朱濤

摘要：在分析嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)崗位技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機專業(yè)特點，構(gòu)建了高校計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)及實驗平臺。對規(guī)范和培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)人才起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；課程體系；實驗平臺

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)15-3647-04

物聯(lián)網(wǎng)、云計算目前已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的主流方向，在這個主流方向中，最核心、最關(guān)鍵的部分是嵌入式系統(tǒng)。調(diào)查數(shù)據(jù)【1】顯示，市場對嵌入式人才的需求缺口巨大。就高校而言，培養(yǎng)符合行業(yè)要求的人才是高校的職責(zé)，而人才的培養(yǎng)又始終離不開切實可行的教學(xué)計劃和課程體系，制定符合行業(yè)實際的教學(xué)計劃和課程體系，是培養(yǎng)人才的關(guān)鍵。而開設(shè)什么樣的課程來培養(yǎng)符合行業(yè)要求人才，又要依據(jù)行業(yè)特點和對人才的技術(shù)要求來確定，否則就會偏離行業(yè)要求，滿足不了行業(yè)需求。在2008年《普通高等學(xué)校高職高專教育指導(dǎo)性專業(yè)目錄(試行)》里已經(jīng)規(guī)劃了嵌入式技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)(專業(yè)代碼510121)，但還沒有形成一門獨立的本科專業(yè)，近幾年高校中的電子專業(yè)、計算機專業(yè)以及機電與自動化專業(yè)、通信專業(yè)都相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程,大都針對本科高年級學(xué)生或者研究生開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)方向。從國內(nèi)不同高校不同專業(yè)開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)課程來看，各具特色，有些硬件課程開設(shè)的多，有些軟件課程開設(shè)的多。這主要是由于嵌入式系統(tǒng)本身包含軟件與硬件兩個層次,在設(shè)計與應(yīng)用方面,又具有軟硬件協(xié)同工作的特點,既要依據(jù)硬件設(shè)計軟件,又要依據(jù)軟件確定硬件,不能簡單的說哪個更重要,只能從應(yīng)用的角度講其側(cè)重點不同。因此對于不同專業(yè)開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)課程，不能一概而論。本文主要從嵌入式從業(yè)人員進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所具備的知識要求和技術(shù)要求為依據(jù)，確立計算機專業(yè)本科生從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識和技能，并著重對計算機專業(yè)本科生嵌入式系統(tǒng)的課程體系構(gòu)建內(nèi)容及實驗平臺方案進行探討和研究。

1嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、以應(yīng)用為中心、軟件硬件可裁剪并且對系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。從其概念來看，嵌入式系統(tǒng)是專用計算機系統(tǒng)，應(yīng)該包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，具體地說，一個嵌入式系統(tǒng)硬件以微處理器為核心集成存儲器和系統(tǒng)專用的輸入/輸出設(shè)備；嵌入式系統(tǒng)軟件包括初始化代碼及驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等，這些軟件有機地結(jié)合在一起，形成系統(tǒng)特定的一體化軟件。一個典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)包含嵌入式硬件、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件三個部分構(gòu)成。

由于嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，因此嵌入式系統(tǒng)是應(yīng)用于特定環(huán)境下，針對特定用途來設(shè)計的系統(tǒng)，所以不同于通用計算機系統(tǒng)，它的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計、“量體裁衣”、去除冗余，力爭在較少的資源上實現(xiàn)更高的性能。嵌入式系統(tǒng)的基本特點就是“嵌入”、“專用性“和“計算機性”。由于系統(tǒng)的這些特性，導(dǎo)致系統(tǒng)的存在形式是多樣的和面向特定應(yīng)用的，并且對成本、功耗、可靠性和實時性特別關(guān)注，因此在嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上都要考慮這些特點。

2嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人才崗位及核心能力分析

2.1嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)崗位劃分與設(shè)置

從事嵌入式技術(shù)的崗位主要是企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售部門，當然還有其它輔助部門，在此主要針對研發(fā)部門的崗位進行分析。嵌入式系統(tǒng)研發(fā)部門崗位的設(shè)置，離不開嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和開發(fā)過程，設(shè)置什么樣的崗位、需要何種學(xué)歷的人才都與嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程緊密相關(guān)。就嵌入式系統(tǒng)而言，總體上可劃分為硬件和軟件兩部分，硬件一般由高性能的微處理器和外圍的接口電路組成，軟件一般由硬件抽象層、嵌入式操作系統(tǒng)、軟件應(yīng)用平臺和應(yīng)用程序等組成,如圖1所示。

硬件層是整個嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行的平臺，包括輸入輸出接口/驅(qū)動電路、處理器、存儲器、定時器、串口、中斷控制器、外設(shè)器件、圖形控制器及相關(guān)系統(tǒng)電路等部分。對于硬件層的設(shè)計開發(fā)要有較深的硬件開發(fā)經(jīng)驗，這些崗位一般都需要資深的硬件工程師。中間層包括硬件抽象層（HAL）或板級支持包（BSP），負責(zé)對各種硬件功能提供軟件接口，包括硬件初始化、時鐘管理、定時器管理、中斷處理、總線管理、內(nèi)存地址的映射等。它位于底層硬件和操作系統(tǒng)之間，是二者之間的橋梁。這個層次的設(shè)計開發(fā)不僅要精通底層硬件結(jié)構(gòu)，還要熟悉上層的操作系統(tǒng)，主要工作是開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序。這部分工作需要有豐富的軟硬件件研發(fā)經(jīng)驗才可以勝任。軟件層主要包括操作系統(tǒng)和軟件應(yīng)用平臺，操作系統(tǒng)主要是實現(xiàn)資源的訪問和管理，完成任務(wù)調(diào)度，支持應(yīng)用軟件的運行及開發(fā)，軟件應(yīng)用平臺則是為了提高開發(fā)速度與軟件質(zhì)量，一些應(yīng)用提供商開發(fā)了一些可重用的應(yīng)用平臺，封裝了一些常用的功能，同時提供API接口，可以在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。這些崗位要求具有豐富的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗和軟件工程能力。功能層主要指的是應(yīng)用軟件層，位于嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的最頂層，直接與最終用戶交互。針對各種特定功能來編寫應(yīng)用程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能應(yīng)用。主要是進行大量的C、C++或JAVA語言編程，不需要更多涉及底層硬件，大都是基于操作系統(tǒng)之上的編程。這些崗位要求就有豐富的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)能力。從嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程看，還可以對硬件層、中間層、軟件層、功能層四個層次的研發(fā)工作進一步細化。

2.2技術(shù)研發(fā)崗位從業(yè)人員核心能力分析

對于從事嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)人員而言，必須具有與崗位匹配的核心能力才可以勝任工作。文獻[3]就嵌入式整個行業(yè)的從業(yè)人員在不同崗位應(yīng)具備的知識和能力進行了描述。由于目前國內(nèi)就嵌入式人才的評估和認證只有嵌入式工程師認證，因此本文將從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)、軟、硬件測試這五類技術(shù)研發(fā)崗位進行研究，來確定相應(yīng)人員應(yīng)具備的知識和能力要求。對于每一類崗位，將從崗位工作任務(wù)、崗位知識能力、主要技能和核心能力這四個方面就行研究，其中崗位工作任務(wù)是指該崗位應(yīng)完成日常基本工作的事務(wù)范圍，崗位知識能力是指該崗位應(yīng)具備的基本知識要求，主要技能是指該崗位技術(shù)能力的要求范圍，核心能力是指該崗位工作主要能力要求。分析結(jié)果如表1所示。

2.3技術(shù)研發(fā)崗位知識要求

表1就目前嵌入式技術(shù)人員的五種崗位要求從四個方面進行了分析，從分析的結(jié)果看，對于硬件設(shè)計及測試人員而言，應(yīng)具有的知識點：①熟悉或者掌握模擬電子線路、數(shù)字電路，單片機等基本的硬件電子電路設(shè)計知識；②熟悉和掌握C語言或者C++語言及接口電路程序設(shè)計；嵌入式系統(tǒng)硬件的設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計③至少熟悉l到2種基本的EDA工具，如MODELSIM、Quartus? lI、Protel等；④熟悉各種常用工具和儀器儀表，熟悉電子元器件性能分析。軟件設(shè)計軟件測試人員而言，應(yīng)具有的知識點：①熟悉Linux，WinCE，Vxworks等操作系統(tǒng)的各種軟件開發(fā)環(huán)境；②熟悉GUI開發(fā)過程、熟悉網(wǎng)絡(luò)編程、多任務(wù)編程等；③精通C語言、匯編語言；④熟悉嵌入式系統(tǒng)硬件的設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計。⑤熟悉嵌入式軟件開發(fā)模式及方法，熟悉白盒測試、黑盒測試和回歸測試，熟悉單測試、集成測試、系統(tǒng)測試過程及測試的誤區(qū)的分析。系統(tǒng)架構(gòu)人員應(yīng)具有的知識點：①熟悉嵌入式軟件工程；②熟悉面向?qū)ο蠛徒Y(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)方法；③精通常用軟件開發(fā)語言；④熟悉軟件架構(gòu)模式和設(shè)計模式，熟悉常用軟件建模技術(shù)。

3計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系及實踐平臺的構(gòu)建及分析

3.1計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系及實踐平臺的構(gòu)建

從嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人才崗位及核心能力分析來看，對于計算機專業(yè)，在構(gòu)架課程體系時，應(yīng)該結(jié)合計算機專業(yè)特點及嵌入式技術(shù)研發(fā)崗位和應(yīng)具備的知識能力出發(fā)，可從理論與實踐兩個方面，去制定切實可行的專業(yè)課程體系。本文將從理論課程體系和實踐課程體系兩個方面闡述課程體系和實踐平臺的構(gòu)建。其平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，計算機專業(yè)基礎(chǔ)和核心課程體系可依據(jù)計算機專業(yè)相關(guān)培養(yǎng)課程體系及目標確定，本文不再贅述。對于嵌入式系統(tǒng)理論課程體系可分別從硬件課程、語言課程、專業(yè)課程三個方面進行構(gòu)建，其中硬件課程可包含有電路與模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯電路、計算機組成與體系結(jié)構(gòu)、微機原理與接口、ARM體系結(jié)構(gòu)與編程、電子線路設(shè)計、計算機控制系統(tǒng)、單片機原理與應(yīng)用、DSP技術(shù)及應(yīng)用、FPGA設(shè)計基礎(chǔ)等課程；語言課程可包含有C語言程序設(shè)計、VC＋＋程序設(shè)計、離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、VB程序設(shè)計、C#程序設(shè)計、J2EE中間件技術(shù)、C語言深入編程、C++/VC++深入編程等課程；專業(yè)課程可包含有嵌入式操作系統(tǒng)、Linux設(shè)備管理與應(yīng)用、ARM體系結(jié)構(gòu)與編程、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、WinCe系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)、面向操作系統(tǒng)的程序設(shè)計、多核程序設(shè)計等。對于嵌入式系統(tǒng)實踐課程體系可從專業(yè)實踐與認證培訓(xùn)兩個方面進行構(gòu)建，其中專業(yè)實踐可從課內(nèi)實踐、課程實訓(xùn)、項目團隊、專業(yè)競賽、企業(yè)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)等方面進行構(gòu)建。在專業(yè)實踐中，課內(nèi)實踐和課程實訓(xùn)是對嵌入式專門知識的鞏固與提高，綜合實踐是階段性綜合能力培養(yǎng)的需求，項目實訓(xùn)與畢業(yè)設(shè)計是綜合分析設(shè)計能力的保障。而對于培訓(xùn)認證，可參與ARM公司全球認證、中國軟件行業(yè)協(xié)會嵌入式認證、中國電子學(xué)會認證、信息產(chǎn)業(yè)部認證等機構(gòu)和部門的培訓(xùn)認證活動。

3.2嵌入式系統(tǒng)課程體系分析

從嵌入式系統(tǒng)課程體系的內(nèi)容來看，具有三個方面的特點。首先是體系完整，專業(yè)特色突出，整個課程體系體現(xiàn)四個方面的能力培養(yǎng)：①編程能力培養(yǎng)，體現(xiàn)在C語言程序設(shè)計、C語言深入編程、C++/VC++深入編程及面向操作系統(tǒng)的程序設(shè)計等課程。②實踐能力培養(yǎng)，體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)實踐、Linux和WinCE操作系統(tǒng)與應(yīng)用開發(fā)實踐、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用綜合實訓(xùn)及畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等方面。③應(yīng)用能力培養(yǎng)，體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用、嵌入式圖形界面開發(fā)及嵌入式測試技術(shù)等方面。④創(chuàng)新能力培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在創(chuàng)新團體、嵌入式競賽、企業(yè)實習(xí)及一些嵌入式協(xié)會等。其次，整個課程體系具有側(cè)重應(yīng)用，循序漸進，層層遞進的特點。從軟硬件編程到專業(yè)技能培養(yǎng)，再到項目實訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計是遞進式的。軟硬件編程是整個能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)，專業(yè)技能是提高，項目實訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計是綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)。最后，整個課程體系涵蓋了微軟、信產(chǎn)部認證課程。微軟認證為微軟WinCE嵌入式系統(tǒng)工程師認證，其課程主要包括WinCE系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。信產(chǎn)部認證為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師認證，其主要課程包括嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式測試技術(shù)和ARM體系結(jié)構(gòu)與編程。

4計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)實踐課程體系構(gòu)建的設(shè)想，對于教學(xué)實踐，要根據(jù)計算機專業(yè)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)要求和崗位職責(zé)，可進行合理規(guī)劃。既要讓學(xué)生掌握堅實的基礎(chǔ)知識，又要讓學(xué)生跟得上主流技術(shù)潮流。由于嵌入式系統(tǒng)在構(gòu)成上可由硬件和軟件構(gòu)成，因此在進行實驗教學(xué)時，可從硬件和軟件兩個方面進行構(gòu)建。根據(jù)目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主流技術(shù)來看，在硬件選型上要以X86CPU、單片機和ARM處理器為主，在操作系統(tǒng)的選擇上要以WinCE、Linux、μC/OS-II和Vxworks等操作系統(tǒng)為主，可從驅(qū)動程序設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)界面、應(yīng)用程序等方面進行實驗。本文提出了一種可行的實驗架構(gòu)，如圖3所示。

圖3嵌入式系統(tǒng)課內(nèi)實驗體系

圖3從三個層面對實驗教學(xué)進行了規(guī)劃，最底層為硬件層，可選擇不同的處理器及各種外圍電路及存儲設(shè)備進行實驗，如X86CPU、ARM處理器、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)化電路、I/O接口、通用接口、ROM、RAM等。中間為操作系統(tǒng)層，可選擇主流嵌入式操作系統(tǒng)進行實驗，如WinCE、Linux、μC/OS-II、Vxworks等。最上層為應(yīng)用層，可從嵌入式驅(qū)動層序開發(fā)、嵌入式圖形用戶界面以及應(yīng)用程序的設(shè)計等方面進行實驗，其中在程序設(shè)計語言的選擇上可重點考慮匯編語言、C/C++語言、JAVA為主要訓(xùn)練語言。

5總結(jié)

進幾年來，市場對嵌入式人才的需求持續(xù)走高，但符合企業(yè)要求的合格嵌入式從業(yè)人員不多，缺口很大。如何緩解人才供需矛盾，是政府和學(xué)者們關(guān)心的問題。目前就全國高校的普遍情況來看，嵌入式系統(tǒng)還尚未開設(shè)本科專業(yè)，很多高校只是開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)方向課程，而且開設(shè)的課程五花八門，很難規(guī)范。本文從嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成及特點以及嵌入式系統(tǒng)從業(yè)人員的職業(yè)崗位出發(fā)，探討了嵌入式系統(tǒng)課程體系和實踐體系的構(gòu)建，并針對計算機專業(yè)實驗教學(xué)提出了一種教學(xué)結(jié)構(gòu)。通過本文的探討試圖為解決嵌入式課程規(guī)范化做出應(yīng)有貢獻，從而加快嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員培養(yǎng)，解決市場人才短板而有所作為。

參考文獻：

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