應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革方案研究

俞翔 楊慶 曹欲曉 錢瑛

摘 要 根據(jù)應(yīng)用型本科院校產(chǎn)教融合的教育方針和計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩方面探討嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革方案。本方案主張理論推動(dòng)實(shí)踐，實(shí)踐檢驗(yàn)理論，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法將實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)融入課堂，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的興趣，鼓勵(lì)學(xué)生參與各層次嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽，培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)專業(yè)；嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0090-03

1 引言

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，對功能可靠性成本體積和功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器、智能家電、通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品中有了非常廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(yù)見的是，不遠(yuǎn)的將來，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)還將在人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域大放異彩。受行業(yè)需求的帶動(dòng)，優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件研發(fā)人才是目前社會(huì)較為緊缺的資源。因此，“嵌入式”培養(yǎng)方向正成為國內(nèi)高校電子信息工程、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)。

不同高校和專業(yè)對“嵌入式”培養(yǎng)方案的側(cè)重點(diǎn)不盡相同。南京工程學(xué)院立足于學(xué)以致用，該院計(jì)算機(jī)工程系自2013年面向本科階段，在多個(gè)計(jì)算機(jī)類專業(yè)中設(shè)立“嵌入式”培養(yǎng)方向，在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)與研究方面進(jìn)行較為深入的實(shí)踐與探索，獲得一些有益經(jīng)驗(yàn)。但嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異，教學(xué)實(shí)踐中除了要引導(dǎo)學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識和系統(tǒng)開發(fā)的基本方法，更重要的是要讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和相關(guān)知識技術(shù)的迭代途徑[2]。

本文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)三個(gè)角度，分析和討論嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)改進(jìn)方案，提出以真實(shí)的企業(yè)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的課程設(shè)計(jì)方法，從實(shí)際出發(fā)，讓學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高授課效率。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要可以包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，選取的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該符合本科階段的學(xué)習(xí)難度、課程學(xué)時(shí)以及可操作性。下面將分硬件和軟件兩部分討論嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的編排。

嵌入式系統(tǒng)硬件教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件主要包括微處理器和外設(shè)等基本系統(tǒng)構(gòu)架，這部分內(nèi)容也正是這門課的起點(diǎn)。注重入門引導(dǎo)的作用，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。基于此，筆者會(huì)在這門課的開端給學(xué)生展示一些自制系統(tǒng)的硬件，再分塊結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的硬件構(gòu)架一一講解，如圖1所示。結(jié)合實(shí)物分析理論，大多數(shù)學(xué)生能夠較快進(jìn)入創(chuàng)設(shè)的課堂情境中。微處理器是硬件部分的核心，其構(gòu)架較為復(fù)雜和抽象。在講述這部分內(nèi)容的時(shí)候，筆者注意與學(xué)生已建立的知識體系（即51單片機(jī)和計(jì)算機(jī)組成原理）相結(jié)合，通過比較嵌入式微處理器與它們的共通之處，幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)思路，同時(shí)也體現(xiàn)出嵌入式微處理器架構(gòu)的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)處理器在各應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用中沒有“最好”，只有“最合適”。這里還可以根據(jù)學(xué)生的興趣穿插一些處理器選型的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生處理實(shí)際工程問題的能力。

嵌入式系統(tǒng)的外設(shè)和外圍電路，主要包括存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、電路數(shù)據(jù)端口、復(fù)位電路和電源等，重點(diǎn)介紹能夠支撐系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行的最小系統(tǒng)概念。除了告訴學(xué)生最小系統(tǒng)的組成單元，還可以從人的生理角度解釋為什么嵌入式最小系統(tǒng)需要由這幾個(gè)單元組成。比如一個(gè)系統(tǒng)要想正常運(yùn)行，除了要有微處理器（大腦），還必須具備時(shí)鐘電路（心跳）和電源電路（血壓）等。外圍電路的教學(xué)內(nèi)容方面，重點(diǎn)放在電源、存儲(chǔ)器、GPIO和串行通信接口等部分。

在分模塊介紹硬件之初，就要通過一些案例向?qū)W生強(qiáng)調(diào)電源電路在系統(tǒng)中的重要性——好的電源電路就是好系統(tǒng)的一半。通過講解電源的性能指標(biāo)和典型電源模塊，讓學(xué)生明白如何根據(jù)需求設(shè)計(jì)電源電路；通過分析不同類型存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，告訴學(xué)生在項(xiàng)目中如何配置和擴(kuò)展存儲(chǔ)資源；通過講解GPIO的復(fù)用功能，讓學(xué)生直接體會(huì)“軟件”到“硬件”的距離，消除計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生對硬件的排斥，也為后續(xù)軟件驅(qū)動(dòng)的教學(xué)打下基礎(chǔ)；串行通信接口的內(nèi)容，通過對UART、IIC、SPI這三種較為經(jīng)典和常用的串行總線電氣規(guī)范及協(xié)議的講解，讓學(xué)生對設(shè)備通信的硬件基礎(chǔ)有較透徹的了解。針對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生硬件基礎(chǔ)較為薄弱的特點(diǎn)，在介紹外圍電路的理論基礎(chǔ)上，還要補(bǔ)充嵌入式系統(tǒng)實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的電路問題，并讓學(xué)生用理論知識判斷問題的成因。

嵌入式課程軟件設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的選取 在修嵌入式系統(tǒng)課程之前，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)建立了較好的軟件開發(fā)基礎(chǔ)，具備了C、C++和Java等高級語言的編程基礎(chǔ)。因此，嵌入式課程軟件設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該把重心放在嵌入式軟件層次性、匯編語言和驅(qū)動(dòng)程序編寫方面。另外，可以適當(dāng)介紹一些典型的嵌入式操作系統(tǒng)。

授課時(shí)需要向?qū)W生講授各軟件層的功能與特點(diǎn)，通過實(shí)例講解讓學(xué)生認(rèn)識到操作系統(tǒng)并不是嵌入式軟件體系中的必需層次，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)對軟件設(shè)計(jì)分層和分塊。重視嵌入式匯編語言的教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)匯編語言在執(zhí)行效率和時(shí)序性方面具有不可取代的優(yōu)勢。在驅(qū)動(dòng)程序編寫教學(xué)內(nèi)容方面，通過一些驅(qū)動(dòng)小例程，讓學(xué)生建立起通過“軟件”控制“硬件”的概念，如在課堂上給學(xué)生演示通過對GPIO相關(guān)寄存器進(jìn)行配置并控制I/O口點(diǎn)亮、熄滅LED的例程。必要的情況下，根據(jù)學(xué)情加入一些先導(dǎo)課程如數(shù)字邏輯、51單片機(jī)的復(fù)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解嵌入式驅(qū)動(dòng)程序與硬件的關(guān)聯(lián)性。

嵌入式操作系統(tǒng)方面，應(yīng)向?qū)W生介紹幾種主流的嵌入式操作系統(tǒng)，讓學(xué)生對商用和開源嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展概況和各自特點(diǎn)有一定了解。最后可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)文檔自學(xué)Keil-MDK集成開發(fā)環(huán)境下自帶的RTX操作系統(tǒng)，體會(huì)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行帶來的高效率，讓學(xué)生體驗(yàn)任務(wù)輪詢方式和并行執(zhí)行方式編程思路的區(qū)別，也為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。

3 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)化

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)方式要體現(xiàn)溫故知新和學(xué)以致用。任課教師在充分理解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，合理安排授課內(nèi)容的次序，根據(jù)學(xué)情適時(shí)復(fù)習(xí)一些先導(dǎo)課程的內(nèi)容，如C語言、51單片機(jī)、數(shù)字邏輯等。緊密結(jié)合就業(yè)市場需求和實(shí)際項(xiàng)目的教學(xué)方式，帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。

嵌入式課程硬件教學(xué)方式改革 在嵌入式硬件設(shè)計(jì)教學(xué)中，筆者首先向?qū)W生介紹一塊自制的無人機(jī)飛行器控制器（飛控），如圖2所示。該飛控采用STM32 F4系列處理器，內(nèi)置FPU具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，飛控上還集成了微型電源模塊、三色LED、氣壓計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)、羅盤、NAND-Flash和Wi-Fi等外設(shè)，同時(shí)可以通過豐富的通信接口外擴(kuò)設(shè)備。展示該飛控能夠讓學(xué)生直觀地認(rèn)識嵌入式系統(tǒng)的硬件組成，若學(xué)生對系統(tǒng)硬件的制作過程感興趣，也可以引入硬件設(shè)計(jì)的基本流程以及教師的一些感悟。隨后可以結(jié)合授課內(nèi)容在不同階段對飛控板上的模塊做單獨(dú)講解。比如在講到UART時(shí)可以加入GPS模塊，演示該模塊如何通過UART接口與飛控主板通信等。運(yùn)用該教學(xué)方式，學(xué)生的積極性被充分調(diào)動(dòng)，提問次數(shù)也較多。任課教師應(yīng)該牢牢抓住學(xué)生關(guān)注的問題，結(jié)合實(shí)例，自然地引導(dǎo)學(xué)生理解理論知識[3]。

嵌入式課程軟件教學(xué)方式優(yōu)化 嵌入式軟件教學(xué)方式要抓住以應(yīng)用需求為主導(dǎo)，軟件需求服從應(yīng)用需求的主線。通過對多個(gè)典型的實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用需求進(jìn)行分析，讓學(xué)生明白雖然項(xiàng)目的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)功能大相徑庭，但是軟件層次的概念必須十分清晰；也要讓學(xué)生明白操作系統(tǒng)并不是必選項(xiàng)，在某些需求下，一個(gè)軟件架構(gòu)高度優(yōu)化的程序執(zhí)行效率比優(yōu)秀的操作系統(tǒng)還要高。而講解操作系統(tǒng)部分的內(nèi)容時(shí)，建議采用簡單易用的操作系統(tǒng)[4]，如RTX、μc/OSⅡ等，重點(diǎn)讓學(xué)生體會(huì)任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)間的通信、任務(wù)的切換以及中斷機(jī)制在操作系統(tǒng)中的作用。

4 嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)化

實(shí)踐教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生從理論知識向工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)[5]，學(xué)生需要通過此環(huán)節(jié)驗(yàn)證自身對理論知識的理解是否存在偏差，從實(shí)踐中找到問題，再對理論知識反芻，加深理解。另外，實(shí)踐環(huán)節(jié)旨在訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力和解決工程問題的能力[6]。

嵌入式實(shí)踐教學(xué)需要向?qū)W生詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和電路原理，在此基礎(chǔ)上介紹軟件集成開發(fā)環(huán)境，并以一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。教師在學(xué)生熟悉開發(fā)流程后，應(yīng)逐漸增加實(shí)驗(yàn)的難度，當(dāng)他們做出正確的階段性實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，要給予鼓勵(lì)并提出進(jìn)一步的需求；當(dāng)學(xué)生在調(diào)試過程中遇到困難時(shí)，要給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和提示，而不是直接告訴答案。對于學(xué)有余力的學(xué)生，應(yīng)該鼓勵(lì)在已有實(shí)踐基礎(chǔ)上開發(fā)一些小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一些具有簡單功能的電子設(shè)備。在這過程中培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。

此外，在嵌入式實(shí)踐課程結(jié)束后，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參加各個(gè)層次的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力和分工合作能力，為提高學(xué)生的就業(yè)質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文針對嵌入式系統(tǒng)理論和實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式兩方面探索教學(xué)的有效途徑。結(jié)合實(shí)際企業(yè)項(xiàng)目的需求，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，增強(qiáng)了學(xué)生的軟、硬件設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)了學(xué)生研發(fā)小型系統(tǒng)的能力。通過鼓勵(lì)學(xué)生參加各層次的科技競賽，鍛煉了學(xué)生的綜合素質(zhì)，為高質(zhì)量就業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

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