吳永烽等.嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學(xué)模式的研究與探索［J] .重慶:西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2009，7(6):182-183.

［5] 孫士明，劉新平，鄭秋梅等.計算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)體系探索［J] .上海:實驗室研究與探索.2009，28(5):122-125.

［6] 王蘇峰，肖儂，唐玉華等.嵌入式系統(tǒng)的多樣性教學(xué)探討［J] .北京:計算機(jī)教育.2008(14):53-54.