嵌入式開發工程師的能力結構構成及培養研究*

劉海成，鄒海英，佟寧寧

(黑龍江工程學院，哈爾濱 150050)

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嵌入式開發工程師的能力結構構成及培養研究*

劉海成，鄒海英，佟寧寧

(黑龍江工程學院，哈爾濱 150050)

嵌入式開發工程師以其創造力改變著我們的生活，但由于嵌入式系統開發涉及到多個方面的技術，工程師的能力結構是單個專業無法覆蓋的。本文在明確知識點和能力點五種屬性，以及嵌入式開發的4個層面基礎上，將嵌入式開發的職位分成4類，并給出了對應的能力構成、課程群特點和所適合的專業。相關專業大學生和嵌入式開發工程師可依此來完善自身的知識和能力構成，更好地服務于嵌入式開發工程師崗位。

嵌入式開發；工程師；專業；能力點；課程群

引　言

近年來，隨著嵌入式技術在信息產業的廣泛應用和高速發展，人們的生活方式和工作方式也正在發生快速的改變。例如身邊常見的手機、平板電腦、機頂盒、智能手環、儀器儀表等都是典型的嵌入式產品，IT行業的發展也勢不可擋地進入了嵌入式時代，同時也對嵌入式系統的開發者提出了新的挑戰[1]。

面對IT企業對嵌入式人才的需求，國內很多高校相繼開設了嵌入式系統相關課程群或設置了嵌入式系統相關專業方向，開展了各具特色的嵌入式系統教學實踐。但是由于嵌入式系統具有面向應用的特點，嵌入式軟硬平臺和開發工具的多樣性以及各個學校學科背景的不同，各個學校開設的嵌入式系統相關課程、教學內容以及實踐教學環節存在較大的差異，沒有形成與未來的嵌入式開發工程師需要相一致的完整教學體系。主要問題有：

① 有兩類專業背景：一類是以電子、電氣、通信、自動化和儀器等專業為背景的嵌入式開發工程師的能力構成；另一類是以計算機和軟件等專業為背景的嵌入式開發工程師的能力構成。二者既有區別，又有聯系，能力側重點不同，所以就涉及到二者的協同和統一問題。

② 以知識點和學科體系代替能力結構，課程體系臃腫或缺少重要環節，沒有明確嵌入式開發工程師的能力結構，課程群不能形成合力，與OBE(Outcomes-based Education)的基于學習產出的教育模式相背離，即課程群的教學內容還不能覆蓋能夠解決復雜工程問題所需要的能力點。

1　課程的學習內容及其屬性

筆者認為，課程是由知識點和能力點共同構成的，有的問題既是知識點，也是能力點。課程群則是知識點和能力點的合理化布控，且每個學習內容的呈現都應至少具備以下5種屬性之一：

① 必要或必需的基礎性、常識性知識點，這些知識點不都具備工程可用性，屬性為“學習不是為了直接應用”的范疇，比如，CPU的工作原理、堆棧、中斷系統等。

② 基礎技能型的知識點，屬性為能力結構的基礎，比如，匯編語言程序設計、嵌入式C程序設計、GPIO等。

③ 強應用性的綜合型，以及課程群合力化知識點，以解決復雜工程問題能力為目標，通過課程群形成能力點的閉環，屬性為核心應用能力，比如，采用FPGA作為嵌入式計算機的協處理器等。

④ 技術協議或規范，屬性為核心工程設計能力，比如，SPI協議、I2C協議、UART協議、CAN2.0總線協議、USB協議、以太網協議、Modbus協議、SD協議等。熟練準確掌握這些協議，是基于嵌入式系統和協議規范進行工程設計的前提。

⑤ 與其他相關的課程群間的技術融合或引領性知識點，屬性為學科交叉及創新能力，比如，如何在嵌入式系統中實現FFT、IIR和FIR等，則將數字信號處理課程群與嵌入式系統課程群進行了技術融合，數字信號處理課程群落地生根，由知識體系轉化為能力體系。

嵌入式開發工程師的能力結構就是由這5類屬性的知識點和能力點構成。

2　嵌入式應用開發的4個層面

從嵌入式系統應用開發角度，嵌入式系統分為4個層面的技術，包括硬件平臺層、BSP及設備驅動層、調度系統層和應用層。

(1) 硬件平臺層

圖1所示為硬件平臺層，包括核心部分和外圍功能電路兩個部分。

圖1　嵌入式系統的硬件平臺層

嵌入式系統的核心一般是微處理器，常用的微處理器有MCU、MPU和DSP等。顯然，計算機原理是嵌入式系統開發工程師的知識點，這些知識點的核心就是至少精通一種MCU/MPU/DSP的體系結構，如MCS-51和ARM等，包括：

① CPU的構成、程序指針PC與程序的自動運行、堆棧與堆棧指針、中斷與中斷系統等知識點[2]。

② 存儲器結構及尋址方式、指令系統及匯編語言設計方法、C程序設計等知識點和能力點。

③ 系統總線、SPI總線、I2C總線、CAN總線及接口技術等。

4類電子技術構建的處理器外圍電路具有強應用性和個性化的專用系統特色，與所設計系統的技術指標密切相關，是項目的核心產權部分,其既要自成面向應用的特定體系，又要方便與微處理器的接口。其優化設計的核心就是軟硬件的配合及硬件的軟件設計，以軟代硬，合理地給處理器增負，優化外圍電路的結構、面積和功耗，增強外圍電路的自校準、自診斷和抗老化等能力，從而提升項目的智能化水平。

4類電子技術中，模擬電子技術和數字電子技術是基礎，是電類相關專業必修基礎課，受到了各個學校的廣泛重視。不過仍然存在以下幾個問題：

① 數字電子技術以數字邏輯設計為主體，目前的工程應用已經過渡到EDA水平，即采取CPLD或FPGA完成邏輯的驗證和實現。可是教學上還處于與EDA技術“分家”的狀態，盡管有些數字電子技術教材引入了硬件描述語言，但其教學地位仍定位為附屬知識，而不是核心能力。換言之，數字電子技術大都停留在邏輯設計，而非復雜數字系統設計。

② 模擬電子技術以電路分析、信號與系統，以及自動控制原理等理論為基礎，但一般是在開設了電路分析后就開設模擬電子技術課程，而信號與系統和自動控制原理課程開設在其后面，頻域和復頻域模擬電路設計方法缺失，負反饋電路分析仍停留在定性的水平。

③ 電子信息類專業會以通信電路為背景開設高頻電子技術課程，基本是唯一進行非線性電路分析與設計的課程，強電、自動化、測控和計算機類專業則不開設該課程。時過境遷，這是歷史順延的結果，已經不合時宜。比如，開關電源技術作為這些專業的能力核心，其非線性電路部分就是高頻電子技術課程的核心內容；儀器儀表設計中經常用到調制和解調電路實現信號變換，這更是高頻電子技術課程的核心內容；智能電網和電力載波技術也要大量應用高頻電子技術知識。

④ 強電、自動化和測控類專業大都開設電力電子技術實現電力變換，而電子信息類專業和計算機類則不開設該課程。然而，隨著移動設備、手持設備等應用的日益廣泛，尤其是電池供電的移動式手持設備(如手機、數碼相機等)的大量使用，其內部的電源電路都采用基于電力電子技術的開關電源為系統供電，以提升電源的效率和延長待機時間。不同于工業電力電子設備的大電流、大電壓特點，手持設備屬于低壓小電流電力電子電路，但核心原理和設計方法是一樣的，這嚴重制約了電子信息類人才的整機設計能力。

可見，從事電子系統設計，這4類電子技術基礎都是必備的，是從事硬件平臺層開發的核心能力。嵌入式開發工程師要在專業的課程設置基礎上，自學完成這4類電子技術的學習。

(2) BSP及設備驅動層

調度系統及其應用軟件模塊與硬件之間的接口是嵌入式系統設計的重要環節，這個中間層包含了系統中與硬件相關的大部分功能，通過特定的上層接口API與調度系統進行交互，根據調度系統的要求完成對硬件的直接操作。由于引入了一個中間層次，屏蔽了底層硬件的多樣性，調度系統不再直接面對具體的硬件環境，而是面向由這個中間層次所代表的、邏輯上的硬件環境，因此，把這個中間層次叫做硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer，HAL)，也稱板級支持包(Board Support Package，BSP)。通過BSP就可以實現統一的接口形式，得到廣泛的認可和應用[3]。

BSP的核心作用就是使在面向應用的軟件開發時不必關心硬件的具體情況。因此，BSP具有與硬件緊密耦合、與具體的調度系統相關的特點。在BSP的實現和功能上包含硬件的芯片級、板級和應用級初始化，以及與硬件相關的功能驅動兩部分。圖2所示為BSP及設備驅動層，基于操控底層硬件的低級語言建立硬件的抽象層。由于不同調度系統具有各自的軟件層次結構，因此，不同的調度系統具有特定的硬件接口形式。所以，要在調度系統所確定的硬件相關API基礎上，基于低級語言(匯編語言、C語言或C++語言)實現處理器片內硬件外設和片外硬件外設驅動的API。計算機類專業也可以從事為微處理器提供底層算法API等工作。

圖2　嵌入式系統的BSP及設備驅動層

(3) 調度系統層

調度系統層用于完成嵌入式應用的任務調度和控制等核心功能，具有內核較精簡、可配置、與高層應用緊密關聯等特點，以調度器和操作系統(OS)兩種形式存在。圖3所示為調度系統層。調度器一般具有占用CPU資源極少的特點，如Protothread、時間觸發調度器等；而嵌入式OS的功能更加完善，當然占用CPU的資源也較高，如freeRTOS、μC/OS(II或III)和VxWorks等。調度系統一般具有相對不變性。

圖3　嵌入式系統的調度系統層

另外，根據具體應用系統的特點，調度器還需要針對內存管理、電源管理及實時性要求等進行改進，形成專用系統。

(4) 應用層

圖4所示為嵌入式系統的應用層。嵌入式系統是面向特定應用對象設計的專用計算機系統，應用層運行于調度系統之上，基于調度系統提供的實時機制完成特定功能的嵌入式應用，具有專用性的特點。

圖4　嵌入式系統的應用層

應用層是接收并解釋用戶命令的接口，包括人機接口與GUI開發、業務及算法開發、開源的應用代碼移植，很多應用還包括數據庫及Internet應用開發等。開發工具更偏向于高級語言、硬件平臺資源和性能較強的嵌入式系統，如支持Android操作系統的平臺可直接采用JAVA等面向對象的高級語言進行開發。

3　嵌入式開發工程師的能力結構構成

基于嵌入式系統的這4層構建嵌入式開發工程師的職位屬性及其對應的能力結構，并基于此構建閉環的知識點或能力點體系。嵌入式開發工程師的職位主要包括硬件工程師、驅動工程師、算法工程師和應用軟件工程師4類。

(1) 硬件工程師及其能力結構

硬件工程師一般以處理器為核心，在充分考量微處理器性能和特色基礎上，基于4類電子技術實現硬件電路的設計，包括處理器性能測試、單元電路的設計及測試等，主要完成嵌入式系統的硬件平臺層，基于FPGA進行數字邏輯電路設計也屬于這個范疇。

此類工作主要面向電類相關專業。課程群中，除了計算機原理、C語言和4類電子技術，還包括信號與系統、自動控制原理和誤差理論等內容。

(2) 驅動工程師及其能力結構

驅動工程師的主要工作就是針對不同的嵌入式硬件編寫相應的BSP，包括測試驗證等。驅動工程師不但要有低級語言及運用能力，還要有較好的軟硬件接口知識基礎，主此類工作要完成嵌入式系統的BSP及設備驅動層。

主要面向電類相關專業。課程群中，除了計算機原理和C外，最主要的就是各種接口協議規范，ADC和DAC的數模-模數轉換接口知識也是重要的能力點。

(3) 算法工程師及其能力結構

算法工程師分為兩類，一類是基于FPGA進行算法設計和實現的工程師，另一類是基于微處理器進行算法設計和實現的工程師。前者也稱為FPGA工程師，算法的屬性是嵌入式產品的核心競爭力產權，主要為嵌入式系統的應用層服務。

此類工作主要面向電類相關專業。課程群中，則以算法的理論設計及仿真驗證為主線，包括數字信號處理、計算機控制系統等，然后基于FPGA和硬件描述實現，或基于微處理器實現，對計算數學能力有較高要求。

(4) 應用軟件工程師及其能力結構

應用軟件工程師則要熟悉調度系統及移植、GUI、應用協議和實時多任務編程，在調度系統基礎上基于BSP和算法API實現特定應用，主要完成嵌入式系統的調度系統層和應用層。

基于高端硬件和操作系統的應用軟件工程師主要面向計算機類相關專業。課程群中，除數據結構等基礎知識外，最主要的就是對操作系統的應用編程非常熟悉，比如開發iPhone手機的APP，就要對iOS操作系統及應用編程進行深入學習。

而低端或專用性強的嵌入式軟件設計，如DSP應用系統的軟件開發，則主要面向電類相關專業。課程群中，則以應用流程或狀態機為主線，基于C語言實現各任務的調度及配合，一般要求對硬件實際情況有全面的了解，對硬件資源、成本控制和功耗等進行全面掌控。有時，這類應用軟件工程師也兼做驅動工程師。

結　語

嵌入式開發工程師的能力結構培養是高校和相關專業大學生共同完成的使命，但由于嵌入式系統開發涉及到多個方面的技術，單個專業是無法覆蓋的。本文將嵌入式開發的職位分成4類，并給出了對應的能力構成、課程群特點和所適合的專業。大學生和嵌入式開發工程師可依此來完善自身的知識和能力構成，基于OBE形成課程群合力，更好地勝任嵌入式開發工程師崗位。

[1] 王蘇峰,寧洪,陸洪毅,等.嵌入式系統課程體系及其創新實踐的探索[J].計算機教育,2010(7).

[2] 張林，秦臻，鄒韜.平伊利諾伊大學香檳分校電氣信息類專業課程體系特色分析[J].中國大學教學,2013(4).

[3] 李文生,陸洪毅,呂燚.嵌入式人才能力結構分析及教學體系設計[J].計算機教育,2014(7).

劉海成(副教授)，研究方向為信號處理與智能儀器。

編者按： 無人駕駛成為本年度新興技術的熱門。由于無人駕駛車輛是多學科綜合技術載體，并聯接了諸多產業和商業模式，它的發展必將撬動相關技術的突破發展。在新一輪的國際競爭中，我們要如何跟進并超越？如何普及相關技術并培養更多從業人員是現階段迫切需要解決的問題。本文作者從無人駕駛車輛最為核心的環境感知功能實現入手，通過相關技術系列介紹和總結，以資借鑒。內容包括智能車輛環境感知技術與平臺構建、智能車輛道路檢測系統、智能車輛交通信號燈和交通標志檢測、智能車輛行駛環境中的車輛檢測。

Research on Ability Structural Formation and Cultivation for Embedded Development Engineer

Liu Haicheng,Zou Haiying,Tong Ningning

(Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

Our life is being changed by the embedded development engineer with their creativity,and since various technologies are involved in embedded system development,any single specialty is not able to cover ability structure of developer.In the paper,the positions of embedded development are divided into four types,and it is proposed that corresponding ability structural formation,characteristics of curriculum group and its suitable specialties,based on clarifying five properties of knowledge and ability points and four layers of embedded development.The college students of related majors and embedded developer may improve their knowledge and ability constitution in sequence according to it,in order to be more competent to the embedded developer position.

embedded development;engineer;specialty;ability points;curriculum group

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2014011139)；黑龍江工程學院教育教學改革工程項目(JG2014013)。

TN710.9

A

(責任編輯：薛士然2016-04-29)