嵌入式系統教學體系及方式探討

摘要:本文針對目前嵌入式系統中面臨的問題提出了解決方法。探討了嵌入式系統的課程體系設置、教學內容的安排、教學方法的運用、實驗課程的設置等。從教與學兩個方面指出提高教學質量的可行性。

關鍵詞:嵌入式系統;課程體系;實踐教學

隨著嵌入式系統在工業生產和社會生活中的廣泛應用，嵌入式系統技術越來越得到國內各大高校的重視。嵌入式系統涉及的知識面廣、技術新、難度大，相關的技術資料少，并且仍然在快速發展中，這使得教學面臨較多的困難[1-2]。因此，如何有效地進行教學，在相對緊張的學時內使學生掌握更多的嵌入式系統知識，成為許多高校開設“嵌入式系統”課程要首先解決的問題[3]。

本文結合作者幾年來的“嵌入式系統”本科教學實踐，提出和總結了教學工作中的一些思路和體會，主要有以下一些經驗。

1主要課程體系的設置

嵌入式系統作為后PC時代的核心，所涉及的知識非常廣泛，既有計算機底層硬件的知識，又包含操作系統、應用程序、特定領域的知識等，建立良好的課程體系，對學習者非常重要。

從狹義上講，嵌入式系統知識可分為兩大類，一是針對將來只是應用嵌入式系統硬件、軟件平臺來進行二次開發的學生，應側重學習特定軟硬件平臺的應用系統設計和開發;二是針對將來從事嵌入式系統軟硬件平臺設計的學生，需要重點學習嵌入式系統體系結構及接口設計原理[4]。綜合上述嵌入式系統的知識特點并結合目前教學的實際，把嵌入式系統教學分為三個層次:

(1) 學習嵌入式操作系統，主要掌握特定嵌入式操作系統的基本工作原理、特點及應用。這是學習嵌入式系統的基礎，主要為基于操作系統的軟硬件開發做準備。

(2) 學習嵌入式系統硬件，主要掌握特定嵌入式CPU的體系結構及其相關的接口電路的工作原理、特點，并學習無操作系統下的編程技術。使學生深入理解底層硬件的工作機制及控制技術，為頂層開發作準備。

(3) 學習嵌入式軟件開發，在具備了操作系統及相應硬件知識的基礎上，學習基于操作系統之上的驅動程序及應用軟件的開發。

在這三個層次中，前兩個層次是基礎，第三層次是目的，只有掌握好嵌入式操作系統及相關硬件機制，才能更好地進行嵌入式軟件開發工作。建議開課的具體時間及學時如表1所示。

在表1中，特別加重了實驗教學學時，因為嵌入式系統課程體系要求較強的實踐性，讓學生多動手實踐對提高教學質量很有幫助。

2教學內容的選擇

2.1軟硬件平臺選擇

由于嵌入式系統技術在國內出現時間不長，并且處于快速發展階段，新技術和應用成果不斷涌現，這給軟硬件平臺的選擇帶來了一定的困難。而且不同的選擇直接導致嵌入式軟件開發的技術差異，對教學及學生將來應用的影響很大，需要仔細分析、認真選擇。

選擇的基本原則是應用廣泛或未來有發展潛力的嵌入式技術。根據目前嵌入式系統在國內外發展的現狀，ARM微處理器以其體積小、功耗低、成本低、性能高和應用廣泛成為目前嵌入式系統硬件的首選。而操作系統的選擇則比較困難，既有出現時間較長，市場占有率很高的系統，如VxWorks等，也有出現較晚但很有發展潛力的系統，如Windows CE、嵌入式Linux、μC/OS-II等，各種不同的嵌入式系統均有各自的特點，像VxWorks經過多年的發展，市場占有率高，非常穩定但價格昂貴;Windows CE由微軟公司開發，技術力量雄厚且容易為大多數開發人員接受;嵌入式Linux開源穩定且免費，受到很多企業的推崇;而μC/OS-II結構緊湊小巧，適合教學。

根據選型原則，嵌入式Linux在很多企業得到了應用，并且它的免費特點會有助于未來應用的擴大，因此選擇學習嵌入式Linux有利于增強學生的競爭力。

2.2課程內容選擇

精心選擇授課內容，組織好授課知識體系并詳略得當，略去一些繁雜深奧的細節，而把授課內容集中在需要重點學習的知識點上，對本科學生接受相關內容幫助很大。針對我們的課程體系，各門課程主要講授內容如下。

(1)Linux操作系統:本門課程主要是以普及Linux操作系統基礎知識為主，使得學生掌握其工作的基本原理、組織結構、配置方式等，學會Linux操作系統的基本操作及常用軟件的應用。為開發基于嵌入式Linux操作系統的軟件打好基礎。

(2) 嵌入式系統原理:本門課程主要學習嵌入式系統的基礎知識，介紹基于ARM微處理器的軟硬件開發環境，并學習無操作系統的硬件編程技術。重點學習內容包括三個方面:一是ARM處理器的組織結構及特點，使學生對ARM處理器的整體結構有較好的理解，為學習其接口技術做好準備;二是ADS開發環境，掌握ADS的基本操作流程、相關的配置、理解交叉編譯連接等概念;三是ARM處理器的接口技術，這是學習本門課的重點，不僅要掌握各種接口的工作原理、工作流程及配置方法，還要求能夠利用C語言對其進行編程控制。

(3) 嵌入式軟件開發:本門課程以嵌入式Linux作為軟件開發平臺，在基于ARM處理器上完成軟件開發工作。授課重點主要包括:一是Linux操作系統的深入學習，包括Linux系統的工作機理、系統裁減移植及其系統的開發環境等;二是嵌入式Linux下的驅動程序開發，包括Linux設備驅動的工作原理、開發流程，常用設備驅動程序編寫方法;三是圖形界面的設計，主要介紹基于QT的圖形界面開發方法。

3教學方法的運用

教學方法的有效運用對提高教學效果的作用是不言而喻的，如何在“嵌入式系統”教學中采用合適的教學方法，提高教學的質量，使學生能夠從教學中得到最大的收獲，對教學的成敗至關重要。評判有效的教學方法的標準是看是否能增加學生的學習熱情，能否變被動學習為主動學習。

3.1注重基礎，重點突出

“嵌入式系統設計”是一門綜合性的課程，涉及的知識面比較廣泛，例如既有計算機學科的計算機體系結構、操作系統、程序設計等知識，也有電子學科的電子技術、微機原理等知識。因此，在課堂內容組織上，要分清主次，明確哪些知識僅需了解，那些知識需要重點掌握，并根據重要程度有計劃地組織教學內容和學時，使得整個教學體系層次清楚，詳略得當，為學生順利接受提供保障。

例如在規劃的教學體系中，硬件方面重點是接口技術、要求學生掌握各種接口的工作原理及其編程方法，軟件方面重點是基于嵌入式操作系統的驅動程序設計及應用程序開發，而對于比較復雜的操作系統的內部工作原理分析、操作系統移植、BootLoader等僅作原理性介紹。

3.2以實踐教學帶動理論教學

通常理論教學比較抽象枯燥，學生接受大量的理論知識比較困難，為了提高理論教學的效果，為課程配備了較多的實驗課時，每當在課堂上學習完成一部分理論知識，即安排相應的實驗，由學生親自動手驗證理論知識的正確性并加深對理論知識的理解，這樣把較抽象的理論具體化形象化，學生接受起來相對容易，提高了理論知識的學習效果。

3.3興趣創新的培養

興趣及創新能力的培養需要以應用為驅動力。學生對把所學理論如何應用到實際應用中非常感興趣，以此為切入點，在理論教學時，把實際產品經簡化后引入課堂，介紹所學理論知識在具體產品中的應用方式、方法，并進一步指出理論或產品的優缺點，改進方向等，為學生進一步學習指明方向，從而激發學生求知欲及創新的潛能。如在實際的教學中，介紹mp3產品的工作機理及軟硬件設計方法，學生對此興趣非常高，教學效果明顯。

4實驗教學的設計

嵌入式系統是面向應用的，實踐是整個嵌入式系統課程體系中非常重要的環節。也是加深對嵌入式系統知識理解，培養興趣及創新能力的必經途徑。

我院購買了基于ARM9的實驗教學平臺，該平臺擁有大量的接口設備并配備了嵌入式Linux操作系統，為學生學習ARM底層編程技術、嵌入式Linux操作系統及其上的軟件開發提供了保障，

根據學生的能力特點，我們把實驗課程分為三個層次，便于不同類型的學生選擇。

(1) 基礎性實驗:本類實驗主要是相關課程中最基本的實驗，要求所有學生必須掌握。如在“嵌入式系統原理”課程中，需掌握ADS開發環境、通用端口、中斷、DMA、UART等;在“嵌入式軟件開發”課程中，需掌握Linux實驗環境搭建、各種基本驅動程序設計、簡單應用程序設計等。

(2) 綜合性實驗:是在前面基礎性實驗的基礎上，綜合整個課程的知識，盡可能利用實驗系統上的硬件資源，構造一個具有實際意義的嵌入式系統，綜合性實驗提供多個題目，要求學生選做。如在“嵌入式系統原理”課程中，可以實現無操作系統下的音頻錄放、俄羅斯方塊等程序設計;在“嵌入式軟件開發”課程中也可以實現基于操作系統的類似程序設計。

(3) 設計性實驗:設計性實驗主要提供給學習能力較強并對嵌入式系統感興趣的學生，本實驗主要在計劃外學時進行，由學生自主提出課題或通過其他方式選擇課題，教師適當指導并利用實驗室對外開放時間進行。如通過國家大學生創新性實驗計劃，設立了“智能生命救助儀研究”課題供學生進行實驗。通過完成該實驗，提高了學生研究能力和實際動手能力，使學生進一步理解了不同課程之間知識的有機聯系并深入體會了嵌入式系統面向應用的含義。

5結語

嵌入式系統應用的廣闊前景和未來發展的巨大潛力已得到了全社會的共識，作為培養高級人才的大學，要想又快又好地培養出大批嵌入式系統方面的優秀人才，就需要從嵌入式系統課程體系的設置、課程內容的選擇、教學方法的運用及實驗課程的設計等方面精心研究及組織，其最終目的是提高嵌入式系統的教學質量，培養學生對嵌入式系統的學習興趣，激發學生自主創新能力，為我國嵌入式系統領域發展提供優秀的人才保障。

參考文獻:

[1] 凌明，劉昊，時龍興. 關于嵌入式系統課程教學過程中幾個問題的思考[J]. 電氣電子教學學報，2007(增刊1):94-98.

[2] 孫士明，劉新平，鄭秋梅，等. 計算機專業嵌入式系統實踐教學體系探索[J]. 實驗室研究與探索，2009(5):122-125.

[3] 江敏，錢平，單片機教學向嵌入式教學轉型的幾點研究[J]. 電氣電子教學學報，2005(2):33-34.

[4] 符意德. 嵌入式系統設計原理及應用[M]. 北京:清華大學出版社，2004.

Exploration of Embedded System Teaching System and Mode

LI Jun，YUAN Man，LIU Yan-jun

(College of Computer and Information Technology， Daqing Petroleum Institute， Daqing 163318， China)

Abstract: The problems facing in teaching of embedded systems are analyzed and the solution is put forward. Course system settings about the embedded system， the arrangements for teaching content， the teaching method applying， settings of the experimental courses and so on are explored. The feasibility of improving the quality of teaching from two aspects of teaching and learning is discussed.

Key words: Embedded System; course system; practical teaching

(編輯:彭遠紅)