“嵌入式系統(tǒng)”課程群的改革與實踐

陳乃金，周鳴爭

(安徽工程大學 計算機與信息學院，安徽 蕪湖 241000)

隨著國際上深亞微米超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，各種具有集成度高、低功耗、高可靠性、高性能等特點的微處理器系統(tǒng)芯片被相繼研發(fā)成功，從而使得架構(gòu)嵌入式智能控制計算系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)的融合成為可能，而且各種微型嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫?，個人手機、智能家電、汽車電子、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)也是一門綜合性課程，它涉及數(shù)字與模擬電路、系統(tǒng)芯片版圖設(shè)計與流片、門級、寄存器級、linux等操作系統(tǒng)、微機接口技術(shù)等無線網(wǎng)絡(luò)的嵌入與融合等諸多專業(yè)知識，這就對“嵌入式計算系統(tǒng)”課程群的設(shè)計與教學提出了一定的挑戰(zhàn)?！扒度胧较到y(tǒng)”課程群融合了計算機科學與技術(shù)、微電子科學與電子信息工程、通信工程、應(yīng)用與計算數(shù)學等多個學科，傳統(tǒng)的計算機科學與技術(shù)的課程群和教學理念已不能適應(yīng)“嵌入式計算控制系統(tǒng)”課程的教學。故以“嵌入式計算控制系統(tǒng)”課程群為中心開展研究性和創(chuàng)新性教學，激發(fā)培養(yǎng)學生的解決分析問題能力、善于思考問題的能力、理論聯(lián)系實際的能力等是現(xiàn)代高等教育迫切解決的問題之一。［1］

1 嵌入式系統(tǒng)的定義及特點

嵌入式系統(tǒng)是以設(shè)計、應(yīng)用、開發(fā)、系統(tǒng)多指標評測等為中心，以微電子技術(shù)、計算機技術(shù)等為基礎(chǔ)，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相融合，軟硬件可裁剪，要求系統(tǒng)功能強，可靠性高，安全性好，成本和體積小，功耗低，具備智能性、可計算性、可控制性的計算系統(tǒng)，它屬于并沒有脫離計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)范疇，可有計算與存儲功能，可與物聯(lián)網(wǎng)、云計算相融合的計算機系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)具有以下特點:①具有控制與計算功能。②具有高可靠性、低功耗等功能。③具有可裁剪、擴展和融合的功能。

2 嵌入式系統(tǒng)教學的課程體系

通過對本科生教學及結(jié)合嵌入式領(lǐng)域相關(guān)項目研究的實際，加深了對嵌入式計算控制系統(tǒng)了解，圖1給出了大致的嵌入式計算控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用、開發(fā)的課程體系，僅僅是給不同辦學定位的大學教學科研人員參考。

因為由圖1可知嵌入式系統(tǒng)涉及了軟、硬件、微電子、數(shù)學等諸多知識，所以僅僅通過增加二、三門嵌入式的課程遠遠不夠的。由于不同大學的辦學定位、不同學生的專業(yè)知識背景、嵌入式計算控制系統(tǒng)課程群涉及的課程多、課時少的實際情況，所以設(shè)置相應(yīng)的嵌入式課程群差別較大。

我校的辦學定位是面向應(yīng)用的，所以在嵌入式課程體系設(shè)計上，我們規(guī)劃了2門課程:《嵌入式操作系統(tǒng)(以μCOS/Ⅱ和μCLinux為主)》、《嵌入式指令系統(tǒng)及C/C++開發(fā)》，由于WinCE、VxWorks等嵌入式操作系統(tǒng)不開源，需要購買，所以沒有考慮，而且我們正在規(guī)劃《嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)概論》、《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用》2門課程，因為該兩門課程與嵌入式在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸及開發(fā)方面有較為緊密的聯(lián)系。

圖1 嵌入式系統(tǒng)教學課程體系(包括設(shè)計和應(yīng)用開發(fā))

3 嵌入式系統(tǒng)的實驗教學平臺及理論、實驗教學設(shè)計探討

3.1 實驗教學平臺

我們采用嵌入式實驗系統(tǒng)平臺包括兩種類型:①博創(chuàng)UP-NETARM3000(ARM7 TDMI處理器)實驗箱30套，其包括主板、JTAG實時仿真器接口(14pin和10pin兩種標準)、PC機、相關(guān)的串口、并口線、以太網(wǎng)線、CAN總線等。采用的操作系統(tǒng)是μCOS/Ⅱ，理由是該操作系統(tǒng)免費且覆蓋了嵌入式實時操作系統(tǒng)的功能，簡單易學，特別適合初學者。②S3C2410(ARM9處理器)實驗箱10套，實驗采用的操作系統(tǒng)是μCLinux，目的是結(jié)合計算機系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使本科生或研究生對基于流水線架構(gòu)的哈佛結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)有實物上的理解，同時開發(fā)一些應(yīng)用工程軟件。

3.2 理論教學

我們在理論和實驗教學方面參考了文獻［4-6］，并且在文獻［7］約定的內(nèi)容教學之上，我們增加了以下教學內(nèi)容:

(1)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)學建模探討;

(2)基于嵌入式系統(tǒng)寄存器級和系統(tǒng)級軟件仿真評測的開發(fā)。

(3)嵌入GPRS和GSM等構(gòu)成移動通信終端，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)檢測，短消息收發(fā)等講解，并增加了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識的串講。

(4)加強了linux操作系統(tǒng)的命令講解、在linux軟件開發(fā)、內(nèi)核調(diào)度算法等方面做到精講精練。

(5)嵌入式多核處理機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹及l(fā)inux多核多線程技術(shù)的講解。

3.3 實驗教學

在文獻［7］約定的實驗教學之上，我們重點對以下幾個方面的實驗進行了加強:

(1)各個API接口函數(shù)的熟悉使用。

(2)基于μCOS/Ⅱ操作系統(tǒng)的音視頻采集播放實驗、基于嵌入式開發(fā)平臺的數(shù)字圖像處理及人臉、指紋識別模塊實驗，Web服務(wù)器實驗等較大適用系統(tǒng)的開發(fā)。

(3)嘗試難度較大硬件擴展模塊實驗例如:語音匹配的無線點菜系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)等。

(4)進一步熟練掌握程序裝載(Bootloader)、內(nèi)核移植和編譯實驗，內(nèi)核、根文件系統(tǒng)燒寫實驗，并對在下載出現(xiàn)的各種故障進行分析并給予解決。

(5)增加嵌入式系統(tǒng)綜合課程設(shè)計，如進行機器人搬運賽課程設(shè)計等。

學生的本門課的成績構(gòu)成為:期末考試(40%)+平時實驗(20%，包括考勤+提問+作業(yè)等)+課程設(shè)計實驗(40%)，從而真正做到了提高學生動手能力成績的比重。

4 實際教學效果

表1給出了我校“嵌入式系統(tǒng)”課程體系建設(shè)前后的比較結(jié)果，并同時達到以下教學效果:

(1)學生不但了解嵌入式計算機系統(tǒng)架構(gòu)，而且可以通過編譯好的程序下載到開發(fā)版，實現(xiàn)脫離PC運行的實際效果。

(2)學生動手能力明顯增強，例如在專業(yè)老師的指導(dǎo)下，我院學生分別在“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽安徽賽區(qū)，“紫光優(yōu)藍”杯2012年安徽省第四屆機器人大賽暨全國機器人邀請賽機器人搬運等大賽中獲獎。

表1 “嵌入式系統(tǒng)”課程建設(shè)前后的比較

5 結(jié)語

5年來的嵌入式系統(tǒng)的教學實踐證明，培養(yǎng)了學生學習、研發(fā)嵌入式系統(tǒng)的主動性，提高了學生解決問題和獨立思考的能力。目前我院嵌入式系統(tǒng)的改革仍然在進行中，例如我院已經(jīng)購買一套與嵌入式系統(tǒng)相融合的基于無線傳感器網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，建立了本科生嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新性實驗室，通過滲透綜合設(shè)計開發(fā)、互動交流、勤于思考，敢于創(chuàng)新等理念來進一步完善和優(yōu)化我院嵌入式系統(tǒng)課程群建設(shè)。

［1］ 張福炎，俞建新.漫談當前的嵌入式系統(tǒng)教學［C］∥全國第五屆嵌入式系統(tǒng)學術(shù)交流會論文集，北京:北航出版社，2004:82-84.

［2］ 何立民.嵌入式系統(tǒng)定義域發(fā)展歷史［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(1):6-8.

［3］ 何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(10):5-7.

［4］ 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā):基于ARM微處理器與μCOS/Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［5］ 李駒光.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解:基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計:第2版［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［6］ 凌明，王學香，鐘銳.電子類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)探索［J］.電氣電子教學學報，2007，29(5):4-6.

［7］ 陳乃金，周鳴爭.“嵌入式系統(tǒng)”課程教學的設(shè)計［J］.合肥學院學報:自然科學版，2008，18(4):82-89.