北京航空航天大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程建設(shè)

h文章編號：1672-5913(2008)07-0064-02

摘要：本文介紹了北京航空航天大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，以及項目實驗的管理過程和方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；項目實驗；教學(xué)改革

中國分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1課程內(nèi)容簡介

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的特點是涉及知識面廣、綜合性強、實踐性強，并且學(xué)科發(fā)展迅速，這些特點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)，因而學(xué)習(xí)難度較大，難以形成一個簡單明確的知識體系。為了解決這一問題，我們本著“面向市場需求、定位人才培養(yǎng)”的原則，在課件設(shè)計上采取統(tǒng)一的知識體系結(jié)構(gòu)，即涵蓋“基礎(chǔ)知識+基本技能+項目實踐+技術(shù)講座”四大模塊，突出注重工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

通過課程學(xué)習(xí)和實驗，學(xué)生應(yīng)熟悉一種典型的微處理器體系結(jié)構(gòu)，掌握一套主流的開發(fā)工具和一種嵌入式操作系統(tǒng)，熟練使用一門開發(fā)語言，從而使得學(xué)生具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)設(shè)計的基本能力。

本課程設(shè)計為：本科48學(xué)時(理論24學(xué)時，實驗課24學(xué)時)，2學(xué)分；研究生54學(xué)時(理論課30學(xué)時，實驗課24學(xué)時)，3學(xué)分。為了配合該課程的教學(xué)需要，我們自主編寫了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實驗教程》。

本課程是本碩一體化課程，如果優(yōu)秀本科生在本科學(xué)習(xí)期間完成了研究生的課程，則在研究生期間可以免修該課程。本科生的理論教學(xué)內(nèi)容包括：

●嵌入式計算技術(shù)的基本概念

●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和描述

●嵌入式實時操作系統(tǒng)

●嵌入式微處理器和嵌入式計算平臺

●嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例

●分布嵌入式系統(tǒng)(擴展內(nèi)容)

●專用接口和硬件加速器(擴展內(nèi)容)

●高可靠性嵌入式系統(tǒng)(擴展內(nèi)容)

研究生的理論教學(xué)內(nèi)容包括：

●嵌入式系統(tǒng)概述

●嵌入式硬件基礎(chǔ)

●ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)

●ARM指令集

●基于ARM的嵌入式I/O接口設(shè)計

●嵌入式操作系統(tǒng)概述

●嵌入式Linux內(nèi)核分析與移植

●嵌入式Linux驅(qū)動程序開發(fā)

●嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與分析

●嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例分析

通過理論課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本理論和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程和方法，以及基于ARM9的教學(xué)實驗平臺組成、嵌入式Linux 和WinCE操作系統(tǒng)的開發(fā)原理，為下一步的實驗課程打下基礎(chǔ)。

我院嵌入式系統(tǒng)課程實驗依托北京航空航天大學(xué)國家級實驗中心的嵌入式系統(tǒng)實驗室，該實驗室得到了美國Intel、Microsoft、Altera、Mentor Graphics公司、英國ARM公司和芬蘭Nokia等公司的支持和贊助。實驗室設(shè)備先進(jìn)，軟硬件功能齊全，實驗理念和技術(shù)水平與國際接軌，為學(xué)生提供了一個綜合設(shè)計與開發(fā)的實驗場所。

本科生的實驗課包括基本實驗和綜合設(shè)計實驗?；緦嶒灧謩e提供了Windows CE和Linux兩種操作系統(tǒng)下的4個實驗。綜合設(shè)計實驗主要培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新意識，由學(xué)生獨立提出、設(shè)計并實現(xiàn)。

本科生綜合設(shè)計實驗要求學(xué)生設(shè)計并實現(xiàn)一個嵌入式系統(tǒng)，鼓勵學(xué)生提出原創(chuàng)性的內(nèi)容，同時結(jié)合實驗平臺的特點提供以下備選方向：

●虛擬儀器(Virtual Instrument)

●POS機

●游戲機(Game Machine)

●ATM機

●網(wǎng)絡(luò)打印機

研究生課程實驗課也分為兩個部分：專題實驗和項目實驗。專題實驗共有6次，每次4個學(xué)時，共24個學(xué)時，專題實驗內(nèi)容包括：

●實驗一：熟悉教學(xué)實驗平臺及其開發(fā)環(huán)境，編寫運行一個簡單的ARM匯編程序

●實驗二：嵌入式Linux串口通信程序設(shè)計

●實驗三：嵌入式Linux內(nèi)核分析、裁減、移植和燒寫

●實驗四：嵌入式Linux圖形程序設(shè)計

●實驗五：觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計

●實驗六：LED驅(qū)動程序設(shè)計

在專題實驗中，學(xué)生自由組合為三人一組，每次實驗又分為驗證性實驗、修改性實驗和設(shè)計性實驗三個層次。硬件平臺采用Intel公司提供的EIA嵌入式計算機開發(fā)平臺和北京博創(chuàng)公司提供的UP-NETARM2410S實驗平臺。

項目實驗可以單人完成，也可以分組合作完成，設(shè)計為20個學(xué)時。項目實驗被安排在開放實驗室，學(xué)生可以自由安排實驗時間。項目實驗的題目由教師推薦和學(xué)生自選相結(jié)合。

在教學(xué)模式上，我們采用“責(zé)任教授＋主講教師+實驗輔導(dǎo)教師”的教師團隊，目前該團隊的所有教師都有博士學(xué)位。教學(xué)方式采用“理論講授→實驗指導(dǎo)→動手實踐”。在教學(xué)過程中“點面結(jié)合”，以某種平臺為重點，兼顧其他系統(tǒng)的特征。授課老師既是主講老師，又是實驗指導(dǎo)老師。采用“理論講授→實驗指導(dǎo)→動手實踐”的教學(xué)方式。另外，學(xué)院還聘請了國內(nèi)外行業(yè)專家定期為學(xué)生介紹相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)和工程實踐經(jīng)驗。

2項目實驗的管理過程

針對相應(yīng)的理論教學(xué)內(nèi)容，本課程給本科生和研究生設(shè)計了若干套專題實驗和項目實驗。針對項目實驗，對學(xué)生進(jìn)行“項目式”的實施管理，對于實驗中的每個指定環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一的檢查，確認(rèn)達(dá)到每個階段的鍛煉目的。在此過程中，并非所有實驗小組都能取得實驗資格，需要根據(jù)其對選定方向所做的調(diào)查和準(zhǔn)備工作情況來進(jìn)行評估，合格者方可獲得實驗資格。為便于上述評估，實驗小組應(yīng)按順序提供下列實驗文檔，格式符合相應(yīng)軟件工程文檔的規(guī)范。

(1) 實驗項目申請書(Project Proposal)

實驗項目申請書應(yīng)該是一份描述實驗計劃的報告，說明實驗者選擇的實驗方向，為何選擇該方向，感興趣的地方何在，可行性如何。該申請需要答辯通過由任課老師及助教組成的評審團的審查。該報告中應(yīng)該包括如下組成部分：

→實驗動機(Motivation for the project)

→設(shè)計目標(biāo)(Description of what it does)

→技術(shù)路線(Description of how you plan to do it in brief.)

→需要的支持(Help needed)

→概要步驟(Possible steps in brief.)

(2) 實驗計劃

在實驗者上述的實驗申請獲得批準(zhǔn)后，應(yīng)該完成實驗項目計劃書(Experiment/Project Plan)。

實驗項目計劃書應(yīng)該包括：

→項目需求(Requirements)

→系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Architecture)

→測試方案(Testing)

→實驗時間(Time estimates)

→可能的檢查點(Checkpoint)

其中，檢查點是指實驗中的階段性成果出現(xiàn)時的實驗狀態(tài)。

(3) 實驗的仿真驗證

因為并不是所有的實驗內(nèi)容都可以并且需要真的完成目標(biāo)系統(tǒng)的真實功能，所以實驗者應(yīng)進(jìn)行實驗的仿真驗證，即通過在EIA平臺上以仿真系統(tǒng)的形式來驗證實驗計劃中提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該仿真系統(tǒng)應(yīng)該包括與目標(biāo)系統(tǒng)對應(yīng)的軟件和硬件，能夠完成目標(biāo)系統(tǒng)的基本功能，并最終作為本實驗的演示系統(tǒng)。

(4) 課程設(shè)計實驗報告(The Final Report)

完成實驗后，實驗者應(yīng)提供關(guān)于

實驗的課程設(shè)計實驗報告(The Final Report)，該報告同樣必須通過最終的答辯，獲得評審團的評價，以便結(jié)合實際演示給出實驗成績。具體內(nèi)容應(yīng)該包括：

→實驗環(huán)境介紹(Environment)

→準(zhǔn)備情況(Preparation)

→設(shè)計流程(Design Process)

→難度分析和評估(Difficulty)

→實驗結(jié)論(Conclusion)

→經(jīng)驗體會(Experience)

以2007年春季課程本科生第四次實驗為例，共60名本科三年級學(xué)生參加并完成實驗，實驗中分為12組，每組5人，實驗設(shè)備除EIA一套外，每個實驗者有獨立使用的聯(lián)網(wǎng)微機一臺。參加實驗的同學(xué)分為12組進(jìn)行實驗，其中11組在課程內(nèi)完成實驗，完整提交了上述所有要求的文檔，符合每個檢查點的要求。另有一組參加同年度微軟嵌入式設(shè)計大賽，未能參加所有實驗，原擬給予通過的成績，考慮實際情況，該小組在競賽中入圍全球前32名，最終給予該小組優(yōu)秀成績。

4結(jié)束語

幾年來的教學(xué)實踐表明，新的教學(xué)實驗?zāi)Ｊ綄崿F(xiàn)了教與學(xué)的有機結(jié)合，理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)的高度統(tǒng)一，改變了學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的綜合設(shè)計和工程實踐能力。問卷調(diào)查結(jié)果表明，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，有90％的學(xué)生“十分滿意”；有86％的同學(xué)在以后的工作中從本課程中獲益。

另外，學(xué)生積極參加校內(nèi)外各種競賽，屢創(chuàng)佳績。我院最近幾屆本科生和研究生在國內(nèi)外嵌入式相關(guān)比賽中先后獲得了全國大學(xué)生“課外科技競賽挑戰(zhàn)杯”一等獎、法國“全球智能卡設(shè)計大賽”第二名、法國“全球GSM和Java卡開發(fā)大賽”第一名、“諾基亞智能應(yīng)用移動挑戰(zhàn)賽”金獎等眾多獎項，這也從另外一個側(cè)面顯示了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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