基于凌動處理器的嵌入式課程建設

　　1 嵌入式技術發展對嵌入式教學的影響
　　嵌入式系統是以應用為核心進行定制的計算系統，融合了多種技術，并與具體行業需求相結合[1]。經過多年的發展，嵌入式系統已經得到了廣泛應用。半導體技術的進步則使摩爾定律將在十年內繼續保持有效[2]。嵌入式芯片將得到進一步的高效利用，在性能獲得持續提升的同時，其功耗和價格也在不斷下
　　
　　降。這就意味著嵌入式系統的應用范圍將進一步擴大，成為無所不在的計算裝置[3]。尤其是隨著無線網絡技術的發展，嵌入式系統正快速從孤立存在的設備轉為通過網絡互聯互通的網絡化設備。嵌入式技術的迅速發展為應用的擴展提供了良好的基礎，但同時也使得嵌入式技術的更新速度加快。這就意味著在高校中開展嵌入式教學面臨著新的挑戰。
　　
　　武漢科技大學計算機學院較早開設了嵌入式相關課程。為了形成嵌入式教學特色，課程組以自身的嵌入式科研和教學經驗為基礎，構建了嵌入式教學模塊，形成了軟硬件協同的教學課程設置，從本科生延伸到研究生的教學層次劃分。在此過程中，依據教學效果，并在充分調研國內外大學嵌入式課程設置的基礎上[4-9]，進行課程的改進和優化。嵌入式課程是理論與實踐相結合、理論與實踐不可偏廢的課程。在開展課程建設和教學活動的過程中，課程組注重在理論教學基礎上，通過各類實踐活動來鍛煉學生的動手能力，培養學生在嵌入式技術方面理論學習與實踐動手相結合的綜合素質。在近年來的教學中，隨著嵌入式技術的不斷發展，嵌入式課程建設不得不面對迅速更新的教學內容、不斷進步的硬件平臺以及各種創新的應用開發需求。這就使得課程建設既立足于已有基礎，也要緊跟技術的進步，不斷推動嵌入式課程的建設與優化，使嵌入式課程能夠良性發展。
　　2基于凌動處理器的嵌入式課程建設
　　在嵌入式系統相關課程中，嵌入式處理器是關鍵的內容。隨著嵌入式技術的發展，嵌入式處理器的發展也日新月異。從傳統的單核嵌入式處理器，正逐漸向雙核乃至多核的嵌入式處理器發展。同時，隨著嵌入式設備本身功能的不斷增強，應用日益豐富，對嵌入式處理器的性能和功耗等方面也提出了更高的要求。例如，由英特爾公司推出的凌動處理器，就是面向嵌入式領域的典型處理器。它延續了英特爾公司在處理器設計方面的深厚積累，也將嵌入式系統對處理器的要求加入到處理器設計當中，為嵌入式系統提供更好的計算能力。
　　嵌入式處理器的發展是嵌入式教學必須面對的挑戰。課程組通過對嵌入式技術的準確把握，及時將新發展融入到課程建設當中去，構建出更為符合嵌入式發展趨勢、滿足教學要求的嵌入式課程。在進行課程建設時，課程組將凌動處理器給嵌入式系統帶來的變化引入到課程當中去，首先從整個課程體系的角度建立系統化的課程體系優化；然后根據嵌入式處理器的技術發展，對嵌入式課程的教學內容進行及時更新；在此基礎上，課程組還在原有嵌入式教學實踐的基礎上設計新的實踐方式，實現新的教學內容及實踐的一體化。此外，課程組還積極展開校企合作，通過英特爾大學合作計劃來進行嵌入式課程的共建。
　　1) 嵌入式課程體系的優化。
　　在嵌入式教學模塊中，以面向本科生的嵌入式系統結構與操作系統課程為課程模塊核心。該課程的教學目標是介紹嵌入式處理器的系統結構，并引入嵌入式操作系統的概念，將兩者結合起來，使學生能夠對嵌入式系統有整體的了解。然后在嵌入式系統開發課程中引入嵌入式軟件的開發內容，與嵌入式系統結構與操作系統課程內容形成連續性。而在研究生課程中，則進一步將嵌入式處理器所采用的具體原理及其技術納入到課程中，進行深入的講解，使學生“知其所以然”。
　　在引入凌動處理器的最新發展后，課程組通過對凌動處理器技術的分析，將主要技術內容劃分為三個模塊，分別是凌動處理器特點及其基本架構、面向凌動處理器的系統開發方法和凌動處理器實現原理。其中，凌動處理器特點及其基本架構是核心和關鍵內容。學生在學習嵌入式系統結構與操作系統課程之前，已經完成了計算機組成原理等相關前置課程的學習，并具備了一定的實踐能力。該部分內容被置入到嵌入式系統結構與操作系統課程中后。因此，在嵌入式系統結構與操作系統課程中引入凌動處理器的內容，學生具有了學習的基礎。同時，由于凌動處理器的廣泛應用，學生對于學習凌動處理器的相關知識也非常感興趣。面向凌動處理器的系統開發方法將置入到嵌入式系統開發課程當中，學生將學習如何在基于凌動處理器的實驗平臺上進行操作系統的移植和嵌入式軟件的開發。凌動處理器實現原理將被置入到研究生課程當中，作為凌動處理器更為深入的技術介紹，成為課程中的一個專題內容。
　　通過分別引入凌動處理器的技術，課程組在保持課程延續性的基礎上，形成了新的一致性，即凌動處理器技術內容在各個課程中的合理分布，從而實現對嵌入式課程體系的有效優化。
　　2) 嵌入式課程教學內容更新。
　　凌動處理器是源于英特爾公司的技術，但是由于面向的是嵌入式領域，因此它與傳統的IA(Intel Architecture)架構有一定的差別，有其自身的特點。課程組將整個凌動處理器相關的教學內容劃分為如下知識點。
　　(1) 凌動體系結構。
　　該部分主要介紹凌動處理器的體系結構。凌動處理器與傳統IA架構有區別，本部分內容將從這些區別著手，將凌動處理器的體系結構與傳統的IA區分開來；然后再詳細介紹凌動處理器本身的架構特點，包括其片上存儲器設計、存儲訪問特征及其指令集等，并引入面向凌動處理器的匯編語言介紹。
　　(2) 面向凌動的操作系統級開發。
　　該部分主要包括了Boot Loader的開發與操作系統本身的移植。Boot Loader是嵌入式系統的操作系統啟動前運行的引導程序。Boot Loader將完成系統硬件的初始化等工作，因此與硬件相關。這部分內容主要介紹如何選擇并為凌動定制Boot Loaer。而操作系統本身的移植則是將應用轉向凌動所必需的步驟。這部分內容主要介紹如何選擇一個合適的嵌入式操作系統，并完成移植工作。
　　(3) 面向凌動的驅動及應用軟件開發。
　　該部分主要包括為基于凌動處理器的平臺進行驅動的開發，并在操作系統支持下開發應用軟件。主要內容包括設備驅動、圖形驅動、軟件開發工具和相關的開發方法。
　　(4) 軟件性能調優。
　　嵌入式系統資源有限，為了提高程序性能，需要進行軟件性能的調優。該部分主要內容包括凌動平臺上的性能調優方法、凌動性能調優工具(包括單核和多核的調優)、功耗優化技巧和方法。
　　(5) 凌動性能與功耗優化技術。
　　凌動處理器采用了眾多的優化技術，來提高性能、降低功耗。這是凌動處理器在設計上創新。這部分內容將與嵌入式技術的前沿結合，將微架構設計、節能計算等技術與凌動處理器的具體實例進行結合分析。
　　上述5個部分的內容，按照課程體系結構的設計，知識點(1)和(2)屬于凌動處理器特點及其基本架構部分，知識點(3)和(4)屬于面向凌動處理器的系統開發方法部分，知識點(5)則屬于凌動處理器實現原理部分，分別納入到不同課程當中，實現課程內容的整體更新。與此同時，對于凌動處理器新的發展，課程組也適時地進行整理，并融入到已有的課程內容當中。
　　3) 嵌入式教學實踐的設計。
　　在嵌入式教學實踐方面，課程組首先將與凌動技術相關的實驗設計加入到已有的實踐活動中。課程組為凌動教學內容設計了有針對性的基礎實驗和綜合性實驗，作為基本的實踐內容。基礎實驗主要幫助學生理解基本的理論知識，并具備初步的凌動平臺上的動手能力。綜合性實驗則要求學生完成一個較為全面的實驗，提升實踐能力。同時，課程組支持學生進行基于凌動平臺的各類實踐和創新項目。學生可以提出與凌動相關的創意，經過批準后在凌動平臺上進行實踐。這使學生能夠獲得在實際平臺上的實踐機會，提高動手能力。
　　
　　此外，課程組提出了自由創意的實踐教學思想。首先，學生依托于自發組織的技術社團，自行組建開發小組。開發小組向課程組申請凌動平臺，并在凌動平臺上進行自由的發揮。在開發過程中，課程組不干涉開發團隊的工作，僅在必要時給予指導。開發小組的創意由學生的技術社團進行評估。在實施過程中，可向課程組申請技術指導。開發小組的工作存在兩種結果：一種是成功實現了創意，另一種則是由于各種原因導致了失敗。課程組隨后會幫助開發小組分析成功和失敗的原因。尤其是對于失敗的案例，將在技術社團內部進行充分的討論和分析。同時，兩類案例在經過總結后，將成為課程的一部分，為所有的學生提供實踐經驗。
　　這種實踐方式不同于傳統的實踐方式。在傳統的實踐方式中，追求的往往是成功實踐。而在這種實踐方式中，允許學生出現失敗的案例。成功和失敗的案例都將成為學生實踐活動的寶貴經驗，并鍛煉學生鍥而不舍的精神。通過失敗案例的分析，學生能夠深入了解問題所在，提高自己的能力。
　　4) 英特爾? 大學合作計劃共建嵌入式課程。
　　嵌入式系統是實踐性強的課程，且與業界有著非常密切的關系。為了更好地進行嵌入式課程建設，課程組與英特爾公司進行了深入的合作。武漢科技大學已經加入了英特爾? 大學合作計劃，獲得了英特爾公司在凌動處理器技術等方面的幫助。
　　通過加入英特爾大學合作計劃，課程組獲得了豐富的教學內容資源。英特爾大學合作計劃提供了凌動處理器的最新發展，并提供了凌動處理器的相關教材[10]。這些為課程組進行課程教學內容的更新提供了充足的材料。同時，通過英特爾大學計劃中的教學研討會，課程組與來自全國多所高校嵌入式系統的教師們進行了深入透徹的交流，了解了其他兄弟院校對嵌入式課程體系規劃、嵌入式課程的建設方法；也得到了進行凌動技術更新的有效方法和經驗。這些都為課程組開展自身的課程建設提供了經驗。
　　嵌入式課程往往需要及時進行設備的更新。在開展課程建設的過程中，課程組根據教學需要
　　
　　進行實驗設備的更新換代。英特爾大學計劃為課程組的設備更新計劃提供了足夠的幫助。通過該計劃，課程組獲得了最新的基于凌動處理器的實驗平臺，為教學的順利開展奠定了良好的基礎。為了進一步推動嵌入式教學的發展，課程組還通過英特爾大學計劃邀請英特爾公司的資深工程師進行交流和講座，及時了解了凌動技術的最新進展情況，學生也擴大了視野，促進對課程內容的理解。
　　3總結與展望
　　嵌入式系統尤其是嵌入式處理器技術的迅猛發展，使得高校的嵌入式教學面臨著新的挑戰，但也是推動嵌入式教學改進與發展的有利機遇。作為嵌入式處理器中的典型代表，凌動處理器充分體現了設計的優勢，是嵌入式領域中的重要力量。武漢科技大學計算機學院嵌入式課程組將凌動技術納入到嵌入式課程當中，進行了課程體系的優化、教學內容更新、教學實踐的設計等方面的探索，并通過英特爾大學合作計劃來推動嵌入式課程的建設。
　　在課程建設方面，盡管已經初步形成了具有良好教學效果的體系，但是仍然需要不斷進行探索。尤其是在嵌入式技術發展迅速、技術更新快的情況下，進行課程規劃和建設、教學方法的改進，提高嵌入式科研水平，進而推動教學的進步，仍然是今后需要關注的關鍵問題。通過持續的關注和切實的工作，提高嵌入式教學質量；同時不斷加深英特爾大學合作計劃的深度，將有力推動教育與產業的結合，培養出高素質的嵌入式人才。
　　
　　參考文獻：
　　[1] Alberto L