面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程體系設(shè)計(jì)探討

張靜

摘? 要： 根據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生所學(xué)知識中硬件和系統(tǒng)科學(xué)理論較為薄弱的實(shí)際情況，提出了一種適合計(jì)算機(jī)專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的課程體系。在嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中總結(jié)出必備和常用的知識以及工具，進(jìn)而對課程進(jìn)行整合。此外，用配備針對性的實(shí)驗(yàn)和參加相關(guān)學(xué)科競賽的方式鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生能在盡可能少的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握基本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技能。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)專業(yè); 嵌入式系統(tǒng); 課程體系設(shè)計(jì); 課程整合

Abstract： According to the fact that the theory of hardware and system science is relatively weak in the knowledge of computer majored students， this paper puts forward a curriculum system suitable for the training of embedded system talents in computer specialty. In the study and practice of the embedded system， the must have and common used knowledge and tools are summarized to integrate the curriculum. In addition， the practical ability of the students is trained by means of the assignment of targeted experiments and participating in the competitions of related subjects， so that the students can master the basic embedded system development skills in as few class hours as possible.

Key words： computer specialty; embedded system; curriculum system design; curriculum integration

0 引言

近十幾年來，我國的信息產(chǎn)業(yè)在科學(xué)技術(shù)的推動下實(shí)現(xiàn)了前所未有的高速發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)作為新興技術(shù)之一，在工業(yè)控制、智能家居和智能交通等領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，市場需求非常大，因此人才的缺口問題也比較突出[1-4]。高校是嵌入式系統(tǒng)人才的主要來源，在自動化和電子信息工程等專業(yè)中，嵌入式系統(tǒng)是主流方向，因此學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入該行業(yè)的人數(shù)比較多。盡管計(jì)算機(jī)專業(yè)主要是培養(yǎng)軟件方面的人才，但還是會有相當(dāng)一部分學(xué)生會致力于嵌入式系統(tǒng)方向的發(fā)展[3-5]。

1 嵌入式系統(tǒng)課程介紹

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求靈活裁剪軟硬件模塊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，對概念的理解、硬件設(shè)計(jì)、編程和實(shí)踐能力要求都很高，學(xué)習(xí)難度比較大。就課程體系而言，計(jì)算機(jī)專業(yè)較偏重軟件和體系結(jié)構(gòu)，對硬件和系統(tǒng)科學(xué)方面的課程涉及較少，他們在編程和一些諸如計(jì)算機(jī)原理、操作系統(tǒng)方面的概念理解上具有一定的優(yōu)勢，而在傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、接口的知識和系統(tǒng)理論上有所欠缺。因此，為計(jì)算機(jī)專業(yè)中的嵌入式系統(tǒng)方向設(shè)計(jì)合理而高效的課程系統(tǒng)是非常有必要的。

文獻(xiàn)[5]提出目前國內(nèi)計(jì)算機(jī)專業(yè)中嵌入式系統(tǒng)方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)普通存在的問題包括涉及內(nèi)容多但不成體系，實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)封閉和實(shí)驗(yàn)時(shí)間少，并提出了一種自下而上的課程系統(tǒng)以培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于嵌入式系統(tǒng)分析認(rèn)知、硬件實(shí)踐、軟件實(shí)踐和工程應(yīng)用四大能力。文獻(xiàn)[6]提出了適合醫(yī)學(xué)類高校的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法。文獻(xiàn)[7]針對實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足的問題，提出了引入隨身實(shí)驗(yàn)室和反轉(zhuǎn)課堂的方式來增加學(xué)生實(shí)踐的機(jī)會和時(shí)間。文獻(xiàn)[8]提出了一種項(xiàng)目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法來提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。本文主要的思想是根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和實(shí)際嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中總結(jié)出所涉及到的一些必備和常用知識以及工具，然后利用計(jì)算機(jī)專業(yè)給予嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的有限課時(shí)對課程進(jìn)行整合，此外，充分利用實(shí)驗(yàn)和學(xué)科競賽的資源提高實(shí)踐能力，從而使得學(xué)生盡可能少的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握基本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技能。

2 嵌入式課程體系設(shè)計(jì)

2.1 課程體系設(shè)計(jì)概況

課程體系如圖1所示。在計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)必修課中，電工與電子技術(shù)（模擬和數(shù)字部分）、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、C語言和操作系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)課程而言起著非常重要的支撐作用，。微機(jī)接口、單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等需要作為核心選修課程有層次地提供給希望在嵌入式系統(tǒng)方向發(fā)展的學(xué)生。除此之外，信號與系統(tǒng)和自動控制原理中有一些實(shí)用的概念和方法會在嵌入式系統(tǒng)中用到，比如PID控制、一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)、線性系統(tǒng)的疊加原理等，可以作為一些專題穿插在課程當(dāng)中。

本課程體系中，將微機(jī)接口和傳感器技術(shù)合并為一門課，加上單片機(jī)控制系統(tǒng)的課程，可以讓學(xué)生在一個(gè)學(xué)期內(nèi)對裸機(jī)的嵌入式系統(tǒng)有基本的認(rèn)識，課程都配備了大量的實(shí)驗(yàn)，并且會有一個(gè)制作智能循跡和壁障小車的課程實(shí)踐，它的優(yōu)點(diǎn)是涵蓋了很多嵌入式系統(tǒng)中的核心概念，并且制作難度不是很大。如果能夠獨(dú)立自主完成則意味著學(xué)生達(dá)到了繼續(xù)深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的基本要求，可以進(jìn)入后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

2.2 課程安排

就時(shí)間安排而言，微機(jī)接口和傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制系統(tǒng)可以作為兩門課程放在第四學(xué)期內(nèi)，通過這兩門課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，對微處理器的基本工作原理有一定的認(rèn)識，掌握其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、存儲器映射，能夠?qū)PIO口、定時(shí)器、A/D，D/A轉(zhuǎn)換等常用外設(shè)進(jìn)行靈活寄存器配置和使用，理解模擬和數(shù)字傳感器的區(qū)別，掌握串口、SPI和I2C等常用通信協(xié)議，基本放大電路的設(shè)計(jì)，會使用PWM技術(shù)和驅(qū)動芯片來驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)等，熟練掌握開發(fā)軟件MDK-ARM，以及仿真器等常用工具的使用。

嵌入式操作系統(tǒng)通常開設(shè)在第五學(xué)期，由于已經(jīng)學(xué)過操作系統(tǒng)課程，從嵌入式和PC機(jī)操作系統(tǒng)的區(qū)別著手，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、體積、配置性、可移植性和可靠性上的要求以及一些常用嵌入式操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)上基于微控制器操作系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔精練，可讀性強(qiáng)，同時(shí)又具備了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的全部功能，特別適合初次使用嵌入式操作系統(tǒng)。

通過之前課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生其實(shí)已經(jīng)掌握了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本技能，第六學(xué)期的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，主要是引導(dǎo)學(xué)生能夠在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，分析需求，確定系統(tǒng)功能，制定機(jī)械部分、硬件和軟件的開發(fā)計(jì)劃，并最終完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)以及測試。此外，很多學(xué)科競賽也對培養(yǎng)系統(tǒng)開發(fā)能力有一定的幫助，比如大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、機(jī)器人競賽、全國大學(xué)生智能車競賽、物聯(lián)網(wǎng)競賽等，通過參加這些競賽，學(xué)生嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的能力都會得到很大的提高。

3 結(jié)束語

由于嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的人才需求量大，因此計(jì)算機(jī)專業(yè)中也需要為社會輸送一定數(shù)量的人才。本文針對計(jì)算機(jī)專業(yè)，為嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)提供課程支持不足的現(xiàn)狀，總結(jié)出一些嵌入式系統(tǒng)開發(fā)必備的和常用的知識以及工具，進(jìn)而對課程進(jìn)行整合。充分利用實(shí)驗(yàn)和學(xué)科競賽的資源，提出提高實(shí)踐能力的方法，使得學(xué)生盡可能在學(xué)時(shí)內(nèi)掌握基本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技能。

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