嵌入式系統競賽與課程建設如何相互促進

張 炯 牛健偉

摘要:本文首先闡述了計算機系統設計競賽與教學工作相互促進的意義,并具體以嵌入式系統的競賽與課程建設為著眼點,介紹了北京航空航天大學嵌入式系統課程的教學理念、教學內容和教學方法,并以具體的嵌入式系統設計競賽實例,說明競賽與教學這兩者之間的相互支撐作用。

關鍵詞:競賽;嵌入式系統;課程建設

中圖分類號:G642文獻標識碼:A

1引言

根據Intel資深院士Gene Meieran博士的看法,汽車是20世紀的工業產品代表,集成了大量的以能源密集型的工業技術;而計算機則代表了21世紀工業發展方向的集成,信息密集型技術成為關鍵,兩者對比如圖1所示。

更進一步的解讀,可以發現以上的對比說明,20世紀工業效率高低依賴于能源的分發(Energy Distribution)是否高效,其效果特征是粗放式的功耗管理導致能源的浪費,典型后果是全球性的能源危機和氣候變暖;21世紀工業效率高低依賴于知識和信息的傳播(Knowledge Distribution)是否高效,其效果特征是計算需求劇增而同時存在大量信息浪費和分布不合理,典型后果是知識爆炸和垃圾信息的困擾。

從IT技術的角度來看,如何面對上述對比而揚長避短來迎接這種挑戰現狀呢?我們認為,很重要的一個原則是,要讓知識和信息更高效的傳播,既要提供更強的計算能力來應對信息爆炸,還要讓計算所依賴的能量消耗得到更精細的控制,兩者的結合點就在于并行計算和嵌入式的計算的融合,而汽車和計算機恰恰是嵌入式系統在兩個不同發展階段的典型代表。從技術進步的現實來看,汽車上的嵌入式計算系統越來越多,計算能力越來越強,可以對能源的消耗有更精細的管理和控制,現代的節能汽車依賴于計算能力的進步;另一方面,隨著計算能力提高而增加的功耗可以利用多核處理器架構來相對降低。“2008年英特爾杯國際大學生嵌入式系統專題邀請賽”恰恰就是一個體現這種思想的競賽活動,其競賽內容對并行計算和嵌入式系統計算都有很高的要求,在具體的競賽系統實現上則要求兩者很好的融合。

近年來,中國嵌入式系統市場發展十分迅猛。在這種背景下,北京航空航天大學計算機學院于2003年初為我院本課生和研究生開設了“嵌入式系統”課程(以下簡稱“本課程”),在課程建設過程中得到了Intel公司的大力支持。該課程的一個重要原則是,在重視對基本專業知識的全面理解和綜合運用的基礎上,更加注重對學生學習興趣的調動和創造力的培養。由于“嵌入式系統”課程是一門實踐性很強的學科,因此我們在教學過程中,十分強調理論和實踐相結合,突出實驗課程的重要位置。

理論教學與實踐相結合的方法,除了設置較高課時比例的實驗課程內容,在“嵌入式系統”課程中還體現在與完整具體的實際系統設計需求相結合。更進一步地,嵌入式系統設計競賽,由于應用需求的復雜性和多樣性,往往需要結合多種硬件、軟件、工具和設計方法來完成設計,對于學生能力的全面考察更具意義,故本文以嵌入式系統設計競賽和相關教學工作相互的有益影響為著眼點,分析兩者之間的相互支撐作用。本文以我院2005級本科生參加“2008年英特爾杯國際大學生嵌入式系統專題邀請賽”與本課程關系的案例,談談競賽與課程建設相互支持,促進創新的幾點感想。

2課程內容簡介

本課程設計為:本科三年級春季學期,48學時(其中,理論24學時,實驗課24學時),2學分。為配合該課程的教學需要,自主編寫了《嵌入式系統設計實驗教程》。課程實驗依托北京航空航天大學國家級實驗中心的嵌入式系統實驗室,該實驗室得到了美國Intel、Microsoft、Altera、Mentor Graphics等公司的支持和贊助。實驗室設備先進,軟硬件功能齊全,實驗理念和技術水平與國際接軌,為學生提供了一個綜合設計與開發的實驗場所。主講教師受到Intel高校合作計劃的資助,多次參加國內外相關技術和教學研討會。 本科生的實驗課包括基本實驗和綜合設計實驗。綜合設計實驗主要培養學生綜合設計能力和創新意識,由學生獨立提出、設計并實現,要求學生自由組合為3～5人一組,設計并實現一個嵌入式系統,鼓勵學生提出原創性的內容,同時結合實驗平臺的特點提供部分備選題目,如POS機、游戲機(Game Machine)、ATM機、打印機等。學生可以根據自己的空閑情況,自由安排其實驗時間。項目實驗的題目由教師推薦和學生自選相結合,因此既可以調動學生的積極性,培養學生的創新潛能,又達到了培養學生綜合創新能力的目的。

項目式的實驗管理過程是本課程實驗部分的一個亮點。并非所有實驗小組都能取得試驗資格,需要根據其對選定方向所作調查和準備工作的具體情況來進行評估,合格者方可獲得實驗資格。為便于上述評估,實驗小組應按順序提供下列實驗文檔,格式符合相應軟件工程文檔的規范。

(1) 實驗項目申請書(Project Proposal)

實驗項目申請書應該是一份描述試驗計劃的報告,說明實驗者選擇的試驗方向,為何選擇該方向,感興趣的地方何在,可行性如何。該申請需要答辯通過由任課老師及助教組成的評審團的審查。該報告中應該包括如下組成部分:

? 實驗動機(Motivation for the project);

? 設計目標(Description of what it does);

? 技術路線(Description of how you plan to do it in brief);

? 需要的支持(Help needed);

? 概要步驟(Possible steps in brief)。

(2) 實驗計劃

在實驗者上述的試驗申請獲得批準后,應該完成實驗項目計劃書(Experiment/Project Plan)。

實驗項目計劃書應該包括:

? 項目需求(Requirements);

? 系統結構(Architecture);

? 測試方案(Testing);

? 實驗時間(Time estimates);

? 可能的檢查點(Checkpoint)。

(3) 實驗的仿真驗證

因為并不是所有的實驗內容都可以并且需要真的完成目標系統的真實功能,所以實驗者應進行實驗的仿真驗證,即通過在實驗平臺上以仿真系統的形式來驗證實驗計劃中提出的系統結構。該仿真系統應該包括與目標系統一一對應的軟件和硬件,能夠完成目標系統的基本功能,并最終作為本實驗的演示系統。

(4) 課程設計實驗報告(The Final Report)

完成實驗后,實驗者應提供關于試驗的課程設計實驗報告(The Final Report),該報告同樣必需通過最終的答辯,獲得評審團的評價,以便結合實際演示給出實驗成績。具體內容應該包括:

? 實驗環境介紹(Environment);

? 準備情況(Preparation);

? 設計流程(Design Process);

? 難度分析和評估(Difficulty);

? 實驗結論(Conclusion);

? 經驗體會(Experience)。

以2008年春季課程本科生第四次實驗為例,共60名本科三年級學生參加并完成試驗,實驗中分為12組,每組5人,其中11組在課程內完成實驗,完整提交了上述所有要求的文檔,符合每個檢查點的要求。另有一組參加“2008年英特爾杯國際大學生嵌入式系統專題邀請賽”,未能參加所有基礎實驗,但由于競賽成績突出,最終給予該小組優秀成績。

3案例分析

2008年3月～7月,我院3506大班的沈悅雯、朱瀝可、慕騰飛3名本科三年級學生組隊參加了“2008年英特爾杯國際大學生嵌入式系統專題邀請賽”并獲得了二等獎,參賽項目為“TransCube-基于Visual Hull算法的立體傳真機”,指導教師為張炯博士。該競賽由教育部高等教育司和信息產業部人事司共同主辦,英特爾(中國)有限公司協辦,上海市教委、上海交通大學承辦。邀請賽邀請中國大陸,香港,馬來西亞,印度及美國共72所高校,160支隊伍參加。全國專家組于2008年7月15日至21日對參賽項目進行了嚴格的評審。

回顧競賽的過程,我們認為有以下經驗值得參考。

(1) 充分利用“嵌入式系統”課程同期開設的有利條件。由于本次比賽是屬于面向嵌入式系統應用的競賽,所以在理論課的講授過程中,就可以進行有針對性的準備,既能鍛煉參賽選手,也對未參賽的同學有所幫助。在實驗課的部分,由于本課程鼓勵原創性設計,并采用項目式的實驗管理模式,而且同樣需要進行文檔整理和演示答辯等環節,與競賽在形式和內容上都頗有相似之處,使得參賽選手非常適應這種鍛煉方式。

(2) 注意分析競賽要點從而強化參賽項目中相應的關鍵點。本次競賽首先是嵌入式系統設計競賽,但由于競賽項目的硬件平臺是Intel公司提供的雙核處理器平臺,所以本次競賽與前三屆的一個重要不同在于增加了多核并行編程的得分點。基于這個考慮,我們在3個參賽選手中特別安排了1名同學來專門進行這個得分點的分析、設計和編程。由于在本課程建設內容中已經包括了“多核計算架構”等課程內容,所以該同學已經初步具備了相關基礎,使得這個工作得以很好地完成。

(3) 重視項目的創新性,鼓勵參賽選手的主觀能動性。為了競賽的創新性和公平性,我們在得到競賽通知后沒有任何項目基礎甚至項目創意的情況下組隊,之后用了一周的時間由指導教師組織3名參賽選手一起進行多次頭腦風暴形式的討論會,逐步明確了項目創意,并初步進行了可行性分析。由于創意來自個人靈感和集體批判,充分體現了參賽選手的創作意愿,所以在以后的設計和實現過程中,雖然遇到了一些困難,大家都積極而樂觀的去克服。幾位參賽選手多次表示,由于對項目本身很有興趣,所以積極性很高,是否得獎反而不成為關注的重點。圖2是參賽選手自己動手制作“立體傳真機”的“傳送箱”。

(4) 注意與參賽過程的生態環境充分互動。參賽過程是動態的,有時間跨度,也有空間的轉換。給參賽選手創造便利的時間和空間是必要的,所以我院各個部門的大力支持非常有幫助,前者如允許他們在“嵌入式系統”課程的實驗課時間進行參賽項目的研發,后者如我院特別為他們提供了專用實驗場所。

4結束語

本次競賽參賽經歷和“嵌入式系統”課程幾年來的教學實踐表明,與工業界和市場需求結合,面向實踐的教學實驗模式的建立與實施,實現了教與學的有機結合,理論教學和實踐環節的高度統一,優化了學生的知識結構,培養了學生的創新意識,提高了學生的綜合設計和工程實踐能力,成為了在競賽中取得好成績的重要基礎。理想的課程建設應該在滿足課內授課目標的基礎上,嘗試從能力鍛煉的角度以競賽等形式促進創新能力的培養。

參考文獻:

[1] 牛建偉,張炯. 北京航空航天大學嵌入式系統課程建設[J]. 計算機教育,2007(7):64-65.

Embedded System Designing Contest Supported Each Other with Related Curriculum

ZHANG Jiong, NIU Jian-wei

(School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China)

Abstract: We think embedded system designing contest has a good support effect with related curriculum and vice versa. This paper analyses a contest case to support this point and list some experience points after discussing the teaching concept, content and methodology of embedded system course of Beihang University.

Key words: contest; embedded system; curriculum; computer education