計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)探討

錢誠(chéng)?彭馨馨

摘要：為了培養(yǎng)高質(zhì)量的嵌入式工程師，針對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，從課程體系結(jié)構(gòu)、課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面介紹了嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)思路及實(shí)際教學(xué)方法，提出了理論講授與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。實(shí)踐表明，嵌入式系統(tǒng)課程有效地提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，拓寬了學(xué)生的就業(yè)面。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)方法；驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

作者簡(jiǎn)介：錢誠(chéng)（1981-），男，江蘇常州人，常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，講師；彭馨馨（1980-），女，江蘇常州人，江蘇理工學(xué)院商學(xué)院，講師。（江蘇 常州 213002）

基金項(xiàng)目：本文系常州工學(xué)院自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YN 1204）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0144-02

隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備、人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用普及，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的需求也隨之越來越大，具備嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技能的人才也因此受到了廣泛的青睞。為了滿足企業(yè)對(duì)高質(zhì)量嵌入式工程師的需求，在高等學(xué)校開設(shè)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程變得十分必要，其對(duì)于促進(jìn)嵌入式工程師的成長(zhǎng)也有著深遠(yuǎn)的意義。

嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上是一種軟硬件高度集成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其具有軟硬件可裁剪、低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。相比于計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的其他專業(yè)課程，嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容涉及軟硬件的知識(shí)較多，對(duì)于學(xué)生前期的知識(shí)儲(chǔ)備有著較高的要求，入門難度相對(duì)較大，這些都加大了學(xué)習(xí)的難度。[1]此外，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，傳統(tǒng)的教學(xué)更加注重于理論知識(shí)的講授，實(shí)踐環(huán)節(jié)的課時(shí)較少，這容易使學(xué)生喪失興趣，導(dǎo)致授課效果差。

在嵌入式課程中，針對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)的特點(diǎn)，[2]設(shè)置合理的教學(xué)目標(biāo)，調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，充分挖掘?qū)W生的自主學(xué)習(xí)能力，使得學(xué)生能夠真正掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技能，是該課程所期望達(dá)到的效果。圍繞這一教學(xué)目的，在課程設(shè)置上，重視嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)性理論的學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作能力及解決工程問題能力的培養(yǎng)，[3]尤其注重實(shí)驗(yàn)中嵌入式系統(tǒng)各硬件工作原理的驗(yàn)證以及在此基礎(chǔ)上的開發(fā)實(shí)踐活動(dòng)。[4]兼顧到嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)以及學(xué)生的知識(shí)接受能力，整個(gè)課程選擇了以ARM Cortex-M3為核心的STM32F103XX嵌入式芯片作為教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)。

一、課程體系結(jié)構(gòu)

課程的具體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生能夠熟練使用嵌入式開發(fā)工具及已有的基礎(chǔ)固件庫(kù)完成驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件的開發(fā)，在硬件電路設(shè)計(jì)方面并不做過多要求。該目標(biāo)的設(shè)置可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)學(xué)生軟件開發(fā)能力相對(duì)較強(qiáng)的特點(diǎn)，而降低由于電子電路背景知識(shí)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱所帶來的知識(shí)理解困難，這也使得學(xué)生不會(huì)因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)硬件的復(fù)雜性而在學(xué)習(xí)上產(chǎn)生退縮情緒，反而因?yàn)樽陨硭邆涞某绦蚓幹颇芰Φ靡钥焖偃腴T，并產(chǎn)生更多的興趣驅(qū)動(dòng)其深入到嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中。

在教學(xué)內(nèi)容的組織上，根據(jù)設(shè)置的課程目的，將課程知識(shí)體系劃分為三個(gè)有機(jī)組成部分。第一部分，嵌入式系統(tǒng)的總體體系結(jié)構(gòu)；第二部分，嵌入式系統(tǒng)的指令系統(tǒng)；第三部分，嵌入式系統(tǒng)外圍核心模塊的工作原理。第一部分是對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的總覽，該部分內(nèi)容具有一定的抽象性，并不是某特定嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體化，因而更具有普遍性。第二部分主要圍繞ARM指令集及Thumb指令集進(jìn)行介紹，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)則更偏重于C語言在ARM內(nèi)核上的編程。第三部分側(cè)重于外圍核心模塊，結(jié)合各功能模塊的工作原理和對(duì)應(yīng)固件庫(kù)中函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，使工作原理的講解變得直觀，容易被學(xué)生接受。這三部分并不孤立，第一部分更多地闡述了嵌入式系統(tǒng)的硬件載體，而第二部分則主要闡述了嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，第三部分則是軟硬件的綜合，其依賴于前兩個(gè)部分的知識(shí)基礎(chǔ)。

在授課的模式上，采用了課堂講授與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式。課堂講授部分主要涉及嵌入式系統(tǒng)微處理器、存儲(chǔ)器及時(shí)鐘電路等內(nèi)容的介紹，隨后則是各功能模塊工作原理的介紹。在講授過程中，首先給出概要性的介紹，使得學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí)，其次對(duì)于重點(diǎn)、難點(diǎn)部分，使用演示法，運(yùn)行一些小程序，通過對(duì)比運(yùn)行結(jié)果，使得學(xué)生能夠正確理解各工作原理。在設(shè)計(jì)這些小程序的過程中，只對(duì)部分能夠說明工作原理的部分進(jìn)行修改，其他大部分都相同，通過演示講解，形成更為直觀的認(rèn)識(shí)。最后在實(shí)驗(yàn)部分，圍繞外圍模塊設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)，難度為一階梯遞增的過程，使得學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。

二、課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)的過程中，注重對(duì)ARM的軟硬件總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。按照嵌入式系統(tǒng)的縱向結(jié)構(gòu)，將嵌入式系統(tǒng)分為硬件層、中間層、系統(tǒng)層及應(yīng)用軟件層，層次性的介紹使得學(xué)生能夠快速建立起ARM嵌入式系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的概念。

硬件層，圍繞著嵌入式系統(tǒng)低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷與思路，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的時(shí)鐘電路，注意高速內(nèi)部時(shí)鐘、高速外部時(shí)鐘、低速內(nèi)部時(shí)鐘和低速外部時(shí)鐘獲取方法之間差異性的比較。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)保證系統(tǒng)效率的核心機(jī)制——中斷機(jī)制，課程中引入了STM32F103XX芯片的中斷系統(tǒng)作為具體的中斷實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹，由其典型的7類中斷類型延伸到其他ARM系統(tǒng)的中斷實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)器的講解則偏重于存儲(chǔ)器的分區(qū)及地址重映射的概念。對(duì)于基本硬件構(gòu)成的講解不只是停留在每個(gè)硬件的簡(jiǎn)單介紹上，而是通過數(shù)據(jù)流、指令流的傳遞闡述這些硬件的協(xié)同工作機(jī)理。

在中間層，外圍模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)是該課程教學(xué)的重點(diǎn)，內(nèi)容包括通用輸入輸出引腳（GPIO）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊、外部中斷（EXTI）模塊、定時(shí)器模塊、串口通信（USART）模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）模塊及看門狗模塊等。這些模塊的驅(qū)動(dòng)程序更加貼近于底層硬件，因此相關(guān)理論的介紹是必不可少的。參考當(dāng)前工業(yè)界一些優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)程序，通過挖掘程序片段供學(xué)生閱讀，使得學(xué)生對(duì)這些外圍模塊的理解不僅僅停留在抽象的原理性認(rèn)識(shí)上，能夠更多地從實(shí)例程序中理解驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法及思路。為了讓學(xué)生更好地理解各模塊的基本工作原理，示例小程序的運(yùn)行效果可以提供一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)手段。在設(shè)計(jì)這些示例程序時(shí)，突出寄存器的配置參數(shù)對(duì)程序運(yùn)行結(jié)果的影響。例如，在定時(shí)器的配置過程中，通過修改分頻系數(shù)及計(jì)數(shù)模式，可以產(chǎn)生不同時(shí)長(zhǎng)的定時(shí)效果，學(xué)生可以很直接地發(fā)現(xiàn)結(jié)果的差異性。

作為源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)具有內(nèi)核小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在系統(tǒng)層，將μC/OS-Ⅱ作為一款典型的嵌入式操作系統(tǒng)，講解內(nèi)核結(jié)構(gòu)——任務(wù)調(diào)度、任務(wù)的互斥和同步、任務(wù)間的通信等，并在這一過程中穿插其他嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)方式，如Linux、vxWorks等相關(guān)知識(shí)，使得學(xué)生能夠觸類旁通，知識(shí)面也不局限于μC/OS-Ⅱ?？紤]到計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)學(xué)生已有的操作系統(tǒng)知識(shí)，在這一塊內(nèi)容的教學(xué)上，并不展開每一個(gè)內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，課后通過一些作業(yè)讓學(xué)生有意識(shí)地利用已有操作系統(tǒng)知識(shí)來擴(kuò)展、自學(xué)嵌入式操作系統(tǒng)。

對(duì)于應(yīng)用層的介紹，則給出多個(gè)工程實(shí)例，剖析部分程序文件，以此向?qū)W生展示在嵌入式系統(tǒng)上如何開發(fā)應(yīng)用程序。在工程實(shí)例的選擇上，綜合考慮實(shí)用性及學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，設(shè)計(jì)了“基于STM32F103XX的手持電子相冊(cè)設(shè)計(jì)與開發(fā)”和“嵌入式系統(tǒng)上人機(jī)友好交互界面的設(shè)計(jì)與開發(fā)”等實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生掌握外圍功能模塊的組合應(yīng)用。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用知識(shí)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，根據(jù)程序開發(fā)的難易程序，將實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握軟件編制技巧。

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)合理的范例程序，并通過在實(shí)驗(yàn)課上程序設(shè)計(jì)思路的講解，幫助學(xué)生理清程序的流程與框架。對(duì)于該類范例程序，一般設(shè)置2個(gè)目標(biāo)：第一，要求在范例程序上通過修改參數(shù)，觀察在不同參數(shù)下嵌入式系統(tǒng)的輸出表現(xiàn)。第二，按照嵌入式系統(tǒng)的功能要求，補(bǔ)充完整范例程序。為了達(dá)到這些實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，讓學(xué)生從硬件接線圖著手，在掌握輸入輸出信號(hào)流以后，進(jìn)一步理解范例程序的功能實(shí)現(xiàn)過程。如在流水燈實(shí)驗(yàn)中，在確定外部三個(gè)LED燈的灌電流驅(qū)動(dòng)方式，讓學(xué)生通過設(shè)置對(duì)應(yīng)端口的高低電平來控制LED的點(diǎn)亮與熄滅。在給出的范例程序中，程序的調(diào)用過程標(biāo)定清楚，學(xué)生只需填充函數(shù)，完成GPIO時(shí)鐘的配置，設(shè)定引腳號(hào)、引腳傳遞速度和引腳工作模式等參數(shù)，從而達(dá)到循環(huán)控制LED燈的目的。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生快速了解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，幫助學(xué)生建立起嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的信心，為后續(xù)獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)在學(xué)生具備初步的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力的基礎(chǔ)上，采用探究式教學(xué)法，給定功能目標(biāo)，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案并編制軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在這一過程中，學(xué)生需要運(yùn)用軟件工程思想，編寫概要設(shè)計(jì)文檔與詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔，給出模塊劃分結(jié)果及部分關(guān)鍵函數(shù)的流程圖作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的必要組成部分。在編制軟件時(shí)，由于涉及一些固件庫(kù)的使用，要求學(xué)生查閱開發(fā)手冊(cè)掌握必要的庫(kù)函數(shù)來完成實(shí)驗(yàn)。為了讓學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都在課程講授的范圍內(nèi)，只涉及多個(gè)外圍核心模塊的協(xié)調(diào)工作，學(xué)生在掌握工作原理的基礎(chǔ)上可以較為順利地完成方案的設(shè)計(jì)與軟件的編制。

四、考核方法

考慮到嵌入式系統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)更加偏重于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，因此在考核的內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)。在期末成績(jī)的綜合評(píng)定上，平時(shí)課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況占10%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占30%，期末理論考試占60%。通過這一考核方案，在促使學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到具體的實(shí)驗(yàn)操作上，使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生將嵌入式系統(tǒng)知識(shí)內(nèi)化到自身的知識(shí)體系中。

五、結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)課程是一門具有較強(qiáng)實(shí)踐性的課程，為了使學(xué)生系統(tǒng)性地掌握嵌入式系統(tǒng)，在課堂授課過程中采用演示法加深學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解，另外，設(shè)計(jì)難度遞增的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使得學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。通過一系列課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革，建立一個(gè)較為完善的課程體系，更好地促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在實(shí)際的教學(xué)中取得了較為明顯的教學(xué)效果，有效地拓寬了計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)學(xué)生的就業(yè)面。

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（責(zé)任編輯：王意琴）