以設計方案為導向的嵌入式系統教學改革研究

董華松

摘 要 提出以設計方案為導向的嵌入式系統教學課程改革思路，根據課程現存問題，介紹如何在嵌入式系統課程中融入總體設計方案，并細化延伸到局部的教學方法，對于同類課程教學活動的開展有一定的參考價值。

關鍵詞 嵌入式系統；設計方案；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）17-0109-02

1 引言

嵌入式系統是一門綜合性很強的課程，主要由計算機類、電子類、自動化類學科作為高年級的必修或限修課程開設。隨著“互聯網+”這種互聯網思維的不斷升級實踐和深入生活，嵌入式系統僅作為工業級應用已經成為昨日黃花，物聯網將成為嵌入式系統的最主要應用方向之一。以ARM內核芯片為處理器的智能通訊系統成為智能手機中相當龐大的一支力量。嵌入式系統正如其名一樣，逐漸嵌入到人們的日常生活中。

嵌入式系統課程實踐性要求高，經費緊張，歷史短，積累經驗少，因此嵌入式人才匱乏，缺乏嵌入式系統人才的問題已經阻礙嵌入式產業的可持續發展[1]。由于需要軟硬件結合進行教學，注重動手實驗，需要理論與實踐并重的方法，因此，嵌入式系統教學改革需要的理念與近年來興起的CDIO工程教育模式不謀而合。

2000年，美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所院校經過四年左右的研究，提出CDIO工程教育模式的理念。CDIO的C、D、I、O四個字母分別代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）。CDIO培養大綱將學生能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，要求以綜合的培養方式使學生的學習達到預期目標[2]。也就是說，關注學生工程實踐經驗的形成和累積，鍛煉動手能力是工程教育模式的主要目標。

國內外很多大學都很關注這一模式，已經有幾十所國外著名大學加入CDIO組織；國內也有多所院校加入了教育部的CDIO工程教育模式研究與實踐課題組試點工作組。這對于嵌入式系統的教學改革提供了很好的外部平臺，并有方向性的指導作用。

以設計方案為導向的嵌入式系統教學的改革以建立學生的系統工程體系為主要目標，以總體設計和局部設計為著眼點，發掘學生的分析、解決問題和構建方案的能力，力求在以后的工作中能夠學為所用。

2 教學現狀

嵌入式系統課程綜合性強，內容多而龐雜，需要的先修課程多，包括C語言程序設計、操作系統、Linux操作系統、數字邏輯、電路基礎等諸多課程，一般開設在大三的下學期或大四的上學期，這樣先修課程學生能夠比較充分地完成。中國石油大學的嵌入式系統課時為32學時，其中16學時為實驗學時，授課學時較少。學生雖為工科學生，但以計算機科學與技術和軟件工程專業的學生為主，硬件基礎差，動手組裝、焊接能力不強；但對于軟件系統的設計、分析、理解和編程能力較好。目前嵌入式系統課程安排在大四的上學期，但學生面臨考研、工作等重要的人生選擇問題，學習熱情有所下降，部分實驗不能在規定時間內完成。

但從總體教學情況來看，絕大部分學生的學習熱情很高，對于這個較新的課程門類很感興趣，對課程的實用價值和能夠學到的知識認可度很高。很多學生課程結束后都有意猶未盡的感覺，經常與筆者交流：能否多來實驗室進行練習？是否有相關課程可以旁聽？等等。但是苦于入門比較困難，而且需要投入較多的時間進行軟硬件調試和練習，很難有實質性的提高。

3 以設計方案為導向的教學方法改革

因學生的基礎較弱，因此課程重點集中在培養系統設計方案的規劃和嵌入式操作系統的理解和實現。以嵌入式Linux為主要平臺，對于系統的層次結構、底層硬件構件，嵌入式Linux操作系統的剪裁、編譯、移植，Bootloader的編譯和燒寫，驅動模塊的編寫和編譯，以及在系統中的使用進行介紹。

在教學中以一個GPS定位系統為例，從總體設計開始介紹，讓學生從系統角度開始認識嵌入式系統的組成，包括硬件構件和軟件構件，讓學生簡單了解嵌入式系統的概念。作為一個典型的嵌入式系統，GPS定位系統包含了一般嵌入式系統中常見的硬件組件（如液晶屏幕、鍵盤、天線、CPU、ROM、Flash等），也包含了常見軟件構件（如嵌入式Linux操作平臺、地圖存儲數據庫、地圖的查詢和顯示系統等），具有較好的示范效果和引導作用。

在教學實踐中從需求分析開始引入總體的設計方案，引導學生思考系統需要的基本硬件和軟件組件，然后進入到每個組件的局部，分別進行說明和介紹。如引導學生分析GPS定位系統的功能后，引出硬件組件中液晶屏幕是必選組件，然后進一步深入介紹其相應的結構、類型、基本原理、選件要點，另外對于液晶屏幕和其他組件的連接方法、與哪些部件相連、如何供電進行進一步延伸。接下來從供電系統又可擴展到如何降低系統能耗，哪些部件是耗電大戶，如何完成低功耗的配置和在設計中如何減少不必要的電能消耗，電池的類型以及選擇方法。

對于CPU部分的介紹可引入對于嵌入式處理器的類型、結構、通用功能說明，同時引入ARM架構處理器。對于ARM處理器則可進一步詳細闡明其內部結構、寄存器和流水線技術、指令系統、異常處理方法等相關內容。

對于軟件組件，如Bootloader部分，也可以采用類似的方式。首選在嵌入式系統整個軟件的總體結構中體現Bootloader的位置和作用，然后延伸到Bootloader目前的版本、類型，最后進入其內部結構，分別介紹stage1和stage2兩個部分的基本結構和功能、啟動的順序等內容。其他部分組件依次進行延伸介紹和說明。

這樣從總體到局部，從系統設計方案開始，逐漸進入各個局部部件，讓學生首選對整體的嵌入式系統有個認識，簡單了解嵌入式系統的概念，引起學生的學習興趣，且不讓學生望而卻步，再進一步到系統的各個組件的具體內容，逐個進行介紹和說明，層層遞進，達到較好的教學效果。

4 結束語

“以設計方案為導向”的嵌入式系統課程改革的方法每個學期都會根據學生的情況進行微調，大部分學生的學習熱情得到較好的提升，課程總結、實驗報告的質量都有了一定提高，達到預期效果。當然，嵌入式系統課程的改革尚在進行階段，難免在一些方面有所疏漏，以后的課程實踐中會不斷進行完善。

參考文獻

[1]李成華，江小平.嵌入式Android操作系統實踐教學改革[J].教育教學論壇，2011，20（7）：153-154.

[2]劉建平，賈致榮，師郡，等.基于CDIO理念立體化教學模式探討[J].高等建筑教育，2011（5）：83-87.