基于ARM的嵌入式系統教學

楊俊成

(河南工業職業技術學院計算機工程系，河南南陽 473009)

嵌入式技術對于現代工業起著倍增器的作用，各行各業都存在著嵌入式的應用場景［1］。基于此，國內眾多高校、職業技術學院和培訓機構均開展嵌入式系統的教學和培訓工作。對于嵌入式系統這一跨學科、軟硬件集成、與業界需求密切相關的綜合性系統來講，要在短期內建立起一套完整、科學、系統的教學體系絕非易事。

1 ARM教學方法的問題研究

嵌入式系統所包含的教學內容主要有ARM體系結構、匯編語言程序設計、中斷系統、異常處理、I/O設置、UART設置、時鐘、觸摸屏、I2C、I2S及ARM芯片接口的設置，該課程融合了多方面的軟硬件及綜合知識。

大部分的高等院校均是購買某一公司的開發板或者實驗箱，按照實驗指導書指導做實驗。該實驗對于學生的能力培養效果較差，對ARM體系中的流水線結構、地址映射、異常等概念的理解也無法深入，較難綜合應用驅動程序、中間接口層、操作系統等系統級軟件，這樣便導致軟件和硬件脫節。對設計出復雜的綜合性實驗造成困難。實驗過程中缺少考慮培養學生的創新能力、新技術的實踐能力、團隊協作能力和語言表達能力等，因而不符合當今對嵌入式人才的要求。

2 教學改革思路

2.1 教學方法的改革

為使學生更好的掌握基于ARM的嵌入式系統，充分調動學生學習積極性，即采用倒推法授課［2］，第一次上課就讓學生了解一個實際的嵌入式產品。以2010年全國職業院校技能大賽中的自主探月車為實例，將產品分解，倒推出這一產品的開發過程。從產品到部件的倒推歸屬到課程不同章節的內容中，放到相關的教學單元進行講解［3］。在每一教學單元中，以產品的部件為核心，設計出實際開發中需解決的問題。每一章節完成一個任務，這一任務也是其嵌入式產品的一部分，課程學習結束時所有的任務疊加后，就是一個實際的嵌入式產品。

2.2 根據需要調整教材

正確處理現有的教學資源，在了解現有教材的同時要不斷融入更符合教學規律的教學內容［4］。教學內容力爭接近工程實踐，又帶有一定的趣味性和啟發性，讓學生知道如何將學到的知識點應用于工程實踐中。因此要對教材內容作適當編排和修正，使教學計劃更符合學生的學習規律。

調整之前從第一到第八章的內容都是理論部分，主要講述ARM的體系結構、ARM的異常模式、ARM存儲器映射、ARM中斷模式及中斷系統［2］，這部分內容理論性較強、且比較抽象和枯燥，學生學完后無法真正了解ARM，無法用匯編語言實現相關功能，極大地影響了學生的自信心。

在修正后的內容安排中，教師將一些容易掌握并能夠吸引學生注意力、容易看到實驗現象的章節安排在前面，以激起學生的學習積極性。

(1)把S3C2440的I/O操作安排在前面，先用一個流水燈實驗告訴學生，ARM雖然結構較為復雜，但也可像單片機那樣，通過簡單的設置，實現流水燈實驗，以提高學生的學習興趣。

(2)根據學生C語言的基礎，講解基于ARM的C程序設計，并實現一個串口驅動程序，加強學生對ARM體系的理解和C語言的編程能力。

(3)介紹ARM指令系統［3］，并根據指令介紹ARM的體系結構，講解ARM中斷和異常的處理過程，并用匯編程序模擬相應的處理過程，且在內容的講解上要與月球車的啟動代碼結合，強化學生對概念的理解。

(4)將ARM的LCD顯示功能和觸摸屏的A/D轉換放在一起講解，定時器和計數器在實時時鐘、看門狗系統中都會用到，所以這兩章要統一講較為合適。

(5)講解兩種常見的總線，I2C總線和I2S總線，并結合實驗讓學生掌握兩種總線的工作原理。

(6)最后講解在ARM體系結構中，ARM處理器與存儲器之間的內存映射，這是課程的一個難點，并需要前面的一些基礎，因此放到課程的后面學習比較合適。

(7)理論課程學習結束后，設計一個一周時間的綜合實訓，將理論課和實驗課上的知識點鏈接起來，形成一個知識體系，用真實的案例提高學生分析問題和解決問題的能力。

該章節的調整以一種先易后難的方式編排教學內容，取得了較好的教學效果，但并不影響教學大綱所規定的學習內容。

2.3 實踐教學

在實踐教學中，教師并不是將實驗代碼事先寫好，然后給學生分析代碼，而是提出問題，比如如何在月球探測車上顯示圖片，還可將其改為更有趣的例子，比如如何把本人的照片顯示在屏幕中，以提高學生的興趣。之后引導學生分析問題，制定設計方案，帶領學生從第一行代碼開始編寫，逐步實現相對應的功能。當然在實現的過程中，會出現大量的問題，比如寄存器設置錯誤、指針讀取數據錯誤、內存溢出等。這就需要教師對整個項目十分清晰，能在短時間內解決學生所提出的問題并能處理一些突發性錯誤，隨后帶著學生去分析引起這些問題的原因，告誡學生如何避免這些問題，并解決問題，大大提高了學生的動手能力。

2.4 用嵌入式大賽作為實訓項目

為培養學生對嵌入式開發的興趣，在課程學習后期，將學生分成5人小組，以前一年的嵌入式大賽題目為實戰項目，讓學生用一周時間去實現一個嵌入式產品，完成一個正推過程，從一個產品的設計思想到各個部件的實現，最終完成這個產品，之后編寫論文并參與答辯。待國家嵌入式競賽題目公布之后，從中選擇幾名表現優秀的學生，提供實驗場所和實驗器材，由專門教師指導參加全國嵌入式大賽［5］。

3 結束語

文中改革措施已在教學實踐中發揮了積極作用，在日后的教學中，將根據實際情況及時對該課程體系和培養模式進行調整，努力構建一個科學規范的人才培養方案，為企業培養出具有動手能力及創新能力的研發人才。

［1］ 田澤.ARM9嵌入式開發實驗與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［2］ 周立功.ARM微控制器基礎與實戰［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［3］ 胥靜.嵌入式系統設計與開發實例詳解—基于ARM的應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［4］ 鄧春健，李文生.“ARM嵌入式系統”課程教學方法研究［J］.計算機教育，2010(3):94 －96.

［5］ 章民融，徐亞峰.嵌入式教學關鍵點的研究和嵌入式實驗教學平臺的設計［J］.計算機應用與軟件:2009(3):160－162.