嵌入式方向課程設置與教學

摘 要：本文首先分析我國目前嵌入式專業教學的現狀，并探討了我國嵌入式教學存在的一些問題。接下來結合我國對嵌入式軟件人才的培養要求，說明了工程型嵌入式軟件人才應具有的知識與能力，并因此提出了基于ARM體系結構的嵌入式課程設置與教學方案，最后對該教學模式實施的效果進行了總結。

關鍵詞：嵌入式；ARM；SOC；FPGA

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672－5913(2007)17－0025－03

1 引言

隨著手機、PDA、高清電視(HDTV)、機頂盒、智能家電、汽車電子、路由器、醫療儀器、航天航空設備等嵌入式系統的廣泛應用，中國嵌入式系統市場預計每年將直接創造億元的效益，因此嵌入式將成為電子信息產業新的經濟增長點，嵌入式系統無疑是當前最熱門最有發展前途的應用領域之一。與巨大的市場潛力和產業需求相比，我國國民教育體系下嵌入式系統的教學知識較為陳舊，缺乏實踐鍛煉，無法適應企業的實際需要，嵌入式人才的缺乏是阻礙我國嵌入式系統發展的首要因素。本文首先分析我國目前嵌入式專業教學的現狀，闡述了嵌入式課程體系的知識結構，接下來針對應用型本科院校計算機類嵌入式方向的課程設置與教學進行了探討，最后對該教學模式實施的實際效果進行了總結。

2 嵌入式課程設置現狀分析

2．1 現狀及問題

目前，我國大部分高校的嵌入式系統教學仍然停留在20世紀80年代初發展起來的以8位51單片機為核心的教學水平上。教學內容、教學方法、教學手段、教材體系不能適應嵌入式技術發展的需要。學生學完這門課程后滿足不了社會對嵌入式人才的需求。究其原因，一方面是因為從事該領域的研發人員常常需要不同專業背景，例如計算機、電子、通信、自動化與控制，等。另一方面更重要的原因是我國的嵌入式教學沒有跟上嵌入式技術的發展，筆者認為我國嵌入式教學存在如下問題：

(1)定位不明確，課程體系設置不合理：一個嵌入式系統不但包括硬件部分還包括軟件部分。電子類、通信類、計算機類專業都可以開設嵌入式方向，但培養目標是不相同的、課程設置和側重點也不相同，而目前有些高校只是根據技術潮流籠統地開設一門課程，遠遠達不到系統地學習嵌入式技術的需要。因此，高校開設置嵌入式專業時必須找準定位，結合自身的特點和優勢開設課程。

(2)缺少系列教材：嵌入式技術往往和行業背景結合緊密，由于新技術日新月異，很難找到一套普遍適用的系列教材。這也給嵌入式教學帶來影響。

(3)課程教學內容陳舊：嵌入式課程是一門很新的技術，目前有些高校雖然開設了這方面的課程，但是師資往往沒有同步跟上，很多都是從相關專業轉型而來，在短期內無法跟上新技術變革，因此出現教學內容陳舊，而且廣度有限，深度不夠的現象。

(4)缺少實踐鍛煉：嵌入式是一門實踐性很強的技術。目前有些高校缺少實驗設備，沒有與實際工程應用密切結合的課程設計，使得高校培養的人才創新意識薄弱，實踐能力不強，與實際工程應用需求嚴重脫節，學生發展后勁不足。

要解決以上問題，必須對嵌入式專業所需要知識結構有所了解。

2．2 嵌入式專業的知識結構

從廣義上說，以單片機，FPGA/CPLD，DSP，ARM等實現的產品都可以稱之為嵌入式產品，基于FPGA的SOC、SOPC、ASIC設計都和嵌入式系統密切相關，如圖1所示。

嵌入式工程人員應該具備什么樣的知識結構呢?嵌入式工程人員既可從事嵌入式硬件設計，也可從事嵌入式軟件設計，下面結合我國對嵌入式軟件人才的培養要求，我們認為工程型嵌入式軟件人才應具有如下的知識與能力：

(1)硬件知識

嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。因此，對于從事嵌入式軟件開發的工程人員，必須清晰地掌握相關的硬件基礎知識，如嵌入式微處理器、接口技術、軟硬件一體化的開發工具，等。

(2)軟件工程知識

嵌入式軟件工程與通用軟件工程具有共同之處，但又有很大的差異。因此，嵌入式軟件工程人才必須首先具有軟件工程技術的基本知識和工程技能，例如軟件工程管理、軟件質量、軟件工程過程，等。同時，一個好的嵌入式開發工程師必須掌握一門開發語言、精通一種主流微處理器系統、掌握一套開發工具和一種嵌入式操作系統。

(3)行業領域知識

嵌入式系統是與特定行業應用密不可分的，嵌入式軟件在移動設備、數字家電、汽車電子、數控機床、醫療電子、航天航空、工控等領域得到廣泛應用。所以，嵌入式軟件工程人才必須具有一定的行業領域知識，才能勝任工作。

(4)系統工程能力

由于嵌入式系統是面向某種特殊應用，所采用的硬件平臺、開發工具和應用環境都有所不同，再加上市場對大多數產品要求開發周期短和成本低，我們無法為了某一種產品而從頭開發。因此，如何選擇合適的軟硬件平臺以高效地開發產品，如何有效管理開發團隊中的各類人員，如應用專家、硬件工程師、軟件工程師和其他相關工程人員，成為嵌入式系統產品開發的重點。這就需要嵌入式軟件工程人才應具備解決工程問題的能力，自我知識學習與更新能力和良好的交流與組織協調能力。

對于嵌入式專業的教學，不可能把圖1中羅列的所有技術全部學習一遍，這樣做也得不償失。一個比較好的方法是根據各個學校的特點實施嵌入式課程教學，電子類、通信類、計算機類專業都可以開設嵌入式方向，但是其側重點和培養目標是不相同的。下面主要結合計算機類專業的嵌入式方向闡述其課程設置與教學。

3 基于ARM架構的嵌入式課程設置與教學

3．1 課程體系

嵌入式專業的特點是涉及知識面廣、綜合性強、實踐性強，并且學科發展快，因而學習難度大。同時，它要求教師不僅具備一般的計算機系統的軟硬件知識，如計算機系統結構、操作系統、計算機網絡、編譯原理、數字電路，等，而且需要真正從事過嵌入式系統的開發實踐，才能對嵌入式系統中的實時性等抽象概念和系統調試過程有感性認識。

對于計算機應用類的學生而言，學習嵌入式系統設計重點應該放在嵌入式軟件設計這一部分。如果學生掌握了一種主流嵌入式微處理器、掌握了一門開發語言、一種嵌入式操作系統、一套開發工具，就達到了系統地學習嵌入式技術的要求。

目前，在嵌入式領域中廣泛應用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微處理器。作為世界第一大IP知識產權廠商，ARM公司本身不直接從事芯片生產，而是靠轉讓設計許可，由合作公司生產各具特色的芯片?？梢哉f，ARM公司引發了嵌入式領域的一場革命，在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位，是目前32位市場中使用最廣泛的微處理器。ARM從1991年大批量推出商業RISC內核到現在為止，已授權交付了超過20億個ARM內核的處理器核。在全球已有將近200多個半導體公司購買了ARM核，生產自己的處理器。目前，80％以上的GSM手機、99％的CDMA手機以及將來的WCDMA、TD-SCDMA手機都采用的是基于ARM核心的處理器。ARM進入中國2年以來，已經與中興、華虹、東南大學、上海集成電路設計中心及中芯國際簽定了芯片核心技術授權協議。因此，學習以ARM為架構的嵌入式技術具有非常廣闊的前景。

對于嵌入式開發語言目前主要有匯編語言、C和C++語言、Java語言，等。對于嵌入式操作系統目前主要有VxWorks、Windows CE、Linux和μC/OS-II，等，各個學?？梢愿鶕嶋H情況開設這些課程。集成開發工具主要有Tomado、Windows CE開發工具、ADS，等。下面結合筆者所在學校介紹其嵌入式方向的課程設置與教學情況。

計算機系嵌入式專業培養目標偏向嵌入式軟件設計開發。其課程體系的設置應該體現“注重工程能力培養的嵌入式系統人才知識體系”。根據學生的接受能力，嵌入式知識的學習應體現層次性、由易到難的漸進性、注重實踐性。其知識結構由基礎知識、專業基礎知識、專業知識這樣一個層次結構組成。

基礎課程階段：主要學習理工科的一些基礎課程，如高等數學，等，主要在大學一、二年級開設，這里不再贅述。

專業基礎課和專業課開設方案如圖2所示，圖中列出其主要課程，該課程體系的目標是培養嵌入式系統軟件設計師。

專業基礎課階段：如圖2底部所示，主要包括模擬電子電路、數字電子電路、數據結構、C語言程序設計、Java語言程序設計、計算機組成原理、操作系統，等。主要放在大學二、三年級開設。

專業課階段：如圖2中部所示，專業課體現為三條線，主線是圖中部虛線框中以ARM為架構的系列課程：第二條線屬于硬件方面的選修課程，用于加強學生對嵌入式硬件方面的了解；第三條線屬于軟件方面的課程，用于加強學生軟件方面的知識，后兩條線的課程都為主線服務。下面詳細介紹主線各門課程的主要知識點。

“匯編語言程序設計”課程是學習嵌入式技術的入門課程。主要介紹匯編語言程序設計的基礎知識，ARM系列微處理器，基于ARM體系結構的指令系統以及匯編程序設計。本課程是學習嵌入式系統原理與接口技術、嵌入式系統設計與應用等知識的前導課程。

“嵌入式系統原理與接口”課程的教學內容應包含典型的嵌入式微處理器的工作原理、嵌入式系統的存儲體系、GPIO、總線接口、網絡接口，等。在嵌入式系統的教學中對特定的微處理器內部結構的知識要求淡化，對處理器接口知識的要求必須加強。該門課在教學過程中應注意“點面結合”，以某種平臺為重點，兼顧其他系統的特征。

“嵌入式操作系統”課程主要介紹嵌入式系統基本知識，嵌入式系統的一個重要特征是系統存儲資源有限和對實時性要求高，其用戶界面與通用系統也很不一樣，因此嵌入式操作系統與通用操作系統有較大的差別。在嵌入式操作系統課程中需要結合典型的嵌入式操作系統對操作系統的基本構成、工作機制、系統移植剪裁和實時任務調度等內容進行介紹。不同的學?？筛鶕唧w情況選擇一到兩門流行的嵌入式操作系統，如UCOSII、Linux、WinCE、Vxworks，等。

“嵌入式系統設計與應用”課程的教學內容應該包括嵌入式系統體系結構、嵌入式系統設計的基本方法、軟件編程及外圍設備接口和驅動，等。設置本課程的目的是讓學生了解和掌握必要的嵌入式系統設計方法學的概念、方法和工具。

“嵌入式系統測試技術”嵌入式產品往往是軟硬件結合的產物，其設計方法涉及軟硬件協同設計、系統級設計、數字系統設計等多個層次。因而，嵌入式軟件的測試不同于一般的軟件測試，本課程的重點放在嵌入式軟件測試，該課程包括了嵌入式軟件測試的一般過程，內容包括結構化測試和嵌入式系統的原理、測試生命周期、重要的應用技術、基礎設施、測試組織形式和測試原則。

3．2 課程教學

目前嵌入式教材存在的知識結構籠統、平臺相關性問題及針對性不強等問題。我們逐步編寫了嵌入式方向的系列教材，并且聘請企業的技術專家參與教材編寫，讓來自工作一線、擁有豐富工作經驗的專家直接參與教材編寫，大大增強了教材的實用價值。這些教材以ARM體系結構為主線，理論研究與實際開發緊密結合，面向應用。目前這些教材在實際教學中取得了良好的效果。

針對在校學生缺少行業背景知識這一缺點，我們在教學中大力開展了與企業的合作。首先我們研究企業需求、深入很多大中小型IT企業，作崗位調研，看看企業到底需要什么樣的嵌入式人才，聘請企業專家參與課程設置與專業建設。同時，我們也研究嵌入式人才的就業問題，研究什么樣的嵌入式人才好就業，在學生學習期間，直接把學生派到相關企業進行實習和畢業設計，使得培養的嵌入式人才能夠適應企業的需要。

此外，注重嵌入式師資的培訓，充分利用寒暑假將專業教師派到相關企業直接參與項目的開發。通過這種方式使得專業課教師能夠緊跟時代的步伐，時刻引領新知識、新技術，避免了其知識的陳舊性。

4 結論

以上探討了計算機系嵌入式方向的課程設置與教學問題。我們在深入研究已經成熟和正在發展的嵌入式系統設計方法、設計技術和設計工具的基礎之上，制定出了我校計算機系嵌入式方向的課程體系和教學大綱，并通過教學實踐對其進行進一步的完善。目前，我們學校在這一教學模式下實施的教學受到了學生的歡迎，學生對嵌入式方向產生了濃厚的興趣和高度的熱情。培養出的第一批學生即將畢業，大部分學生在實習期間就受到實習單位的認可并簽訂了就業協議。這也說明了我們在嵌入式課程設置的可行性與前瞻性。當然，我們國家嵌入式方向的教學還任重道遠，懇切希望這方面的專家進一步探討。

作者簡介：文全剛(1971－)，男，湖南人，國家認證高級程序員、系統分析師，高級工程師，副教授，研究方向：嵌入式、微電子、網絡安全。