淺談嵌入式人才培養

北京理工大學 馬忠梅

淺談嵌入式人才培養

北京理工大學 馬忠梅

從1985年初接觸單片機到現在已有30年，筆者親歷了我國嵌入式系統的發展（從單片機到嵌入式系統，又回歸微控制器），一直從事嵌入式教學和研究。

1997年，在北京航空航天大學出版社出版的《單片機的C語言應用程序設計》是國內第一本單片機C語言書，推廣單片機編程以C語言為主、匯編語言為輔，采用模塊化的編程方法。為了能運行操作系統、連網，由8/16位單片機發展到32位ARM嵌入式處理器。2002年，根據ARM公司提供的資料，筆者組織編寫了國內第一本關于ARM的書——《ARM嵌入式處理器結構與應用基礎》。

由8/16位單片機升級到32位嵌入式處理器，一方面是由于互聯網的普及和高端應用的需求刺激，另一方面是因為8位單片機帶給半導體公司的利潤空間已經十分有限。2002年起，由全國大學生電子設計競賽組委會主辦、Intel公司協辦的“全國大學生電子設計競賽——嵌入式系統專題競賽”，進一步豐富了全國大學生電子設計競賽的形式和內容，推動了高校信息電子類專業教學改革、課程體系及實驗室建設，各高校紛紛開設嵌入式系統課程。2003年起，筆者所在學校開設了嵌入式系統課程，2004年筆者撰寫了《ARM&Linux嵌入式系統教程》，并在本科教學中使用。

Linux的教學難度很大，一般要求學生學過操作系統。早期教授嵌入式系統課，很大精力耗費在教學生怎么用Linux，直到計算機操作系統課程增加了Linux上機實驗情況才有所好轉，但由于理論課時和實驗學時有限，軟硬件很難兼顧。研究生教學一直沒有放棄單片機，從研究生教學調查來看，嵌入式系統應用還是以微控制器為主，因為微控制器使用量大，應用面廣，已有很好的應用基礎。一個MCU設計可以改造一個舊產品，也可以創造一個新產品。MCU對于大學生和研究生來說不僅容易上手，更重要的是集成度高，學生既方便做電路板，能夠學習硬件接口技術和直接面向硬件的軟件編程技術，從而對嵌入式軟硬件有深入的理解。

現在的嵌入式系統教學在很大程度上不是由應用來推動的，而是針對實驗箱廠家提供的內容來規劃授課內容。很多內容是接口技術、匯編編程、C語言編程、操作系統移植，甚至只要ARM+Linux就是嵌入式系統。Linux的優點是開放源代碼，但存在的問題是沒有固定的團隊支持。一旦碰到難點只能網上求援。很多小公司吃了苦頭，不敢再用Linux做產品，因為他們無法把握產品的開發周期，人員耗費的成本巨大。此外，雖然Linux可以免費得到，但是其上流行的圖形用戶界面GUI卻是收費的，按照GPL協議還需公開自己的源碼。

從Intel大學計劃送給高校教學用的PDA參考設計SitSang開發板的培訓教師角度看，硬件部分的培訓教師是開發板的設計者，學電子技術的講授硬件原理，軟件只是用C語言編寫測試程序來測試開發板各個部件是否工作正常。軟件部分的培訓教師是學計算機的，講如何移植Linux、設計驅動程序和應用程序，可見大公司軟硬件人才的分工是很明確的。反觀我們的嵌入式Linux，還陷在移植和底層接口模塊的使用上，這些適合偏硬件的人員來做，離開發出產品還相去甚遠。

半導體廠商偏愛Linux是因為它免費，只要移植到評估板上就能證明它的處理器是正常工作的，而真正想要開發出產品還得搭建應用平臺，目前大廠商都有手機平臺或汽車電子平臺。軟件類嵌入式系統教學與硬件類嵌入式系統教學有所不同，應側重平臺搭建、GUI應用開發，讓學生能把自己的創意實現出來。至于編程，應以C語言為主、匯編語言為輔，需優化時采用模塊化混合編程。嵌入式系統課程實踐性非常強，若成為了理論課就失去了它的意義。

各個專業的嵌入式系統教學應有所側重，不能千篇一律，只有把國內的嵌入式應用推動起來，培養的學生才能滿足工作需要。這樣看來，本科教學電子技術專業應側重講接口技術和驅動程序設計，非電類的對象應用專業應側重單片機接口和C語言編程技術，計算機專業應側重GUI應用和驅動程序。

現在安卓（Android）的開發板更加方便了應用的編程，學生可在手機上開發，完成后再移植到實驗室的開發板上。操作系統移植并非一般教學內容，應安排在本科畢業設計或研究生階段，實際教學能做到“師傅領進門，修行在個人”即可，主要是培養學生對嵌入式系統的興趣，而不是由于涉及面太廣、難度太大，使學生們望而生畏。各高校嵌入式系統課程多為選修課，學時有限，規劃主要教學內容和實驗內容側重點是教師的首要任務。

ARM公司推出專門針對微控制器市場Cortex-M內核后，微控制器的選型不再以8位、16位和32位來區分，而是以高、中、低檔芯片來劃分。因為這些微控制器都有統一的機“芯”，區別只是它們的外圍部件和廠商的技術支持不同。這樣，工具和軟件都可以重復使用，不用購置各種開發工具。事實上，在芯片的整個成本中CPU只占很少的一部分，芯片的價格不是由CPU核來定的，再按位數來評價MCU已經沒有意義，應按外圍部件和Flash容量等來定。這顯現出通用的內核、廣泛的支持、一致的開發環境是未來的發展趨勢，也是嵌入式系統教學的新曙光。

2010年筆者撰寫了《ARM Cortex微控制器教程》，包括4家公司的MCU，主要涉及GPIO、中斷和定時器的片上資源基本編程，力圖比較各家的編程方式。主要目的有兩個：一個是推動高端MCU不要再面向寄存器編程，而要使用庫函數；另一個是體現Cortex MCU有很好的生態環境，獲得多家廠商支持。還有一點是，盡量給出寄存器名、指令等的英文原義，而這是國內翻譯資料沒有注意到的。通過LM3S競賽看到，優秀的大三學生一個月就能上手Cortex微控制器。這種32位MCU完全可用C語言編程，不涉及匯編語言。片上外設的寄存器配置更加復雜，支持的工作方式也更多。廠家紛紛都提供了庫函數，只要用戶依據參數配置外設，使用庫函數就能方便地操作外設，不必再記住寄存器名、寄存器位定義去使用匯編語言了，而這也是學習單片機難度最大的地方。現在編程只需關注外設的工作方式，了解有哪些操作即可，大大降低了學習門檻。只要學會C語言，實驗指導書中許多樣例程序就可直接使用。

總之，嵌入式系統教學所用的處理器應選用主流芯片，如有廠家大學計劃支持更好。如果教學偏重硬件設計，要教會學生制板、做硬件應用系統，最好是選擇8/16位芯片、Cortex-M芯片。200MHz以上的Cortex-A芯片對布線的要求較高，而且表面貼裝引腳多的芯片也需要專門的焊接設備。如果沒有編程基礎，則可以從8051單片機入手，畢竟用匯編語言的寄存器和存儲器的傳送指令，感覺更直觀些。況且，8051單片機教材是經過多年摸索，消化了國外手冊的內容編寫出來的。不同基礎、不同專業背景的人應根據自己的情況酌情選擇，傾向哪家的處理器也是需要考慮的內容。

興趣是最好的老師，一通百通，大可先專注一家的產品，諸如價廉物美的口袋實驗室開發板和廠家評估板等。

馬忠梅，北京理工大學副教授，多年來一直從事嵌入式教學和研究工作，編寫的教材有：《單片機的C語言應用程序設計》、《ARM嵌入式處理器結構與應用基礎》、《ARM&Linux嵌入式系統教程》、《ARM Cortex微控制器教程》等。

??薛士然

2015-06-02）