項目驅動的嵌入式系統教學改革

冀常鵬，馬 飛，徐 維

(遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧葫蘆島125105)

0 引言

嵌入式系統是以微控制器為核心，將其嵌入到產品或設備中以實現其功能數字化和智能化的系統。嵌入式系統的應用十分廣泛，覆蓋了包括消費類電子、智能家電、工業控制和通訊網絡、儀器儀表、汽車電子和醫療電子等領域［1]。

嵌入式系統是訓練軟硬件綜合能力的一個極好的載體。在IEEE/CS的Computing Curricula 2001中把嵌入式系統課程列為計算機工程學科的領域之一，把軟硬件協同設計列為高層次的選修課程。美國科羅拉多州立大學嵌入式系統認證課程目錄包括“實時嵌入式系統導論”、“嵌入式系統設計”和“嵌入式系統工程”等課程。美國華盛頓大學嵌入式系統課程的名稱是“嵌入式系統設計導論”，它基本包括了前面三門課程的內容。我國高校的信息類相關專業，如計算機、自動化、通信和電子信息等專業已將嵌入式系統課程列入必修課程。

1 嵌入式系統知識體系

嵌入式系統通常定義為一種以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可以剪裁，適用于系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的知識體系如圖1所示，可見，嵌入式系統所涉及的內容從硬件到軟件，涵蓋非常廣泛［2，3]。

圖1 嵌入式系統的知識體系

2 嵌入式系統教學體系建設

嵌入式系統教學有以下三個特點［4]:

1)綜合性:嵌入式系統集軟硬件技術于一體，需要進行軟硬件協同設計。它涉及電子、計算機、自動控制等相關專業的知識，課程上綜合了數據結構、操作系統、微機原理、單片機和軟件工程等課程;

2)實踐性:涉及的多種專業知識包括操作系統和微機原理、編程語言程序設計、計算機網絡和單片機設計等課程內容。嵌入式系統是軟件和硬件設計的完美結合，可以有效訓練學生的綜合能力;

3)應用性:嵌入式系統的教學應當從應用出發，將工程應用的案例和項目滲透到教學之中，提升學生實踐動手能力。

3 嵌入式系統原理與應用課程實踐

3.1 教學大綱

“嵌入式系統原理與應用”課程的主要內容包括:①典型嵌入式系統的基本配置、硬/軟件綜合設計方法、流程和應用范例;②微處理器、存儲器、I/O口、外設接口和驅動、電源轉換和管理、總線和硬件調試;③嵌入式操作系統概念、內核、WinCE和uCLinux、任務和任務調度、RTOS、GUI、API和文件系統等;④軟件開發過程、交叉編譯、鏈接調試、下載和板級支持包(BSP);⑤設備驅動機制、按鍵和觸摸屏驅動、網口驅動、紅外和USB驅動。

3.2 實驗大綱

實驗平臺采用三星公司的S3C2410教學開發平臺，操作系統和圖形界面采用μCLinux和Windows CE5.0等。實驗內容分為2個層次。

基本實驗包括嵌入式軟件開發基礎實驗、人機接口實驗、通信與音頻接口實驗、簡單驅動程序實驗和嵌入式操作系統移植實驗等。

綜合應用實驗給出多個題目，每組選擇其一，學生也可以自選題目，但需經過可行性審查。期末要求每人提交一份報告和程序，并答辯和演示成果。其中包括“按鍵驅動程序設計”、“串口驅動程序設計”、“嵌入式Web服務器實現”、“基于WWW服務的智能家居應用”、“圖形用戶界面的移植”、“觸摸屏驅動程序設計”和“MP3音頻播放”等專題。

4 工程項目驅動的課后體系

實踐教學模式應當是嵌入式系統教學的核心，培養學生動手能力是嵌入式系統教學的關鍵，應以典型的工程項目為對象，分解提煉出其中的理論知識點和實踐知識點，并將它們滲透到理論教學和實踐教學之中［5]。

嵌入式系統是一個綜合性很強的知識體系，所涵蓋的課程較多［6]。如果在課程教學中引入工程項目，則可以將枯燥抽象的理論轉變為形象實用的案例，可以起到事半功倍的效果。根據嵌入式系統課程之間內在的關系，可以將其分為五個層面，如圖2所示。圖中的箭頭表示課程之間的順序關系，代表了課程之間的互為基礎和前后承接的關系。

圖2 嵌入式系統課程體系

(1)硬件層面:這個層面從電子技術的基礎開始，逐步深入到嵌入式系統所涉及的硬件知識體系，教學的中心是提升學生的電路分析和設計的能力，達到獨立完成嵌入式系統硬件設計的目的。

(2)計算機軟件層面:主要涉及到計算機相關的知識和技術，如從操作系統原理過渡到嵌入式操作系統，從C/C++程序設計、數據結構等程序設計相關課程過渡到嵌入式軟件設計。

(3)測試層面:測試技術對保證產品質量是至關重要的，因此應當開設嵌入式系統測試課程。因為嵌入式系統是軟硬件的綜合體，所以測試技術應當兼顧軟件和硬件。

(4)工程管理層面:嵌入式系統產品的開發是一個系統工程，因而需要開發者掌握軟件工程及UML等工程化開發的理論和工具。

(5)專業領域知識層面:嵌入式系統除了涉及其本身的知識外，還應當與所應用的領域結合起來，比如機頂盒應結合數字電視技術及其技術標準等;自動化控制產品應結合控制原理等課程;3G產品則應結合無線通信技術等。

我們可以采用了課內外相結合的方式，建立嵌入式系統開放實驗室和創新實驗室，給學生提供課外實踐的平臺，補充課內實驗課時的不足。

我們在講授嵌入式通信網絡之后，增加一節對嵌入式通信網絡組成的分析。部分學生表明想嘗試設計一臺串口服務器。我們在此基礎上，引導學生自己去查找資料，自擬題目寫一篇關于嵌入式系統應用的說明材料或報告。

由應試教育向素質教育的轉變，考核方式的改革是一個重要因素。本課程學生的綜合成績的評定，由期末考試成績(60分)論文報告成績(15分)及實驗成績(25分)構成。這樣更能全面和客觀地反映學生的學習情況。

5 結語

從教學實踐來看，以工程項目驅動的嵌入式系統教學模式可以有效地縮短學生與實際應用之間的距離，培養學生獨立思考、創新研發的能力。實施這一模式，對教學人員的能力，特別是實踐能力要求較高，應當建立有利于提升嵌入式系統教師實踐能力的機制。不斷更新教師的知識體系，這樣才能使嵌入式系統教學朝縱深的方向發展。

［1] 梁宜勇，王曉萍，趙文義等.“嵌入式系統”課程教學與實踐探討［J] .北京:中國大學教學，2009(5):36-37.

［2] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程M.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［3] 李軍，袁滿，劉彥軍.嵌入式系統教學體系及方式探討［J] .北京:計算機教育，2010(6):97-99.

［4] 丁珠玉，張濟龍，吳永烽等.嵌入式系統課程實踐教學模式的研究與探索［J] .重慶:西南農業大學學報(社會科學版)，2009，7(6):182-183.

［5] 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] .上海:實驗室研究與探索.2009，28(5):122-125.

［6] 王蘇峰，肖儂，唐玉華等.嵌入式系統的多樣性教學探討［J] .北京:計算機教育.2008(14):53-54.