“嵌入式系統設計”系列課程實踐教學研究

文章編號：1672-5913(2008)18-0016-03

摘要：本文針對“嵌入式系統設計”的教學實踐，將“嵌入式系統設計”系列課程實踐教學分為三個層面，對課程內容、實踐教學方案和實踐教學環節等進行探索，確保學生在掌握專業知識的同時，提高自主學習與自主創新的工程實踐能力，真正做到學以致用。

關鍵詞：嵌入式系統設計；實踐教學；創新

中圖分類號：G6420.0 文獻標識碼：A

嵌入式系統是相對于通用計算機系統提出的“嵌入式計算機系統”，它是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物，是一個技術密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統，被廣泛應用于通信設備、信息家電、工業控制和交通等方面。作為“嵌入式系統設計”的教學應是以應用為中心，結合實踐與應用的一系列課程教學，它是本科生在四年學習中進行創新性實踐的有力保證。“嵌入式系統設計”需要設計者具有較強的綜合理論知識和動手能力，是對設計者綜合能力與創新能力的考查。因此，在以“應用型”人才培養為目標的理工科院校的實踐教學中應特別重視學生嵌入式系統設計能力的培養，加強實踐教學環節，提高學生實踐能力、職業技能與就業能力。在此結合地方高校通信工程專業的特點對學生“嵌入式系統設計”能力培養的相關課程內容、實踐教學方案和實踐教學環節等進行探索，探討地方高校理工科學生創新型人才培養體系，培養出理論與實踐相結合的創新性人才。

1嵌入式系統設計實踐教學層面

嵌入式系統設計是復合型的新興技術[1][2]。基于嵌入式系統設計的課程既與計算機、電子、通信、自動控制技術相關的專業課程有關，又與具體的應用背景有關。理工科各專業需結合專業特點和嵌入式系統在專業中的應用進行嵌入式系統設計的研究與教學，根據專業特色開設先進的、具有深入內容的嵌入式系統設計課程，使學生具備創新能力和解決實際問題的能力，所以在進行嵌入式系統設計人才培養時必須重點把握實踐和創新這兩個方面，注意科學對技術所起的基礎支持作用，要從嵌入式系統設計動態發展出發，開設具有嵌入式系統設計體系的課程，開設有關含有信息論、系統理論及控制理論等基本內容交叉融合的課程，拓寬學生在專業學習中視野與思維的深度和廣度，這樣才能培養出學生的創新能力。根據嵌入式系統設計的實踐可以按照圖1所示三個層面進行相關課程的配置。

層面一是培養學生具備能夠針對某個具體嵌入式系統軟、硬件平臺進行二次開發的能力。要求學生掌握應用系統的設計和開發技能，屬于嵌入式系統教學的最低層。集中在微處理器(如MCS51系列、TMS320系列、ARM系列)的體系結構及其語言、外圍接口的工作原理；嵌入式應用系統開發工具、開發語言、交叉編譯環境和調試工具的使用。在此

方面以單片機芯片及其開發應用、DSP芯片及其開發應用和ARM微處理器及其開發應用展開教學，并在實踐環節對學生動手制作自已所期望的單片機、DSP和ARM的應用系統進行作品展示，并將作品作為成績考核的依據。

層面二是培養學生具備能夠進行嵌入式系統平臺設計與開發的能力。不僅要求學生掌握硬件系統的設計與開發技能，還應該掌握軟件系統的設計與開發技能。促使學生掌握嵌入式系統體系結構后，掌握嵌入式操作系統的原理及其在特定硬件平臺上的移植。使學生具備特定硬件平臺下的嵌入式系統裁剪、移植，板載資源的初始化與驅動及外設驅動程序的設計和嵌入式數據庫系統開發技能，注重嵌入式系統圖形界面和網絡通信的設計與開發。在層面一的基礎上進行嵌入式操作系統及應用軟件開發的教學，并在實踐環節對學生動手制作自已所期望的具有圖形界面操作、外設驅動和數據信息管理等功能的單片機、DSP和ARM應用系統進行作品展示，并將作品作為成績考核的依據。

層面三是培養學生具備能夠進行基于SOPC嵌入式系統IP內核設計和開發的能力。要求學生在掌握前兩層面的基礎上，讓學生能夠進行基于FPGA的SOC系統的設計與開發訓練，并結合嵌入式系統的發展進行有關計算機體系結構等理論研究。促使學生結合EDA設計、嵌入式系統優化、計算機體系結構理論、微電子等學科知識，將微處理器等以IP內核的方式植入FPGA中，利用FPGA的可編程邏輯資源，按照系統功能需求來添加接口功能模塊，既能實現目標系統功能，又能降低系統的成本和功耗。這樣就使得FPGA靈活的硬件設計與處理器的強大軟件功能有機地結合在一起，高效地實現SOPC嵌入式系統。實踐環節以學生參加嵌入式系統設計競賽、科研創新、發明制作等實踐進行作品展示，并將作品作為創新學分修讀的依據。

2嵌入式系統設計實踐教學方案

(1) 學生實踐能力設計

“嵌入式系統設計”系列課程的教學內容應包括嵌入式系統硬件與軟件的設計，在以電路與系統集成、計算機信息系統集成及計算機輔助設計與仿真為工程設計基礎教學的同時，加強學生在工程設計能力方面的培養，提高學生的電路設計和軟件開發能力。因而，通信工程本科專業的實踐教學可在基于現代電子技術進行信息的采集、傳輸、處理、檢測、控制和現代通信網工程應用的同時，以信息與通信工程技術為主線，融電子科學與技術、計算機科學與技術、控制科學與工程技術于一體，構建通信與信息系統和信號與信息處理學科方向，使學生實踐能力結構如圖2所示。

(2) 實踐教學方案

在教學中注重理論與實踐課程相結合，加強實踐與設計課程，設置完善的實踐課程體系，強化學生的技能訓練，開展工程設計。低年級課程要特別強調基礎理論的學習，基本技能的訓練；高年級逐步加強技術性，實用性課程，關注信息工業發展的需要。可結合本校學術研究、參與企事業科研及就業市場的方向，分設若干個課程組及專題設計，有利于學生專業化水平的提高，并縮小大學教育與企業要求之間的期望差距。其實踐教學具體實施可參考圖3進行。

第一學期培養學生認識、發現、探索實踐的主動創新思維模式。如通過軍事理論的學習，注重介紹通信技術在現代軍事中的應用；通過工程制圖的學習，以電子CAD為導引學習AutoCAD、Protel等繪圖軟件的應用；通過認識實習，下企業進行現代通信方式及通信器械的認識學習。

第二學期培養學生工程創新中結構設計及可視化界面編寫能力。如在以國家級計算機等級考核展開教學的同時，注重學生計算機語言編程基礎能力的培養，注重VB、VC、VF、Delphi、Java等編程的導向學習。

第三學期培養學生可視化界面及數據庫管理信息系統的開發設計能力，進行有線與無線通信中電子測量儀器設備的使用。

第四學期培養學生基于單片機與EDA的嵌入式系統設計開發能力。在加強電子工藝實踐的同時，以數字系統與邏輯設計教學為基礎，加強硬件描述語言與電子技術系統級的融合，基本實現計算機軟件到硬件的實踐創新技能。

第五學期培養學生基于DSP的嵌入式系統設計開發能力，加強生產實踐實習。在各專業課程學習的過程中，以計算機硬件與計算機軟件設計來體現信息與通信工程學科下通信與信息系統和信號與信息處理學科方向共性的實踐操作創新設計。

第六學期培養學生基于ARM的嵌入式系統設計開發能力。以通信與信息系統和信號與信息處理學科方向構建專業綜合課程設計。

第七學期培養學生基于SOPC的嵌入式系統設計開發能力。在通信與信息系統學科方向以現代通信網絡系統為導向，構建有線通信與無線通信的通信系統課程設計。在信號與信息處理學科方向以語音、圖像等多媒體信號與信息為導向，構建語音與圖像信號與信息工程應用的通信系統課程設計。

第八學期培養學生綜合的嵌入式系統設計開發能力。通過專題進行企事業單位上崗實踐，加強畢業設計的理論與實踐相結合，為畢業后就能上崗打下基礎。

在以上各環節中除了完成課程實踐教學外，還要求學生在課外必須參與科技實踐及各項競賽活動或提供自已的創意作品以取得一定的創新學分。因此在“嵌入式系統設計”實踐教學與創新型人才培養體系建設中，要綜合考慮實驗、實習、課程設計、畢業設計及課外科技實踐活動等實踐環節，統籌實踐教學體系，使學生能從課內到課外，充分發揮課外科技活動提高自身工程素質。

3嵌入式系統設計實踐教學支持

以嵌入式系統設計為指引，將理論與實踐進行有效合理的整合，應用現代教育技術，結合工程實踐進行分解，變成可供實際推廣操作的學習任務，輔以必要的教育技術支持手段(開發教材、課件、培訓計劃、教學設計、實驗設計、必要的評估手段)強調學生自主學習，在實際工程環境中掌握和內化工程的理念。

(1) 開放實驗室

在以“學生是主體，教師是主導” 的基礎上，為了使學生在高等教育中獲取更多的實用知識和創新技能，開辟與課程配套的網上資源系統，鼓勵學生遇到問題后上網查找資料，采用基于Web的開放實踐教學管理系統[3]。對實驗室教學信息進行綜合分析，建立開放式實踐教學平臺和開放式實踐教學管理體系，通過Web頁完成學生開放實驗的各個環節管理，提高教學質量和辦學效益。使學生由實驗申請到實驗結束完全網絡化管理，有利于實驗設備的充分利用，也有利于學生思維能力、設計能力、知識綜合運用能力和創新能力的培養。

實驗室開放的對象為所有在校學生，主要以設計性、綜合性及研究創新性的實驗項目開放為主，培養學生綜合運用所學基礎理論和專業知識解決復雜問題的能力。在實驗室內部的各實驗分室可根據自身特點和教學實際需要，采取定時開放與網上預約開放兩種不同的模式向學生開放。

所謂定時開放是根據教學安排，在指定時間內向學生全面開放。理論課教師和實踐課教師根據實驗室儀器設備情況，結合課程內容，確定教學計劃以外的自選實踐項目。學生可以根據自己的興趣愛好對實踐項目進行創新設計組合成綜合型、設計型實踐課題，在課外獨立完成自己的課題方案設計并經指導教師審核通過，在實踐過程中學生必須獨立完成實踐并撰寫上傳實驗報告。

所謂網上預約開放是學生提前申請擬做實踐項目和所需儀器設備及元器件，由實驗室根據學生人數、實踐內容和網上預約時間安排實踐設備、器材和指導教師。學生根據實驗室的儀器設備的條件自行擬定科技活動課題并提供方案，在網上預約相應的實驗室與指導教師，開展創新發明、科技制作、論文撰寫等實踐活動。在實踐過程中學生都必須進行獨立的思考，查閱相關文獻資料，綜合多方面的知識和技能，在實踐設備和操作環節上不受任何限制的情況下自行分析、設計和調試實踐系統，最終得出實踐結果并撰寫上傳實踐報告或論文。

(2) 實踐教學組織

聯系專業提供工程設計課題，結合前面所講的教學層面與科研、科技競賽工作開展學生設計性實踐項目，激發學生的創新熱情，如將行走機器人的制作分解為語音識別、圖像識別、高精密電機進給控制等實踐項目。強化實踐過程，選派具有實踐經驗的教師參與指導，有助于培養學生的創新能力，如通過提供的對比示例來啟發學生，增強學生的自信心。在實驗方法與實驗措施上實現多元化，使學生在不斷改進、反復鍛煉中提高分析問題、解決問題的能力，在實踐過程中真正做到舉一反三。

學生須進行嵌入式系統的軟硬件設計，為了使實踐內容和教學內容聯系得更緊密，可結合前面所講的教學層面要求學生設計實踐核心板與擴展板。核心板提供相對應微處理器的最小系統，包括了處理器、RAM、ROM、寄存器接口等；擴展板提供電源、LCD顯示、串口、USB、以太網口等模塊。

改革課程考核方式，加強學生動手能力的培養，單片機技術、DSP技術、EDA技術、嵌入式系統、可視化程序設計等技術課程的考核成績全部采用實踐環節，實驗占總成績的40%，課程設計(要求有硬件和軟件制作)占總成績的40%，創意制作占總成績的20%。學生在完成實驗基礎上，完成選定題目的課程設計，實驗與課程設計題目每年不斷更新，學生可以根據自身掌握的程度選擇不同難度的題目，分值依據題目難易程度而定。

這樣將“嵌入式系統設計”系列課程實踐教學融合到地方理工科院校的人才培養體系中。通過加強開放實驗與科技制作及科技競賽等創新學分的管理，改革相關課程考核方式，綜合考慮知識、能力和素質三者的關系，統籌實踐教學體系，提供豐富的工程設計課題，加強學生對“嵌入式系統設計”的工程訓練，促進大學教育的創新性人才培養。

參 考 文 獻

[1] 沈連豐，宋鐵成，葉芝慧等. 嵌入式系統及其開發應用[M]. 北京：電子工業出版社，2005.

[2] 沈文斌. 嵌入式硬件系統設計與開發實例詳解[M]. 北京：電子工業出版社，2005：8.

[3] 伍宗富，陳日新，王建君. 基于Web的開放實驗教學管理系統[J]. 高校實驗室工作研究，2007，(2):78-80.