“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究①

[摘 要] 傳統(tǒng)的“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，偏驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)過程等缺點(diǎn)。通過采用項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革研究，通過合理構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)微小項(xiàng)目，采用實(shí)驗(yàn)教師逐步引導(dǎo)的教學(xué)方式，將課程內(nèi)容和知識(shí)體系以項(xiàng)目的形式融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生思考問題、解決問題的主動(dòng)性。項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和水平方面發(fā)揮了更加突出的作用。

[關(guān) 鍵 詞] 項(xiàng)目引導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2016）17-0006-02

“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程是電子信息、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、通信工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)課。主要基于嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)，介紹嵌入式系統(tǒng)的基本原理和基本設(shè)計(jì)方法，為深入開展嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)奠定良好的基礎(chǔ)。

課程一般通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，其中理論教學(xué)32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16學(xué)時(shí)。課程所涉及知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容較多，而且比較繁雜。如何利用較少的學(xué)時(shí)對(duì)課程教學(xué)的內(nèi)容系統(tǒng)化、條理化，特別是如何充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)理論知識(shí)的應(yīng)用，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力顯得尤為重要。

一、“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

（一）學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多

實(shí)驗(yàn)課程不同于課程設(shè)計(jì)，要在僅僅16個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的學(xué)習(xí)與使用、嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、嵌入式操作系統(tǒng)的移植和嵌入式操作系統(tǒng)的移植的應(yīng)用等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合，利用較少的學(xué)時(shí)，達(dá)到最好的效果，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

（二）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主

很多高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是購(gòu)置配套的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，廠家提供所有實(shí)驗(yàn)的源代碼。一般學(xué)生直接依照源代碼進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試，有的甚至直接將源代碼拿過來編譯、下載到實(shí)驗(yàn)箱，查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這無形中將原本的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)變成了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)過程很難深入理解和領(lǐng)會(huì)，實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

（三）缺乏硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)過程

因?qū)嶒?yàn)采用現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，整個(gè)硬件平臺(tái)已經(jīng)由生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)、制作完成，在嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程中，缺乏硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)過程，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，無法將程序設(shè)計(jì)與硬件平臺(tái)結(jié)合起來，使得理論學(xué)習(xí)變得抽象難懂，學(xué)生很難將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，也不利于提高和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就是充分利用有限的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)，構(gòu)建若干典型實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)是以微小型項(xiàng)目的形式呈現(xiàn)，并將嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用各主要知識(shí)點(diǎn)連接在一起，在已有硬件平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)例程的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，逐步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新的項(xiàng)目功能。

項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)的任務(wù)要求應(yīng)該比課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求簡(jiǎn)單，但需要考慮課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，將整個(gè)課程的內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)融入一個(gè)或者幾個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，利用較少的學(xué)時(shí)，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

三、項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

我院使用博創(chuàng)公司的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)設(shè)備，硬件平臺(tái)含有三星公司的S3C44BOX與ZLG7289接口，外擴(kuò)8位LED數(shù)碼管和17按鍵通用鍵盤等硬件資源。下面就以設(shè)計(jì)基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的鍵盤和LED數(shù)碼管控制項(xiàng)目為例，介紹項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的構(gòu)建。

（一）項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求

1.熟悉ZLG7289芯片原理、與ARM7的硬件接口及硬件原理圖。

2.各功能按鍵的設(shè)計(jì)以及數(shù)碼管顯示控制。數(shù)碼管及按鍵結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

功能要求：

“↑”：加一鍵。0到9循環(huán)加一。

“↓”：減一鍵。9到0循環(huán)減一。

“←”：左移鍵?？刂茢?shù)碼管閃亮的數(shù)據(jù)位左移一位，并加減可調(diào)，原設(shè)定的低位數(shù)據(jù)不變，移到最左端后，再按此按鍵，仍然為最左端數(shù)碼管閃爍可調(diào)。

“→”：右移鍵?？刂频臄?shù)碼管閃亮的數(shù)據(jù)位右移一位，并加減可調(diào)，原來閃亮的高位清零且不顯示，移到最右端后，再按此按鍵，仍然為右端數(shù)碼管閃爍可調(diào)。

“SET”：設(shè)置鍵。按下后，加、減、左移、右移控制按鍵起作用，亮著的最高位閃爍、可調(diào)；

“OK”：確定鍵。按下后，原來閃爍的位停止閃爍，且加、減、左移、右移控制按鍵不再起作用，原已設(shè)置的各位數(shù)據(jù)有效，保存到一個(gè)變量中，并通過串口將數(shù)據(jù)輸出到PC機(jī)。

（3）μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植到ARM7。

（4）鍵盤和LED數(shù)碼管控制功能作為μC/OS-II的任務(wù)運(yùn)行。同時(shí)將“SET”和“OK”按鍵功能的實(shí)現(xiàn)由條件控制調(diào)整為信號(hào)量控制。

（二）項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)實(shí)施

1.利用理論課堂教學(xué)2學(xué)時(shí)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)1學(xué)時(shí)的時(shí)間，給學(xué)生講解ZLG7289芯片原理、指令以及編程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件原理圖，講解與ARM7的硬件接口、按鍵的物理地址、鍵盤映射表、鍵值等內(nèi)容，為下一步按鍵及數(shù)碼管功能控制實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，彌補(bǔ)缺乏硬件接口設(shè)計(jì)的不足。

2.采用逐步引導(dǎo)式、模塊化的程序設(shè)計(jì)。將鍵盤和LED數(shù)碼管控制程序按照功能分成不同模塊，如圖2所示。

項(xiàng)目中各模塊的提出只做功能上的要求，功能實(shí)現(xiàn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，引導(dǎo)學(xué)生逐步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能。為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的能力，在項(xiàng)目功能引導(dǎo)時(shí)，不僅不限定具體算法，而且鼓勵(lì)同一功能的多種算法的討論和實(shí)現(xiàn)。對(duì)所出現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立去思考、解決。

3.通過理論課講解μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植的條件以及在ARM處理器上的移植，并通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)1學(xué)時(shí)，使學(xué)生掌握μC/OS-II移植的程序結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)在S3C44BOX處理器上的移植。

4.在完成μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植以及系統(tǒng)學(xué)習(xí)μC/OS-II任務(wù)、調(diào)度、信號(hào)量等理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完成μC/OS-II任務(wù)的創(chuàng)建和管理，掌握信號(hào)量的使用，并結(jié)合已完成的鍵盤和LED數(shù)碼管控制，將其作為μC/OS-II的任務(wù)運(yùn)行起來，并利用信號(hào)量，實(shí)現(xiàn)“SET”和“OK”按鍵的功能，使學(xué)生更深入地理解嵌入式操作系統(tǒng)。

5.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)收，采用現(xiàn)場(chǎng)演示和現(xiàn)場(chǎng)提問相結(jié)合的方式進(jìn)行考核，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成對(duì)項(xiàng)目的總結(jié)，并討論實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決措施，同時(shí)對(duì)項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)提出好的建議和意見。

四、項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配

表中前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要在于學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，熟悉整個(gè)硬件開發(fā)平臺(tái)。這部分內(nèi)容雖然也可以結(jié)合到項(xiàng)目引導(dǎo)式試驗(yàn)中去，但效果不如單獨(dú)分立出來明顯，因此單獨(dú)拿出了這4個(gè)學(xué)時(shí)。第三和第四個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，但構(gòu)成了同一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的微小項(xiàng)目。

這里只是以“鍵盤和LED數(shù)碼管控制”為例。另外可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，構(gòu)建“基于ARM的多通道儀表信號(hào)采集”“面向游戲圖形界面的LCD控制與應(yīng)用”等多個(gè)項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)條件和師資允許的情況下，多個(gè)項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)可以分組并行開展。

嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)將工程實(shí)踐引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使抽象的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。很多學(xué)生對(duì)項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容感到非常的有趣，并且對(duì)通過自己的努力得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常的有成就感。這些大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生思考問題、解決問題的主動(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力。

項(xiàng)目引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，將嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用課程的知識(shí)點(diǎn)以項(xiàng)目的形式提出，由實(shí)驗(yàn)教師引導(dǎo)學(xué)生逐步深入，在努力提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和水平方面發(fā)揮更加突出的作用。

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