以目標板任務為導向，整合嵌入式軟硬件教學

王　彥　李宏力　趙家華　徐　亮

摘 要:本文提出一種從工作原理和技術參數方面設計目標板的思路,并將設計、制作、調試、開發目標板的實驗引入教學中,對各種軟硬件教學都適用。使用目標板替代實驗箱、實驗臺,提高了學生的動手能力,培養了學生的實踐能力,是一種創新型人才的培養方法。

關鍵詞:嵌入式系統;目標板;任務驅動;創新

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

創新是一個民族的靈魂,是人類社會發展的不竭動力。在建設創新型國家的過程中,高等學校承擔著培養拔尖創新人才的神圣使命。要以加強大學生創新精神和實踐能力的培養為核心目標,就必須積極推進大學人才培養模式的改革和創新。

嵌入式系統的產生是多學科融合的結果,這些學科包括計算機、電子、半導體、通信、控制等。嵌入式系統廣泛應用于工業自動控制、智能交通、信息處理、儀器儀表、航空航天、汽車電子、通信技術、安防系統和信息家電中,它的設計方法的演化由應用需求牽引和IT技術推動。嵌入式系統通常面向用戶、面向產品、面向特定應用,產品具有較長的生命周期,軟件固化存儲,OS內核小,OS和應用程序的區分不明顯。

1 嵌入式系統教學方法變化的背景

嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件,通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備管理、網絡通信、圖形界面、文件系統等模塊。它具有通用操作系統的基本特點,能夠有效管理越來越復雜的系統資源;能夠把硬件虛擬化,使開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來;能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及一些典型應用程序。嵌入式系統開發與桌面應用開發有很大區別,它的軟件和系統平臺緊密相關;嵌入式系統將迅速發展和普及,但不會取代傳統的單片機嵌入式測控系統,二者的發展空間并不沖突;嵌入式系統設計開發中的處理器、操作系統選擇比傳統的單片機具有低功耗高性能的優點。

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。以下就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的培養體系。

目前,大多數學校嵌入式實驗實訓課授課都采用嵌入式實驗箱,它雖然降低了嵌入式課程的授課成本和實驗難度,但也帶來了一系列問題。嵌入式實驗箱的硬件相對固定,擴展其他硬件相對困難;硬件線路固定,相當于一個“黑匣子”,使用者無法知曉硬件線路就可以完成實驗;對使用者來說,使用機器碼輸入枯燥無味,只是查找輸入錯誤,與嵌入式程序調試概念大相徑庭。

長期使用嵌入式實驗箱會阻礙使用者對嵌入式學習的興趣,扭曲對嵌入式設計的概念:認為輸入些機器碼就是嵌入式設計了。其實嵌入式設計是一個范圍非常廣的概念,從系統設計到軟、硬件的設計,從嵌入式核心到外圍器件的選取,甚至非電量器件等交叉學科的內容,都屬于嵌入式設計的內容。

2 嵌入式系統設計最小目標板教學實踐

嵌入式系統設計最小目標板主要完成以嵌入式為核心的,包含存儲器、A/D、D/A、鍵盤顯示、輸入輸出端口、時鐘等外圍電路的幾種嵌入式目標板的硬件設計與制作,并編寫相應的軟件。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,以利于學生學習及創新設計。設計工作以完成嵌入式最小系統板任務為導向,將理論與實踐進行有效合理的整合,將工程實踐分解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,強調學生自主學習,在實際工程環境中掌握和內化工程理念。

嵌入式系統最小目標板設計任務包括嵌入式系統硬件與軟件的設計,以模擬電子技術、數字電子技術及計算機輔助設計與單片機原理與接口技術等課程教學為基礎,旨在加強對學生設計能力的培養,提高學生的電路設計和軟件開發能力。通信技術專業的實踐教學可基于現代電子技術進行信息的采集、傳輸、處理、檢測、控制,應用現代通信網工程,以信息與通信工程技術為主線,融電子技術、計算機技術、自動化控制技術于一體,軟硬件課程結構如圖1所示。

教學改革了考核方式,加強對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方式,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%。實驗與課程設計題目每年更新,學生在完成實驗的基礎上選定題目進行設計,根據自身能力選擇不同難度的題目,分值依據題目難易程度而定。學生在不斷改進、反復鍛煉中提高了分析問題、解決問題的能力,在實踐過程中真正做到舉一反三。

為了使實踐內容和教學內容聯系得更緊密,教師可結合前面所講的教學層面要求,要求學生設計實踐核心板與擴展板,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、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“嵌入式系統設計”的工程訓練,促進大學教育中創新型人才的培養。

在教學過程中,學生完成了以計算機、電子、半導體、通信、控制等多學科相融合的嵌入式最小系統板的軟、硬件設計任務,加強了對嵌入式軟、硬件和“嵌入式設計”概念的了解,從而實現對軟、硬件課程教學的整合。

3 結束語

以目標板任務為導向,整合嵌入式軟硬件以嵌入式目標板的軟、硬件結構的設計任務驅動教學,制定切實可行的教學計劃、大綱及實施細則,并在教學過程中逐漸完善,是一種新的嘗試,是創新。該項教學的主要特點有:

(1) 嵌入式系統是多學科融合的結果,包括計算機、電子、半導體、通信、控制等技術。教學過程以學生完成任務為導向,是對教學方法的創新嘗試。

(2) 嵌入式目標板的設計可以培養學習者對嵌入式學習的興趣,學生通過學習和完成嵌入式目標板的設計,掌握嵌入式系統設計和嵌入式軟、硬件設計的正確思路,熟悉嵌入式硬件和編程語言,增加對嵌入式外圍器件和非電量器件等交叉學科的了解,在完成任務的過程中整合有關的硬件課程,為以后的學習和工作打下良好的基礎。

(3) 學生設計嵌入式最小系統時熟悉硬件結構,再進行創新設計,突破了以往教學驗證實驗的單一模式。

(4) 嵌入式最小系統可以回收再利用,供軟件類專業學生仿真編程或練習用,節約了實驗成本。

(5) 嵌入式技術發展迅速,學生在嵌入式最小系統的制作過程中可以更快地跟進技術的發展,有利于就業。

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