張 立 溫秀蘭 黃家才

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

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Cortex時(shí)代嵌入式系統(tǒng)教學(xué)探索

張 立 溫秀蘭 黃家才

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

摘 要：本文從ARM處理器的發(fā)展?fàn)顩r出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)在高等教育電子類專業(yè)嵌入式方向的教學(xué)實(shí)際狀況，分析了嵌入式專業(yè)的培養(yǎng)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，提出了嵌入式技術(shù)課程的學(xué)習(xí)路徑。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式；教學(xué)改革

ARM公司在ARM11處理器產(chǎn)品之后將所設(shè)計(jì)的處理器命名為Cortex，并將其分為A系列（主攻高端）、R系列（強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性）、M系列（針對(duì)低功耗）3個(gè)方向。［1］這標(biāo)志著嵌入式處理器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段，代表著嵌入式處理器在2010年后進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。在這樣一個(gè)新時(shí)期，嵌入式處理器可以為智能手機(jī)、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)、數(shù)字電視、服務(wù)器等一系列高端應(yīng)用場景提供服務(wù)；也可為要求高可靠性、高可用性、容錯(cuò)功能、較強(qiáng)的可維護(hù)性以及具有可用的實(shí)時(shí)響應(yīng)場景提供解決方案；對(duì)于成本與功耗敏感的MCU和終端應(yīng)用也能有合理的解決方法，并且具有向上兼容的功能。

1　嵌入式課程現(xiàn)狀及問題

近年來，各高校對(duì)于嵌入式技術(shù)及應(yīng)用都展開了廣泛的研究，譬如說在故障處理［2］、語音識(shí)別［3］、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用［4］、光纖信號(hào)處理［5］等方面，應(yīng)用前景廣泛、社會(huì)需求強(qiáng)烈。

反觀現(xiàn)在的高等學(xué)校嵌入式方向教育，在20世紀(jì)80年代8位的51機(jī)的基礎(chǔ)之上，近些年為了適應(yīng)社會(huì)的需求，推出了基于ARM7ARM9的嵌入式設(shè)計(jì)課程。這些課程無論是教學(xué)內(nèi)容上還是教學(xué)方法上或者是教學(xué)手段上乃至教學(xué)體系上仍跟不上嵌入式處理的發(fā)展以及社會(huì)對(duì)嵌入式人才的需求。究其原因，應(yīng)當(dāng)是多方面的。

（1）嵌入式處理器發(fā)展速度較快，但公認(rèn)的、具有里程碑式意義的產(chǎn)品作為學(xué)習(xí)對(duì)象不夠明確。以ARM公司為例，僅此一家公司幾乎每年都有新的嵌入式處理推出或投放到市場上。而由于應(yīng)用對(duì)象的不同，面向高端、實(shí)時(shí)性、低功耗這3個(gè)不同方向的處理器又有不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。這使得嵌入式信息知識(shí)增長過快，讓初學(xué)者摸不著頭腦。唯恐剛剛學(xué)習(xí)一種處理器的使用，卻很快就被淘汰。這種情況很容易打擊學(xué)習(xí)的積極性。另外，嵌入式處理器雖然整體發(fā)展很快，但是最新階段標(biāo)志性產(chǎn)品不明確。而且缺乏對(duì)于最新階段標(biāo)志性產(chǎn)品的詳細(xì)介紹與培訓(xùn)。同樣以ARM公司為例，對(duì)于Cortex系列新型的處理器的介紹與公開培訓(xùn)較少。由于不能明確哪款處理器能夠有絕對(duì)的性能與成本的綜合優(yōu)勢，或者說某款產(chǎn)品在市場上占有絕對(duì)的市場份額，這使得高校教育者無法統(tǒng)一認(rèn)定一款產(chǎn)品為基準(zhǔn)來展開教學(xué)。

（2）嵌入式處理器設(shè)計(jì)公司對(duì)于高等教育，特別是國內(nèi)的高等教育合作的力度還有待于加強(qiáng)。由于嵌入式技術(shù)的應(yīng)用是近年來才在市場上火熱起來，而現(xiàn)階段嵌入式處理器設(shè)計(jì)公司與國內(nèi)高校的合作還比較欠缺，無論是產(chǎn)品的適用性、軟件工具的教學(xué)使用、配套開發(fā)硬件的教學(xué)開發(fā)板都存在較大的提升空間。這使得高校教育者應(yīng)盡快根據(jù)市場需求與學(xué)生的實(shí)際情況加強(qiáng)與這些嵌入式處理器設(shè)計(jì)公司的合作；這些嵌入式處理器設(shè)計(jì)公司也應(yīng)抓住機(jī)遇，主動(dòng)向高校推廣自家公司的嵌入式處理器產(chǎn)品的使用方法。

（3）嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)收到多方面因素的影響而顯得困難重重。首先，嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)本身就是一個(gè)長期經(jīng)驗(yàn)積累的過程，也是綜合應(yīng)用能力的體現(xiàn)。而現(xiàn)在的高等教育，在有限的大學(xué)4年時(shí)間內(nèi)，要完成的基礎(chǔ)課與專業(yè)課學(xué)習(xí)已經(jīng)占用了大部分的時(shí)間。在這有限的大學(xué)四年時(shí)間內(nèi)，如果要求學(xué)習(xí)者能夠快速具備較強(qiáng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，難度較大。其次，現(xiàn)有的教學(xué)體系受制于大學(xué)專業(yè)設(shè)置的因素，多專業(yè)或者方向都開設(shè)了嵌入式課程。而各學(xué)院、各專業(yè)的基礎(chǔ)課程設(shè)置卻不盡相同，或者說各教學(xué)單位的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)并不一致，這使得學(xué)習(xí)者所具有的基礎(chǔ)并不一致。原有知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的不一致顯然不利于制定統(tǒng)一的教學(xué)計(jì)劃與安排。再次，針對(duì)嵌入式方向的課程設(shè)計(jì)也缺乏明確的發(fā)展方向與統(tǒng)一的考核標(biāo)準(zhǔn)。第三，嵌入式技術(shù)教學(xué)的教材質(zhì)量亟待加強(qiáng)。已有的教材往往就是開發(fā)板的說明書加上Linux 系統(tǒng)的基本操作與編程編譯的軟件工具使用。這些教材缺乏知識(shí)結(jié)構(gòu)主線，或者說學(xué)習(xí)路徑不夠清晰，這就很難讓學(xué)習(xí)者循序漸進(jìn)地掌握嵌入式技術(shù)知識(shí)。最后，雖然在嵌入式教學(xué)中，實(shí)踐的重要性已經(jīng)得到了各高校廣泛的認(rèn)同。然而實(shí)踐條件仍然不夠樂觀：所依賴的開發(fā)板由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、性能不穩(wěn)定、功能各異、可靠性不強(qiáng)、配套軟件不完善等原因，使得實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容有限、教學(xué)深度不夠。

（4）全面掌握嵌入式技術(shù)需要很多現(xiàn)有高等學(xué)校專業(yè)課程以外的知識(shí)，譬如說專利、核心原理等等。而這些知識(shí)的掌握與獲得暫且不能通過現(xiàn)有高校課堂教育的方式直接獲得，全面普及尚有難度，需要企業(yè)、政府、高校的多方合作方能推動(dòng)企業(yè)的技術(shù)盡快進(jìn)入高等教育的課堂。

2　嵌入式專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系

已有的電子類大學(xué)專業(yè)課程知識(shí)體系，最基本的是電子信息技術(shù)，即以電路分析、模擬電子、數(shù)字電子以及C語言為代表的最基本的課程，這是電子類專業(yè)最基本的專業(yè)基礎(chǔ)課。

掌握了最基本的專業(yè)基礎(chǔ)課后，為了更好地了解硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)作過程，微機(jī)原理與匯編語言的掌握可以為后面學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)形成基本的框架結(jié)構(gòu)。不至于在后面的學(xué)習(xí)中，處于一種混沌狀態(tài)。

在掌握了微機(jī)原理與匯編原理之后，如果有時(shí)間與精力，應(yīng)當(dāng)掌握單片機(jī)技術(shù)與操作系統(tǒng)的基本知識(shí)，這相當(dāng)于是從計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理的理論知識(shí)掌握跳躍到簡單系統(tǒng)搭建的實(shí)際應(yīng)用中，完成從理論到實(shí)踐、從理性認(rèn)識(shí)到感性認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵性轉(zhuǎn)變。

在學(xué)習(xí)者能夠熟練掌握單片機(jī)知識(shí)與操作系統(tǒng)原理之后，再學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)或者是DSP技術(shù)、EDA技術(shù)等等，相對(duì)來說就容易接受的多。

3　課程教學(xué)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

現(xiàn)有的教學(xué)課程還是應(yīng)當(dāng)以linux操作系統(tǒng)教學(xué)與基于Cortex處理器的接口技術(shù)為基礎(chǔ)。

（1）由于現(xiàn)有的操作體統(tǒng)中l(wèi)inux系統(tǒng)及其衍生版本占據(jù)了嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的絕大部分市場，并且各種應(yīng)用工具的獲得較為方便，再加上是開源的系統(tǒng)，使得學(xué)習(xí)的成本能夠有效控制。在實(shí)際教學(xué)過程中，如果學(xué)生有興趣深入了解系統(tǒng)的運(yùn)行原理，可以便利地獲得相應(yīng)的資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）在硬件方面，由于ARM處理器已經(jīng)發(fā)展到21世紀(jì)第二個(gè)10年，進(jìn)入了Cortex階段，選擇較新的支持64位的處理器進(jìn)行硬件方面的教學(xué)，從代表性與持續(xù)性來說都是較大的優(yōu)勢。一方面ARM處理器已經(jīng)進(jìn)入64位時(shí)代，對(duì)于64位處理器的學(xué)習(xí)代表了能夠掌握最新位寬的處理器處理能力；另一方面，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入新的位寬階段，能夠在較長的時(shí)間內(nèi)保持技術(shù)的相對(duì)領(lǐng)先性，即現(xiàn)有處理器的設(shè)計(jì)還不會(huì)在短期內(nèi)進(jìn)入128位階段，并且及時(shí)出現(xiàn)了128位的處理器，對(duì)于ARM處理器的應(yīng)用領(lǐng)域其必要性還不會(huì)立刻凸顯出來，則其應(yīng)用普及更加漫長。故對(duì)于64位的Cortex處理器作為現(xiàn)階段嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)來說是比較理想的選擇對(duì)象。

（3）在開發(fā)板的選擇上除選用的處理器應(yīng)為64位的Cortex系列處理器以外，在其他功能的集成上應(yīng)當(dāng)盡量的穩(wěn)定、可靠，并且有詳盡的系統(tǒng)說明和知識(shí)擴(kuò)展，并自帶完備可用的輔助開發(fā)工具軟件。

（4）所選用的教材及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書應(yīng)盡量分階段授課，以感性認(rèn)識(shí)為主線，從簡單到復(fù)雜，每一階段都完成一個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，使得學(xué)習(xí)者從一開始就能對(duì)整個(gè)課程有基本的感性認(rèn)識(shí)與概念。隨著課程的向后學(xué)習(xí)，只是不斷加深對(duì)嵌入式技術(shù)的理解。而不會(huì)在某一個(gè)理論知識(shí)部分陷入困境而無法對(duì)嵌入式技術(shù)整體把握，甚至失去學(xué)習(xí)的信心。

4　結(jié)束語

嵌入式教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)在高等教育不可阻擋的發(fā)展方向之一。由于其具有發(fā)展迅速、掌握周期長、經(jīng)驗(yàn)積累要求較高等諸多學(xué)習(xí)難點(diǎn)，使得學(xué)習(xí)的過程較為漫長而掌握起來較為困難。本文通過分析高等教育的電子類專業(yè)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合嵌入式技術(shù)現(xiàn)有的發(fā)展?fàn)顩r以及高等學(xué)校可具備的軟硬件資源，建議從做好系統(tǒng)開發(fā)、處理器選擇、開發(fā)板拓展、教材與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫這四個(gè)方面的工作入手進(jìn)行改革。通過循序漸進(jìn)的嘗試，可以建立一條行之有效，甚至是具有標(biāo)志性意義的學(xué)習(xí)過程成為可能。

參考文獻(xiàn)

［1］ ARM官網(wǎng)簡介［EB/OL］.www.arm.com.

［2］ 王仲根.基于嵌入式系統(tǒng)的故障錄波器的研究［D］. 淮南：安徽理工大學(xué).2008.

［3］ 宋艷.基于嵌入式語音識(shí)別系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011.

［4］ 朱強(qiáng).面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式RFID中間件的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

［5］ 韓艷軍.嵌入式光纖位移傳感器及其信號(hào)處理電路的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2005.

［6］ 教育部高等教育司.普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹［M］.北京：高等教育出版社，1998.

收稿日期：2015-12-02

作者簡介：張立，博士，講師。

基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（編號(hào)：14KJ B460016）；南京工程學(xué)院科研基金（編號(hào)：YKJ201416）；南京工程學(xué)院高教研究課題（編號(hào)：JG201401，GY201320）。

The Study of Teaching Method with Cortex Chips in Embedded Technology

Zhang Li， Wen Xiulan， Huang Jiacai
Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China

Abstract：Base on the development of the ARM chips， this article analysis the study routers about the embedded technology system. It present the situation of the education environment of the embedded technology. It propose the methods to manage the skill of development of the chips.

Keywords：ARM； embedded technology； teaching reform