Cortex時代嵌入式系統教學探索

張 立 溫秀蘭 黃家才

南京工程學院 江蘇南京 211167

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Cortex時代嵌入式系統教學探索

張 立 溫秀蘭 黃家才

南京工程學院 江蘇南京 211167

摘 要：本文從ARM處理器的發展狀況出發，結合現在高等教育電子類專業嵌入式方向的教學實際狀況，分析了嵌入式專業的培養知識體系結構，提出了嵌入式技術課程的學習路徑。

關鍵詞：ARM；嵌入式；教學改革

ARM公司在ARM11處理器產品之后將所設計的處理器命名為Cortex，并將其分為A系列（主攻高端）、R系列（強調實時性）、M系列（針對低功耗）3個方向。［1］這標志著嵌入式處理器的發展進入了一個新的階段，代表著嵌入式處理器在2010年后進入了一個新的發展時期。在這樣一個新時期，嵌入式處理器可以為智能手機、移動計算平臺、數字電視、服務器等一系列高端應用場景提供服務；也可為要求高可靠性、高可用性、容錯功能、較強的可維護性以及具有可用的實時響應場景提供解決方案；對于成本與功耗敏感的MCU和終端應用也能有合理的解決方法，并且具有向上兼容的功能。

1　嵌入式課程現狀及問題

近年來，各高校對于嵌入式技術及應用都展開了廣泛的研究，譬如說在故障處理［2］、語音識別［3］、物聯網的應用［4］、光纖信號處理［5］等方面，應用前景廣泛、社會需求強烈。

反觀現在的高等學校嵌入式方向教育，在20世紀80年代8位的51機的基礎之上，近些年為了適應社會的需求，推出了基于ARM7ARM9的嵌入式設計課程。這些課程無論是教學內容上還是教學方法上或者是教學手段上乃至教學體系上仍跟不上嵌入式處理的發展以及社會對嵌入式人才的需求。究其原因，應當是多方面的。

（1）嵌入式處理器發展速度較快，但公認的、具有里程碑式意義的產品作為學習對象不夠明確。以ARM公司為例，僅此一家公司幾乎每年都有新的嵌入式處理推出或投放到市場上。而由于應用對象的不同，面向高端、實時性、低功耗這3個不同方向的處理器又有不同的設計特點。這使得嵌入式信息知識增長過快，讓初學者摸不著頭腦。唯恐剛剛學習一種處理器的使用，卻很快就被淘汰。這種情況很容易打擊學習的積極性。另外，嵌入式處理器雖然整體發展很快，但是最新階段標志性產品不明確。而且缺乏對于最新階段標志性產品的詳細介紹與培訓。同樣以ARM公司為例，對于Cortex系列新型的處理器的介紹與公開培訓較少。由于不能明確哪款處理器能夠有絕對的性能與成本的綜合優勢，或者說某款產品在市場上占有絕對的市場份額，這使得高校教育者無法統一認定一款產品為基準來展開教學。

（2）嵌入式處理器設計公司對于高等教育，特別是國內的高等教育合作的力度還有待于加強。由于嵌入式技術的應用是近年來才在市場上火熱起來，而現階段嵌入式處理器設計公司與國內高校的合作還比較欠缺，無論是產品的適用性、軟件工具的教學使用、配套開發硬件的教學開發板都存在較大的提升空間。這使得高校教育者應盡快根據市場需求與學生的實際情況加強與這些嵌入式處理器設計公司的合作；這些嵌入式處理器設計公司也應抓住機遇，主動向高校推廣自家公司的嵌入式處理器產品的使用方法。

（3）嵌入式技術學習收到多方面因素的影響而顯得困難重重。首先，嵌入式產品設計能力的培養本身就是一個長期經驗積累的過程，也是綜合應用能力的體現。而現在的高等教育，在有限的大學4年時間內，要完成的基礎課與專業課學習已經占用了大部分的時間。在這有限的大學四年時間內，如果要求學習者能夠快速具備較強的產品設計能力，難度較大。其次，現有的教學體系受制于大學專業設置的因素，多專業或者方向都開設了嵌入式課程。而各學院、各專業的基礎課程設置卻不盡相同，或者說各教學單位的教學側重點并不一致，這使得學習者所具有的基礎并不一致。原有知識結構基礎的不一致顯然不利于制定統一的教學計劃與安排。再次，針對嵌入式方向的課程設計也缺乏明確的發展方向與統一的考核標準。第三，嵌入式技術教學的教材質量亟待加強。已有的教材往往就是開發板的說明書加上Linux 系統的基本操作與編程編譯的軟件工具使用。這些教材缺乏知識結構主線，或者說學習路徑不夠清晰，這就很難讓學習者循序漸進地掌握嵌入式技術知識。最后，雖然在嵌入式教學中，實踐的重要性已經得到了各高校廣泛的認同。然而實踐條件仍然不夠樂觀：所依賴的開發板由于標準不統一、性能不穩定、功能各異、可靠性不強、配套軟件不完善等原因，使得實踐教學內容有限、教學深度不夠。

（4）全面掌握嵌入式技術需要很多現有高等學校專業課程以外的知識，譬如說專利、核心原理等等。而這些知識的掌握與獲得暫且不能通過現有高校課堂教育的方式直接獲得，全面普及尚有難度，需要企業、政府、高校的多方合作方能推動企業的技術盡快進入高等教育的課堂。

2　嵌入式專業的知識結構體系

已有的電子類大學專業課程知識體系，最基本的是電子信息技術，即以電路分析、模擬電子、數字電子以及C語言為代表的最基本的課程，這是電子類專業最基本的專業基礎課。

掌握了最基本的專業基礎課后，為了更好地了解硬件結構系統的運作過程，微機原理與匯編語言的掌握可以為后面學習嵌入式技術形成基本的框架結構。不至于在后面的學習中，處于一種混沌狀態。

在掌握了微機原理與匯編原理之后，如果有時間與精力，應當掌握單片機技術與操作系統的基本知識，這相當于是從計算機運行原理的理論知識掌握跳躍到簡單系統搭建的實際應用中，完成從理論到實踐、從理性認識到感性認識的關鍵性轉變。

在學習者能夠熟練掌握單片機知識與操作系統原理之后，再學習嵌入式技術或者是DSP技術、EDA技術等等，相對來說就容易接受的多。

3　課程教學設置與實驗室建設

現有的教學課程還是應當以linux操作系統教學與基于Cortex處理器的接口技術為基礎。

（1）由于現有的操作體統中linux系統及其衍生版本占據了嵌入式應用領域的絕大部分市場，并且各種應用工具的獲得較為方便，再加上是開源的系統，使得學習的成本能夠有效控制。在實際教學過程中，如果學生有興趣深入了解系統的運行原理，可以便利地獲得相應的資源進行學習。

（2）在硬件方面，由于ARM處理器已經發展到21世紀第二個10年，進入了Cortex階段，選擇較新的支持64位的處理器進行硬件方面的教學，從代表性與持續性來說都是較大的優勢。一方面ARM處理器已經進入64位時代，對于64位處理器的學習代表了能夠掌握最新位寬的處理器處理能力；另一方面，根據以往的經驗，進入新的位寬階段，能夠在較長的時間內保持技術的相對領先性，即現有處理器的設計還不會在短期內進入128位階段，并且及時出現了128位的處理器，對于ARM處理器的應用領域其必要性還不會立刻凸顯出來，則其應用普及更加漫長。故對于64位的Cortex處理器作為現階段嵌入式技術的學習來說是比較理想的選擇對象。

（3）在開發板的選擇上除選用的處理器應為64位的Cortex系列處理器以外，在其他功能的集成上應當盡量的穩定、可靠，并且有詳盡的系統說明和知識擴展，并自帶完備可用的輔助開發工具軟件。

（4）所選用的教材及實驗指導書應盡量分階段授課，以感性認識為主線，從簡單到復雜，每一階段都完成一個系統功能的實現，使得學習者從一開始就能對整個課程有基本的感性認識與概念。隨著課程的向后學習，只是不斷加深對嵌入式技術的理解。而不會在某一個理論知識部分陷入困境而無法對嵌入式技術整體把握，甚至失去學習的信心。

4　結束語

嵌入式教學已經成為現在高等教育不可阻擋的發展方向之一。由于其具有發展迅速、掌握周期長、經驗積累要求較高等諸多學習難點，使得學習的過程較為漫長而掌握起來較為困難。本文通過分析高等教育的電子類專業知識體系結構組成，結合嵌入式技術現有的發展狀況以及高等學校可具備的軟硬件資源，建議從做好系統開發、處理器選擇、開發板拓展、教材與實驗指導書的編寫這四個方面的工作入手進行改革。通過循序漸進的嘗試，可以建立一條行之有效，甚至是具有標志性意義的學習過程成為可能。

參考文獻

［1］ ARM官網簡介［EB/OL］.www.arm.com.

［2］ 王仲根.基于嵌入式系統的故障錄波器的研究［D］. 淮南：安徽理工大學.2008.

［3］ 宋艷.基于嵌入式語音識別系統的研究［D］.西安：西安科技大學，2011.

［4］ 朱強.面向物聯網的嵌入式RFID中間件的研究與實現［D］.廣州：廣東工業大學，2012.

［5］ 韓艷軍.嵌入式光纖位移傳感器及其信號處理電路的研究與實現［D］.武漢：華中科技大學，2005.

［6］ 教育部高等教育司.普通高等學校本科專業目錄和專業介紹［M］.北京：高等教育出版社，1998.

收稿日期：2015-12-02

作者簡介：張立，博士，講師。

基金項目：江蘇省高校自然科學研究面上項目（編號：14KJ B460016）；南京工程學院科研基金（編號：YKJ201416）；南京工程學院高教研究課題（編號：JG201401，GY201320）。

The Study of Teaching Method with Cortex Chips in Embedded Technology

Zhang Li， Wen Xiulan， Huang Jiacai
Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China

Abstract：Base on the development of the ARM chips， this article analysis the study routers about the embedded technology system. It present the situation of the education environment of the embedded technology. It propose the methods to manage the skill of development of the chips.

Keywords：ARM； embedded technology； teaching reform