嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法研究

王一光

摘要：嵌入式系統(tǒng)是各大高校廣泛開設(shè)的一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)課程，該課程對于學(xué)生未來從事嵌入式行業(yè)的職業(yè)發(fā)展非常重要。傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)方法通常把教學(xué)的重點(diǎn)集中在嵌入式操作系統(tǒng)本身，也就是更傾向于軟件層的講解和介紹。而在中間層和硬件層方面涉及的內(nèi)容相對較少，這使得學(xué)生容易在學(xué)習(xí)的過程中脫離實(shí)際并將嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)成一門純粹的理論課或C語言編程課。因此，文章在分析嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出在教學(xué)過程中可以采用軟硬件結(jié)合或理論聯(lián)系實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)方法；軟硬件結(jié)合；理論聯(lián)系實(shí)際

近年來，為了適應(yīng)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)高速發(fā)展的需要，大部分高等院校都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)、嵌入式單片機(jī)或者嵌入式操作系統(tǒng)等課程。開設(shè)此類嵌入式相關(guān)課程的目的主要是使學(xué)生能夠在本科階段對該領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)有一個(gè)預(yù)先的了解，為將來從事該行業(yè)打下良好的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。但隨著嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的開展也逐漸暴露了一些在教學(xué)方法方面存在的問題，比如課程內(nèi)容過于偏重原理介紹，忽視了理論與實(shí)際的結(jié)合、以軟件編程（操作系統(tǒng)方面）作為主導(dǎo)使嵌入式教學(xué)變成了典型的編程語言教學(xué)等。因此，本文在上述問題的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了如下幾個(gè)關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的改進(jìn)方法和措施。

一、注重對于嵌入式系統(tǒng)硬件的講解

眾所周知，嵌入式系統(tǒng)不是一個(gè)簡單的軟件系統(tǒng)或者操作系統(tǒng)，無論是單片機(jī)、DSP還是FPGA等都是嵌入式系統(tǒng)的承載媒體或介質(zhì)。脫離了承載的硬件進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)教學(xué)容易使學(xué)生脫離實(shí)際進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，而且可能使學(xué)生產(chǎn)生諸如“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)就是C語言編程嗎？”“嵌入式系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)有什么區(qū)別？”“嵌入式系統(tǒng)的硬件就是一塊電路板嗎？”等疑問。因此，本課程在教學(xué)過程中應(yīng)有意識地在每堂課中穿插加入關(guān)于嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括GPIO（LED燈、按鍵、PWM）、串行通信接口（RS232、RS485、SPI、I2C）、溫度傳感器、USB、WDG（看門狗）、定時(shí)器、液晶顯示、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、Flash存儲和網(wǎng)絡(luò)通信等功能模塊。學(xué)生可以在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)原理的同時(shí)更清楚、直觀地認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)硬件組成部分及其功能。這樣，一方面對于已經(jīng)完成的如“數(shù)字邏輯電路”“C語言程序設(shè)計(jì)”“模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)”和“單片機(jī)原理”等課程是一種鞏固和加強(qiáng)；另一方面可以使學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生更加真切的認(rèn)識，避免出現(xiàn)“學(xué)完不知道學(xué)的是什么、也不知道用于何處”等諸如此類的問題。

二、在開展嵌入式系統(tǒng)試驗(yàn)的過程中注重各功能模塊的試驗(yàn)教學(xué)

在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的過程中試驗(yàn)環(huán)節(jié)是必不可少的，學(xué)生不僅可以通過試驗(yàn)對所學(xué)的理論知識進(jìn)行鞏固，而且可以將理論知識運(yùn)用到實(shí)際中去，更真切地理解嵌入式系統(tǒng)的原理。但在以往的教學(xué)過程中，試驗(yàn)的重點(diǎn)更側(cè)重于軟件環(huán)境的搭建、開發(fā)板環(huán)境的搭建、應(yīng)用程序的移植、內(nèi)核的裁剪移植和根文件系統(tǒng)的制作等。在實(shí)際中缺乏對前述的GPIO、串行通信接口、溫度傳感器、USB、WDG、定時(shí)器、液晶顯示、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、Flash存儲和網(wǎng)絡(luò)通信等功能模塊進(jìn)行單獨(dú)的、有針對性的試驗(yàn)訓(xùn)練和練習(xí)，而所缺失的功能訓(xùn)練環(huán)節(jié)對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是非常有益的。并且，單個(gè)功能模塊的功能調(diào)試相對于整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試來說相對比較簡單，學(xué)生很容易通過簡單操作看到實(shí)際效果，比如LED小燈閃爍、液晶屏顯示溫度以及與電腦進(jìn)行簡單串行通信等。每實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的功能都會給予學(xué)生新的興趣點(diǎn)，這樣可以在一定程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的積極性和效果。因此，在嵌入式系統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)的過程中，增加一定的針對嵌入式系統(tǒng)硬件功能模塊的試驗(yàn)環(huán)節(jié)對于提高教學(xué)效果和學(xué)生興趣是非常必要的。

三、采用理論授課與實(shí)際操作同時(shí)進(jìn)行的方式

作為一類學(xué)生比較陌生的操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)在學(xué)習(xí)初期上手的難度較大。特別是其采用命令行操作式的交互方式，與傳統(tǒng)的Windows圖形操作方式有較大的差別。全新的用戶、文件系統(tǒng)、進(jìn)程、線程的概念以及網(wǎng)絡(luò)管理、內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、網(wǎng)絡(luò)接口和虛擬文件系統(tǒng)等內(nèi)核相關(guān)內(nèi)容對于大多數(shù)學(xué)生來說理解起來都存在一定的困難。因此，為了實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果，在條件允許的情況下可以選擇在機(jī)房授課的方式，通過多媒體教學(xué)系統(tǒng)和虛擬機(jī)軟件（VMware），在講解的同時(shí)進(jìn)行演示操作并可以隨時(shí)方便快捷地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題。

四、采用課程設(shè)計(jì)的方式使學(xué)生完整地參與一個(gè)嵌入式項(xiàng)目的開發(fā)過程

僅有理論教學(xué)的嵌入式系統(tǒng)課程很難獲得良好的效果。一個(gè)完整的嵌入式項(xiàng)目開發(fā)過程（從設(shè)計(jì)、編程到調(diào)試、實(shí)現(xiàn)的全過程）可以使學(xué)生將之前所學(xué)的相關(guān)知識綜合運(yùn)用、融會貫通。美國加州大學(xué)伯克利分校從事嵌入式系統(tǒng)教學(xué)多年的Edward A. Lee教授認(rèn)為“在六周的嵌入式相關(guān)教學(xué)課程之后，學(xué)生須要利用九周甚至更長的時(shí)間參與一個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，從列表中選擇一個(gè)他們感興趣的項(xiàng)目進(jìn)行研究。而且，在這個(gè)研究過程中對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)的不是講授嵌入式系統(tǒng)課程的教師，而是一些真正從事實(shí)際嵌入式項(xiàng)目的技術(shù)人員”。由此可以看出，歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校在進(jìn)行嵌入式教學(xué)的過程中會利用較長的時(shí)間（嵌入式課程理論教學(xué)時(shí)間的1.5倍）來引導(dǎo)學(xué)生參與完整的嵌入式課程設(shè)計(jì)并接受具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的嵌入式專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)，這對學(xué)生形成完整的知識體系、提高實(shí)際動手能力都是很有幫助的。同時(shí)，可以采用分組的方式使學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，充分培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。因此，我們通過采用更偏重實(shí)際的嵌入式課程設(shè)計(jì)使學(xué)生獲得更多的相關(guān)知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

下面以本人在課程設(shè)計(jì)中采用的嵌入式基站控制系統(tǒng)項(xiàng)目為例進(jìn)行說明：該系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)大量移動通信基站的安保、安防以及遠(yuǎn)距離自動無人值守監(jiān)控功能為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以利用視頻和傳感探測單元等對本地的異常報(bào)警事件進(jìn)行儲存或通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)信息上傳控制中心，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)軟件環(huán)境采用Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬件采用飛思卡爾IMX.53X系列微處理器作為核心控制單元，通過與多通道視頻控制器（TW2835）相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)集視頻監(jiān)控、任務(wù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集為一體的多功能操控平臺。

考慮到培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，此課程設(shè)計(jì)以六人為一個(gè)小組，每個(gè)小組推選一名負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)進(jìn)行分工和協(xié)調(diào)。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)教材的內(nèi)容和教學(xué)大綱的要求，將整個(gè)嵌入式基站控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)分為如下6個(gè)部分：1）人機(jī)界面：通過LED指示燈和音頻對系統(tǒng)的工作狀態(tài)、報(bào)警和故障進(jìn)行指示以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程呼叫、對講功能；2）視頻監(jiān)控：采用420線NTSC制式的CCD球式或槍式攝像機(jī)CATV型視頻接入，將視頻錄像數(shù)據(jù)進(jìn)行本地保存并采用覆蓋方式存儲；3）有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信：通過有線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及指令的交互通信；4）無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信：采用支持CDMA標(biāo)準(zhǔn)的3G通信模塊實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信功能；5）RS-485/RS-232通信：與球式攝像機(jī)的云臺、空調(diào)監(jiān)控模塊和UPS等動力環(huán)境監(jiān)控模塊進(jìn)行通信；6）報(bào)警事件本地存儲：將報(bào)警事件信息及相應(yīng)的視頻錄像數(shù)據(jù)保存在本地的Flash或SD卡中，隨時(shí)可以遠(yuǎn)程對本地存儲的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

五、采用多種方式對學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià)

與傳統(tǒng)的理論教學(xué)為主的專業(yè)課程不同，嵌入式系統(tǒng)課程本身更偏重于實(shí)踐操作。因此，采用傳統(tǒng)的期末“一張考卷”的成績評定方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和能力進(jìn)行評價(jià)并不盡合理，同時(shí)也容易影響學(xué)生參與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)、試驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的積極性。因此，可以考慮適當(dāng)降低理論部分在學(xué)生嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)成績中的比重，甚至可以考慮取消理論考試，取而代之以試驗(yàn)考試或者課程設(shè)計(jì)的表現(xiàn)作為決定學(xué)生期末成績的主要依據(jù)。比如，可以將最終評定方式的比例選擇為理論考試占20%、試驗(yàn)成績占40%、課程設(shè)計(jì)成績占40%。當(dāng)然，也可以對上述比例進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，但主要的原則應(yīng)該是鼓勵(lì)學(xué)生主動地提高自身的動手和試驗(yàn)操作能力，使其在畢業(yè)后能夠較快地融入到嵌入式領(lǐng)域的工作中。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀丹丹，張帆，劉峰.嵌入式 Linux 系統(tǒng)開發(fā)教程[M].清華大學(xué)出版社， 2010.

[2]楊霞.嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程教學(xué)研究與實(shí)踐 [J].計(jì)算機(jī)教育， 2008， 5： 71-74.

[3]Lee E A， Seshia S A， Jensen J C. Teaching embedded systems the Berkeley way[C].Proceedings of the Workshop on Embedded and Cyber-Physical Systems Education. ACM， 2012： 1.