面向新工科的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)體系設(shè)計(jì)

王建萍

摘要：嵌入式工程師在創(chuàng)新中扮演著重要的角色，其人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新是新工科建設(shè)的重要任務(wù)。嵌入式工程師的能力結(jié)構(gòu)可以劃分為硬件能力、軟件能力、調(diào)試能力和學(xué)習(xí)能力，采用一個(gè)以工程實(shí)踐項(xiàng)目為主線的、串聯(lián)本科相關(guān)課程學(xué)習(xí)的集成化課程體系，可以培養(yǎng)出具備工程應(yīng)用能力和持續(xù)創(chuàng)新能力的嵌入式工程人才。

關(guān)鍵詞：新工科;嵌入式;工程人才;教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0264-02

一、引言

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”，旨在形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地。新工科建設(shè)的重點(diǎn)是探索工程教育的新模式，建立全面融入工程環(huán)境的課程體系，目標(biāo)是讓全體畢業(yè)生在知識(shí)、能力和個(gè)人素質(zhì)等方面滿足工程創(chuàng)新的要求。

二、嵌入式工程人才應(yīng)具備的知識(shí)和能力

嵌入式工程師的主要工作是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，包括硬件系統(tǒng)的建立和相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)、移植、調(diào)試等工作。一般可以分為嵌入式硬件工程師、嵌入式底層驅(qū)動(dòng)工程師和嵌入式應(yīng)用軟件工程師。硬件工程師負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試，包括外圍電路芯片的選擇、接口電路的設(shè)計(jì)、板級(jí)的測(cè)試（需要自己寫程序測(cè)試硬件的基本功能）。硬件工程師需要掌握模擬和數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)原理和接口技術(shù)和底層程序設(shè)計(jì)知識(shí)，具備數(shù)?；旌嫌布娐泛蛿?shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力以及設(shè)計(jì)底層程序測(cè)試硬件系統(tǒng)的能力。底層驅(qū)動(dòng)工程師負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)與硬件關(guān)系最密切的底層軟件和初級(jí)的硬件驅(qū)動(dòng)程序，需要具備數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)原理和接口技術(shù)、操作系統(tǒng)原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法方面的基礎(chǔ)知識(shí)，要求能看懂嵌入式系統(tǒng)的電路原理圖，熟悉處理器的體系架構(gòu)，熟悉各種通訊協(xié)議，能設(shè)計(jì)和調(diào)試底層的驅(qū)動(dòng)程序，能根據(jù)需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行移植和裁剪。應(yīng)用軟件工程師負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的各種功能。嵌入式應(yīng)用軟件工程師需要掌握的知識(shí)有C/C++語(yǔ)言、操作系統(tǒng)原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法。

從上面的分析可以看出，嵌入式工程師的知識(shí)結(jié)構(gòu)可以用一個(gè)三層結(jié)構(gòu)來(lái)描述，其中C程序設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)原理是兩塊重要的支撐構(gòu)件，電路、電子技術(shù)和數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)是這個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的基石，而操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是上層建筑。

上述分析還表明，實(shí)際研發(fā)工作對(duì)于嵌入式硬件工程師和嵌入式軟件工程師的能力需求相差很大，而對(duì)于在校的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，過(guò)早地確定硬件或者軟件方向是不現(xiàn)實(shí)的，也是不合理的。

三、目前嵌入式工程人才培養(yǎng)體系存在的問(wèn)題

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是工科學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)底層硬件的第一門課程。這門課以Intel 8086CPU為主線，系統(tǒng)講述微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、工作原理、指令系統(tǒng)及匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)、硬件接口技術(shù)、總線技術(shù)、PC的軟件體系以及PC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例。這門課對(duì)于幫助學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的原理和硬件接口技術(shù)，建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念具有非常重要的意義，是一門重要的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課。但是，隨著計(jì)算機(jī)硬件的高速發(fā)展和更新?lián)Q代，這門開(kāi)設(shè)了30年的基礎(chǔ)課與實(shí)際工程應(yīng)用之間的距離越拉越大。首先是其內(nèi)容已經(jīng)陳舊，陳舊到連實(shí)驗(yàn)設(shè)備都不容易找到了。為了便于學(xué)生入門，這門課采用8086CPU作為模型來(lái)講解。但是現(xiàn)在8086芯片已經(jīng)停產(chǎn)了，很多學(xué)校已經(jīng)不能給學(xué)生提供基于8086的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。有的學(xué)校甚至采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)8086CPU，以解決實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。其次是不容易引起學(xué)生的興趣，因?yàn)閷W(xué)生無(wú)法把課堂所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去。因此這門基礎(chǔ)課逐漸出現(xiàn)了兩種形態(tài)：一種是繼續(xù)堅(jiān)持講8086架構(gòu)，把這門課純粹作為一門計(jì)算機(jī)理論課來(lái)講，然后在后面的學(xué)期里開(kāi)設(shè)重在應(yīng)用的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)課程;另一種形態(tài)是干脆用51系列單片機(jī)替代8086CPU，試圖用8位單片機(jī)的體系架構(gòu)解釋計(jì)算機(jī)的底層硬件原理。以上兩種形態(tài)都存在著明顯的問(wèn)題：花一個(gè)學(xué)期的時(shí)間講那些不能聯(lián)系實(shí)際的理論基礎(chǔ)，會(huì)讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件失去興趣;而51單片機(jī)的架構(gòu)又過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法透徹地解釋32位/64位計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)。

面對(duì)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”這門課程在各個(gè)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的尷尬現(xiàn)狀，許多專業(yè)又先后把“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”、“DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)”列入專業(yè)選修課，構(gòu)成一個(gè)課程群。但是，這個(gè)課程群存在下列問(wèn)題：

1.“微機(jī)原理與接口技術(shù)”的作用不明確，教學(xué)內(nèi)容亟待調(diào)整和優(yōu)化;

2.“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”所采用的51體系與后續(xù)的“嵌入式系統(tǒng)”之間跨度過(guò)大，很多學(xué)生要再花很多時(shí)間才能掌握實(shí)用的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù);

3.課程群里的各門課程之間內(nèi)容沒(méi)有經(jīng)過(guò)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，學(xué)時(shí)利用效率低。

四、以能力需求為基礎(chǔ)的嵌入式工程師集成培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述實(shí)際問(wèn)題，我們提出一個(gè)新的面向能力需求的嵌入式工程師集成培養(yǎng)方案。如圖1所示，這個(gè)培養(yǎng)方案以“工程設(shè)計(jì)實(shí)踐”、“移動(dòng)機(jī)器人工程專題L1、L2、L3、L4”和畢業(yè)設(shè)計(jì)作為嵌入式工程師實(shí)踐活動(dòng)的主線和載體。在這個(gè)貫穿整個(gè)本科階段的實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)參與實(shí)踐項(xiàng)目，接觸和運(yùn)用各種適合項(xiàng)目需要的嵌入式處理器和系統(tǒng)，通過(guò)邊干邊學(xué)來(lái)培養(yǎng)自己的各種基礎(chǔ)能力，尤其是上述第4項(xiàng)能力。

這個(gè)新的培養(yǎng)方案的特點(diǎn)是在利用現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)設(shè)的教學(xué)和實(shí)踐課程，加強(qiáng)課程教學(xué)之間的呼應(yīng)。為了做到這一點(diǎn)，應(yīng)該建立專題實(shí)踐課程教學(xué)和專業(yè)課程教學(xué)之間的呼應(yīng)機(jī)制和C語(yǔ)言教學(xué)與微機(jī)原里教學(xué)之間的呼應(yīng)機(jī)制?？梢圆捎靡韵罗k法：

1.專業(yè)課教師參與專題實(shí)踐課項(xiàng)目的輔導(dǎo)，指導(dǎo)專題實(shí)踐中學(xué)生的選題、方案設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試。

2.專業(yè)課教學(xué)以專題實(shí)踐課的項(xiàng)目作為典型案例。

3.專業(yè)課的教學(xué)以專題實(shí)踐課項(xiàng)目中的某個(gè)部分完成的情況作為平時(shí)成績(jī)。

4.C語(yǔ)言的教學(xué)中采用51單片機(jī)上的程序作為例子和作業(yè)。

5.工程設(shè)計(jì)實(shí)踐和工程專題的項(xiàng)目采用C語(yǔ)言編程的嵌入式系統(tǒng)。

6.計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程改為學(xué)習(xí)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，而現(xiàn)在的C語(yǔ)言課程改為“單片機(jī)C語(yǔ)言”編程，放在微機(jī)原理（單片機(jī)）的后面開(kāi)設(shè)。

7.在“單片機(jī)C語(yǔ)言”課程中加入關(guān)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)容。

五、結(jié)語(yǔ)

以能力需求為基礎(chǔ)，以工程實(shí)踐為骨架，用從一年級(jí)的移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目到高年級(jí)的工程專題工作室項(xiàng)目構(gòu)成一個(gè)進(jìn)階式的工程實(shí)踐環(huán)境。整個(gè)嵌入式人才培養(yǎng)課程體系是建構(gòu)在這個(gè)工程實(shí)踐環(huán)境中的。教學(xué)實(shí)踐表明，單片機(jī)課程為學(xué)生提供了一個(gè)很好的入口，學(xué)生很快找到了用程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的樂(lè)趣，建立了信心。而在單片機(jī)課程中加入的接口技術(shù)、跨平臺(tái)應(yīng)用和最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。從單片機(jī)進(jìn)階到ARM的匯編程設(shè)計(jì)，既有利于理解復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，又直接為今后編寫底層驅(qū)動(dòng)打下基礎(chǔ)，可謂一舉兩得。此方案實(shí)施兩年來(lái)，學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面的能力明顯增強(qiáng)，在參加全國(guó)比賽中獲得良好的成績(jī)。

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