以設(shè)計能力為主線的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革

引言

嵌入式系統(tǒng)是目前IT應(yīng)用領(lǐng)域的熱門技術(shù)之一，隨著智 能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于新體系結(jié)構(gòu)的嵌 入式處理器、新軟件技術(shù)不斷推出，市場急需嵌入式系統(tǒng)軟 硬件開發(fā)的綜合型設(shè)計人才。

面對市場的大量需求，國內(nèi)各大院校都開設(shè)了嵌入式相 關(guān)課程，也有很多院校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)。雖然如此，但 目前國內(nèi)高校在嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式方面大多仍沿用傳 統(tǒng)培養(yǎng)模式，這使學(xué)生能力與市場需求產(chǎn)生脫節(jié)，遠遠不能滿 足市場需求。尤其在學(xué)生創(chuàng)新意識、實踐設(shè)計能力培養(yǎng)方面, 急需探索新的嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式?；趯η度胧较到y(tǒng) 多年的教學(xué)和科研體會，本文從學(xué)生設(shè)計能力培養(yǎng)角度對高 校中的嵌入式課程體系構(gòu)建與人才培養(yǎng)方式進行探討。

1嵌入式系統(tǒng)分層體系與專業(yè)對應(yīng)關(guān)系

嵌入式系統(tǒng)屬于典型的多學(xué)科交叉，高校中相應(yīng)開設(shè)的 課程也是多種多樣，有側(cè)重硬件的、有側(cè)重軟件的，多數(shù)是和 其他專業(yè)合并開設(shè)的。由于不同大學(xué)的辦學(xué)定位、不同專業(yè)學(xué) 生的知識背景不同，課程內(nèi)容也相差較大。

在教學(xué)中，為更好地培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力，采用嵌入式系 統(tǒng)的分層與專業(yè)對應(yīng)原則，根據(jù)專業(yè)不同，相應(yīng)所開設(shè)的嵌 入式課程側(cè)重點也不同。

嵌入式系統(tǒng)分為4層，硬件層、驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和 應(yīng)用層，和專業(yè)對應(yīng)的關(guān)系如表1所列。

硬件層是嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，同時是驅(qū)動層的基礎(chǔ) 平臺。該層適合電子信息、通信工程、自動化、機電一體化等 專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。

驅(qū)動層為難度最大的一層，但其薪資在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 行業(yè)中是最高的。從事驅(qū)動設(shè)計的人員既要精通硬件層又要精 通操作系統(tǒng)內(nèi)核。該層適合電子信息、通信工程、機電一體化 等專業(yè)尤其是計算機偏體系結(jié)構(gòu)類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。

操作系統(tǒng)層的設(shè)計大多只是系統(tǒng)的移植，移植操作系統(tǒng) 涉及系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)試、磁盤和文件的管理等，該層強調(diào)系統(tǒng) 的實時性，這部分比較適合計算機專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。

應(yīng)用層相對來講是較為容易的，如果會在Windows環(huán)境 下進行接口函數(shù)調(diào)用，那么在嵌入式操作系統(tǒng)下只是編譯和開 發(fā)環(huán)境有所改變而已，應(yīng)用層適合計算機軟件專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。

基于以上的分析，如果針對不同專業(yè)的學(xué)生，其相應(yīng)的 學(xué)習(xí)側(cè)重點不同，在嵌入式教學(xué)中靈活調(diào)整對應(yīng)層次進行教 學(xué)，可以更好更快地提高學(xué)生的設(shè)計能力。

2以設(shè)計能力為主線的嵌入式系統(tǒng)課程體系構(gòu)建

在分析了嵌入式體系與專業(yè)設(shè)置分層對應(yīng)關(guān)系后，現(xiàn)在 對高校中的嵌入式課程體系構(gòu)建進行初步探討。

2.1嵌入式開發(fā)的相關(guān)基礎(chǔ)課程設(shè)置

嵌入式設(shè)計最初只是單片機的設(shè)計，隨著處理器的發(fā)展, 現(xiàn)在很多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)越來越復(fù)雜，從而引入了嵌入式操 作系統(tǒng)。

從事嵌入式開發(fā)，基礎(chǔ)課程如數(shù)字電路、計算機組成原 理、單片機設(shè)計等硬件課程是較為重要的。另外，匯編語言、 C/C++、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等軟件基礎(chǔ)課也是十分重要的。 2.2嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)置

嵌入式處理器課程較枯燥，主要原因是硬件課程都較抽 象。從事嵌入式設(shè)計的人員應(yīng)對ARM處理器工作原理和接口

技術(shù)熟練掌握，包括ARM的匯編指令系統(tǒng)。學(xué)匯編的目的主 要是為了掌握處理器工作原理，只有熟悉匯編語言，才能在該 處理器上寫出最優(yōu)的C語言代碼。在嵌入式開發(fā)的一些關(guān)鍵 部分，有時必須用匯編，如Bootloader設(shè)計。

2.3嵌入式操作系統(tǒng)課程設(shè)置

大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的實時性都很強，所以也稱為實 時操作系統(tǒng) RTOS (Real Time Operating System)。從事嵌入 式設(shè)計的人員至少須掌握一個嵌入式操作系統(tǒng)，這在嵌入式 的所有技術(shù)中是最為關(guān)鍵的。目前高校開設(shè)的RTOS課程主 要包括：

傳統(tǒng)的經(jīng)典RTOS

在傳統(tǒng)的RTOS中，最主要的是Vxworks操作系統(tǒng), Vxworks出現(xiàn)較早，實時性強，并且內(nèi)核可微，可靠性高, 特別是在通信設(shè)備等實時性要求較高的系統(tǒng)中，幾乎都采用 Vxworks。像華為、中興、Lucent等通信企業(yè)在開發(fā)產(chǎn)品時, 很多產(chǎn)品采用Vxworks。與Vxworks類似的比較有名的實時 操作系統(tǒng)還有 uc/OS-虬 pSOS、QNX、Nucleus 等 RTOS。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux除作為服務(wù)器操作系統(tǒng)外，最成功的便是在嵌入 式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，原因是免費、支持軟件多、開源、參考資 料多，采用該操作系統(tǒng)嵌入式產(chǎn)品成本會大大降低。目前嵌 入式Linux操作系統(tǒng)主要應(yīng)用在ARM9及更高體系結(jié)構(gòu)的處 理器上面。

Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前已占據(jù)了很大市場份額，應(yīng)用在PDA、手機、 顯示儀表等界面要求較高或者要求快速開發(fā)的場合。WinCE 開發(fā)平臺主要為 WinCE Platform Builder，有時也用EVC環(huán) 境開發(fā)一些較上層的應(yīng)用，WinCE開發(fā)難度遠低于嵌入式 Linux。

Android操作系統(tǒng)

Android是Google于2007年11月05日宣布 的基于 Linux平臺的開源移動操作系統(tǒng)，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、 用戶界面和應(yīng)用軟件組成。Android系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展主要在 對Android系統(tǒng)的二次開發(fā)上，目前以Android系統(tǒng)源碼為基 礎(chǔ)，再深度定制改版而成的操作系統(tǒng)主要有創(chuàng)新工場投資的點 心公司開發(fā)的點心操作系統(tǒng)、中國移動的Ophone、聯(lián)想的樂 Phone、阿里云手機操作系統(tǒng)及雷軍的小米科技開發(fā)的MIUI。

綜合分析，高校中開設(shè)的嵌入式操作系統(tǒng)能很好地滿 足市場需要。我校針對市場熱點，增加開設(shè)了目前火熱的 Android操作系統(tǒng)。

2.4嵌入式開發(fā)的其它相關(guān)課程設(shè)置

從事嵌入式開發(fā)設(shè)計，若再能熟悉嵌入式應(yīng)用的一些主 要領(lǐng)域，這樣人才培養(yǎng)就會與企業(yè)需求更加密切結(jié)合，培養(yǎng) 出的學(xué)生更受企業(yè)歡迎。主要的相關(guān)領(lǐng)域及課程包括：

數(shù)字圖像壓縮技術(shù)

這是嵌入式最重要最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一，主要是應(yīng)掌 握MPEG編解碼算法和技術(shù)，如高清電視、機頂盒等都涉及 MPEG高速解碼問題。

通信協(xié)議及編程技術(shù)

包括傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議和熱門的無線通信協(xié)議。大多數(shù) 嵌入式設(shè)備都要連入局域網(wǎng)或Internet,這些是通過TCP/IP 協(xié)議及其編程實現(xiàn)的。其次，無線通信是目前的大趨勢，所以 掌握無線通信協(xié)議及編程也是很重要的。

網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)

如加密技術(shù)，數(shù)字證書CA等。

3以設(shè)計能力為主線的嵌入式人才培養(yǎng)教學(xué)改革

當(dāng)前，提高大學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力是時代的要求, 也是提高教學(xué)質(zhì)量的難點。一個優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)工程師 應(yīng)具備良好的綜合素質(zhì)，包括扎實的專業(yè)基礎(chǔ)、多學(xué)科的知 識結(jié)構(gòu)、科學(xué)的邏輯思維能力、較強的動手實踐能力和設(shè)計 能力，還要求有追求新的熱點和技術(shù)的心態(tài)。

3.1理論教學(xué)與實踐結(jié)合，培養(yǎng)設(shè)計能力

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要手段，也是學(xué)生最重要的學(xué)習(xí)途 徑。目前較好的方式是理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，同時強 化學(xué)生的實踐動手能力與綜合設(shè)計能力。

通過課堂教學(xué)將嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)原理與技術(shù)傳授 給學(xué)生，整合課堂資源，讓學(xué)生在課堂上就能掌握嵌入式開 發(fā)的基本理論與基本技能，根據(jù)課堂教學(xué)的實際情況，精心 設(shè)計與課堂講授相對應(yīng)的實踐內(nèi)容。通過具有針對性的實踐 設(shè)計，讓學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本流程有清楚的認識, 初步培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力。

3.2建立先進的嵌入式實驗室，強化實踐能力

實驗教學(xué)是課堂教學(xué)的補充和實際應(yīng)用，具有綜合性與 創(chuàng)新性特點，在教學(xué)過程中對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、知識運 用能力和解決問題能力有特別重要的作用，是學(xué)生掌握嵌入 式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用知識到實際的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。在實驗的設(shè)計上, 根據(jù)程序開發(fā)的難易程度，將實驗分為驗證性實驗和設(shè)計性 實驗，通過實驗教學(xué)使學(xué)生循序漸進地掌握軟件編程技巧。

針對目前普遍的學(xué)生動手實踐能力薄弱、知識結(jié)構(gòu)單一、 專業(yè)面較窄、實踐教學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)不足等弊端，我校新建了嵌入 式系統(tǒng)實驗室，平臺為目前最先進的cortex-A8處理器，可以 開設(shè)ARM、Linux和Android等實驗課程，并且可以進行二 次開發(fā)和綜合設(shè)計。

實驗室采取開放式管理，讓學(xué)生擁有更多自我設(shè)計的空 間和選擇學(xué)習(xí)的機會，加強實踐環(huán)節(jié)，重視綜合實踐訓(xùn)練, 科學(xué)管理與彈性學(xué)習(xí)機制相結(jié)合，使學(xué)生始終保持熱情和 激情去學(xué)習(xí)。

3.3參加電子設(shè)計競賽，提升綜合能力

嵌入式系統(tǒng)是軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)，嵌入式硬件設(shè)計完 成后，各種功能就靠軟件來實現(xiàn)了，這就要求學(xué)生具有很強的 綜合能力。

基于這個原因，我們鼓勵學(xué)生積極參加全國大學(xué)生電子 設(shè)計競賽、“博創(chuàng)杯”嵌入式系統(tǒng)設(shè)計競賽、“畢 杯”電子 設(shè)計競賽等各種實踐活動，同時還鼓勵他們積極參加教師的 科研項目和學(xué)校的大學(xué)生科研立項，整個過程中都有專業(yè)老 師全程指導(dǎo)，此種方式培養(yǎng)了學(xué)生的基本科研素養(yǎng)，鍛煉了 學(xué)生綜合科研能力和獨立分析、解決問題的能力，為他們將 來走向社會參加科研工作打下了堅實的基礎(chǔ)。通過競賽和科 研項目的歷練不但讓學(xué)生提高了工程實踐能力，而且還讓他們 逐漸形成前沿理念與創(chuàng)新意識。而這些也正是一位優(yōu)秀的嵌 入式系統(tǒng)開發(fā)人才應(yīng)具備的綜合能力素質(zhì)。

4 結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)的課程體系構(gòu)建和人才培養(yǎng)涉及到多個方面, 本文通過對嵌入式這兩方面的研究與探索，提出相應(yīng)的思路, 探索出以嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計為特長的新型人才培養(yǎng)模式。 實踐結(jié)果表明，通過采用以上措施，使學(xué)生的綜合素質(zhì)教育 真正落實到了課程教學(xué)中，更好地適應(yīng)了社會的需求，同時也 對高校嵌入式系統(tǒng)課程建設(shè)起到了示范作用。

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