面向多應用領域的嵌入式系統課程群建設

陳 博 葉 勇

摘要:嵌入式專業作為一個新興專業有其自身的特點、規律。目前國內在此專業的課程群建設方面還處于探索階段。本文通過分析國內外嵌入式系統教學的現狀,闡述了嵌入式系統教學體系的架構和特點,在此基礎上,提出了一種面向多應用領域的嵌入式系統課程群建設的方案;并將此課程群在本學院進行了實踐,教學效果表明該方案符合社會與學生的需要,教學效果良好,對應用型研究生人才的培養具有一定的參考價值。

關鍵詞:嵌入式;課程群;多應用領域;軟件學院

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

嵌入式系統可以被認為是一種專用的計算機系統,其專業基礎知識主要涵蓋目前較為成熟的半導體技術、電子工程及計算機技術等,是多種先進技術相互融合的產物。由于嵌入式知識涉及多領域,以至目前在此專業的課程設置上并沒有一個明確的定位。計算機學院的嵌入式方向可能側重應用軟件的開發,電子及半導體學院可能更偏重硬件方面,而嵌入式專業開設的目的則是培養軟、硬件相互結合的復合型人才。專業自身的特點使得建立一個符合人才市場需求,具有建設性的嵌入式專業課程體系成為必要解決的問題。

2國內外目前嵌入式人才培養及課程設置狀況

目前國內有多所高校開設嵌入式系統相關課程,如北京大學、北京航空航天大學等,國外高校如耶魯大學、劍橋大學等的嵌入式課程設置也有很高的借鑒價值。課程的開設幾乎都是針對嵌入式的自身特點,從上層應用軟件開發到底層硬件平臺搭建被劃分成一系列課程。硬件層次方向比較典型的課程有北京大學的“嵌入式微處理器設計”、北京航空航天大學的“可編程器件”及劍橋大學的“System on Chip Design and Modelling”等;而軟件層次方向的課程如北京大學的“嵌入式軟件設計與編程”、北京航空航天大學的“Windows CE與嵌入式軟件開發”及劍橋大學的“Low Power Embedded Systems Programming”(低功耗嵌入式系統編程)等。從各高校的課程設置上也可以看出嵌入式技術為系統軟件與硬件的結合。

3面向多應用領域的嵌入式系統課程體系建設

嵌入式系統是一個涉及多技術領域的知識范疇。基于嵌入式系統本身的特點,人才培養不但要掌握電子技術方面的基礎知識,而且要對計算機體系結構有比較深入的理解,這就給人才的培養增加了難度。一方面,嵌入式系統的應用性強,技術發展迅速,而更多高校嵌入式專業課程的開設并沒有形成系統、完善的課程體系,并沒有從最本質的角度去建立嵌入式體系的課程群,僅僅是對一些主流的技術進行課程的設置,影響了教學的效果。另外一方面,嵌入式技術為軟、硬件的結合,而某些高校仍然將傳統的單片機甚至基本的嵌入式理論知識作為授課內容,在知識的更新上并沒有符合實際的需求。因此,建立一個既符合嵌入式系統發展方向,又具有前瞻性的嵌入式系統課程群成為了必要。

本學院針對嵌入式系統本身具有的特點,以“寬基礎,強技能”為原則,設置面向多應用領域的嵌入式系統課程群(如圖1所示)。嵌入式系統本身的特點,使得本專業學生需要很寬泛的基礎知識,如電子專業和計算機專業等的基礎內容。因此學院招收的嵌入式方向碩士均為本科專業為電子、半導體及計算機相關學院就讀的學生。而在嵌入式專業課程教學前,會對部分學生進行基礎知識的加強,開設“C語言與數據結構”,“計算機網絡”,“數據庫及操作系統”等課程,使得學生在開始系統學習嵌入式知識以前,具備學習的基礎。

3.1理論課程體系

嵌入式系統有知識面廣、應用領域廣等特點,因此多數計算機、電子及自動化專業的基礎課程也應該作為先修基礎課程,而本學院面向的學生為研究生層次,因此并沒有在廣義層面上涉及所需要的所有課程,而只是從狹義的范圍進行針對性的設置。課程的開設從嵌入式底層硬件知

識到上層應用程序的開發都有一個較好的過渡。

在對于硬件平臺方面,不但要掌握基本的、共性的硬件結構知識,還應該具備一些硬件設計的基本流程等,課程安排了如“SOC設計方法”、“EDA技術”等,在此設置上更多側重對硬件平臺的掌握,使得學生在具備基本的電子專業類知識的同時,可以對SOC、FPGA等技術有側重地學習,以及對此類項目的開發有較深入的理解。

針對操作系統層面的課程開設,學院設置了“嵌入式操作系統”、“Windows CE軟件設計”及“基于Symbian OS的手機開發與應用”。在此方面“嵌入式操作系統”應該系統介紹主流嵌入式操作系統,從主要數據結構的角度出發,分析源代碼開放的操作系統Linux,輔以μC/OS Ⅱ、RTems等操作系統。課程將重點介紹進程調度、進程間通信、內存管理和I/O驅動機制等,使學生具備裁剪操作系統、移植內核的能力。而對于基于Windows CE及Symbian操作系統的開發,同時也應屬于應用程序的層面。兩個課程并不是分析兩個操作系統,而是基于兩個操作系統的上層軟件設計。Windows CE及Symbian操作系統在手機開發上占據主導地位,使得開設此課程成為必要。

在上層應用程序方面,學院開設“基于VxWorks的嵌入式軟件開發”等課程,并輔助開設部分嵌入式設計方法及工具的相關課程,如“虛擬儀器儀表”、“無線傳感器網絡”等。這些當前較為流行的設計方法與工具可以在某種程度上提高項目開發的效率。因此,該類課程的開設可以拓展學生的知識面,提高學生研發的進度。

3.2實踐課程體系

嵌入式系統知識的實踐性很強。學生在學習了理論知識以后,如何能夠在實踐中掌握并使用所學到的開發方法和技能,是一個值得關注的問題。為此,學院以培養符合社會需要的嵌入式系統方面的人才為目標,充分考慮嵌入式系統開發的關鍵環節、嵌入式軟件開發的特殊性及社會對嵌入式人才知識體系需求的特點等,提出了以多種實踐環節,多層次實驗項目為主要內容的嵌入式實踐課程體系。具體由專業課實驗、課程項目、工程實踐及畢業設計組成。

在專業課實驗設置上,各專業課程設有相應實驗內容,根據本專業實踐性強的特點,學院規定實驗課程學時為理論課程的1/2,以達到在實踐中強化知識,鍛煉綜合能力與檢驗學習的效果。在實驗內容設置上,均側重理論聯系實踐的本質,如“嵌入式系統設計”的實驗課程設置如表1所示。

學生需要在S3C2410平臺上完成表1所列實驗。通過實驗的完成,學生能夠對ARM開發板有了一定程度的了解,完成從理論到實踐的轉變。同時可以鼓勵學生使用開發板進行簡單的創新項目開發。

在課程項目開設上,針對某些課程的特點,對實驗課程的安排除了基本的專業課程實驗外,輔助安排課程項目,如“虛擬儀器儀表”課程,在學習掌握智能儀器儀表的各種技術和理論的同時,通過循序漸進的若干專業課程實驗,最終實現對某電工或通訊等方面的大型項目的設計,使得學生對軟件工具Labview平臺有一定程度的掌握。

工程實踐環節是實踐課程的重要組成部分,學生需要利用5～6個月的時間完成某中型項目的從可行性分析到綜合測試的所有軟件規范的過程。其目的是使學生所學各科專業知識得到整合,并讓學生熟悉軟件工程過程與規范,提高編程能力。學生在完成工程實踐后需要提交詳細的設計說明書、模塊源代碼、測試報告等,教師須根據學生提交的文檔及源代碼進行考核。

3.3公共基礎課

學院同時開設了相關的基礎課程,如“管理心理學”、“知識產權基礎”等。應該說基礎課程的開設是與嵌入式行業、學生自身的發展密切相關的,如知識產權與計算機軟件的關系,而學生長遠的發展也需要管理者的相關知識。這使得此類課程成為了學生必要的知識儲備。

4教師隊伍建設

建立高水平的師資隊伍是教學改革的又一個重要的任務,也是實現建設目標、提高教學質量的關鍵因素。學院通過引進和培養提高的方式增加了師資的數量,優化了師資結構,提高了教師素質,達到合理師生比。學院教師

中1/3為專職教師,1/3為學院聘請海內外著名企業和大學的專家、教授,1/3為其他兄弟院系的教授及優秀教師。良好的教師組成結構和不同的學術背景使教師能夠互相交流,取長補短,融合學術思想和教學觀念,對教學起到直接的推動作用。

5總結

嵌入式系統是近幾年計算機專業迅速發展的一個方向,各高校也在越來越多地關注這個產業及相應的專業人才培養。建立相應的專業課程體系、實驗體系以及教師體系成為當前的迫切需求。本文在對本院幾年來嵌入式專業課程設置及社會對嵌入式人才需求進行分析的基礎上,從社會的實際需求及人才發展的長遠角度,對嵌入式的專業課程體系進行了重組,并對教學內容進行了改革和優化,強化了專業實驗及工程實踐環節,多方面地對嵌入式知識體系進行了整合。

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