“嵌入式系統”課程群的改革與實踐

陳乃金，周鳴爭

(安徽工程大學 計算機與信息學院，安徽 蕪湖 241000)

隨著國際上深亞微米超大規模集成電路技術的迅速發展，各種具有集成度高、低功耗、高可靠性、高性能等特點的微處理器系統芯片被相繼研發成功，從而使得架構嵌入式智能控制計算系統及物聯網的融合成為可能，而且各種微型嵌入式系統產品已經滲透到人們日常生活中的方方面面，例如，個人手機、智能家電、汽車電子、無線傳感器網絡傳輸等多個領域，嵌入式系統也是一門綜合性課程，它涉及數字與模擬電路、系統芯片版圖設計與流片、門級、寄存器級、linux等操作系統、微機接口技術等無線網絡的嵌入與融合等諸多專業知識，這就對“嵌入式計算系統”課程群的設計與教學提出了一定的挑戰。“嵌入式系統”課程群融合了計算機科學與技術、微電子科學與電子信息工程、通信工程、應用與計算數學等多個學科，傳統的計算機科學與技術的課程群和教學理念已不能適應“嵌入式計算控制系統”課程的教學。故以“嵌入式計算控制系統”課程群為中心開展研究性和創新性教學，激發培養學生的解決分析問題能力、善于思考問題的能力、理論聯系實際的能力等是現代高等教育迫切解決的問題之一。［1］

1 嵌入式系統的定義及特點

嵌入式系統是以設計、應用、開發、系統多指標評測等為中心，以微電子技術、計算機技術等為基礎，與無線傳感器網絡相融合，軟硬件可裁剪，要求系統功能強，可靠性高，安全性好，成本和體積小，功耗低，具備智能性、可計算性、可控制性的計算系統，它屬于并沒有脫離計算機系統結構范疇，可有計算與存儲功能，可與物聯網、云計算相融合的計算機系統。

嵌入式系統具有以下特點:①具有控制與計算功能。②具有高可靠性、低功耗等功能。③具有可裁剪、擴展和融合的功能。

2 嵌入式系統教學的課程體系

通過對本科生教學及結合嵌入式領域相關項目研究的實際，加深了對嵌入式計算控制系統了解，圖1給出了大致的嵌入式計算控制系統結構設計、應用、開發的課程體系，僅僅是給不同辦學定位的大學教學科研人員參考。

因為由圖1可知嵌入式系統涉及了軟、硬件、微電子、數學等諸多知識，所以僅僅通過增加二、三門嵌入式的課程遠遠不夠的。由于不同大學的辦學定位、不同學生的專業知識背景、嵌入式計算控制系統課程群涉及的課程多、課時少的實際情況，所以設置相應的嵌入式課程群差別較大。

我校的辦學定位是面向應用的，所以在嵌入式課程體系設計上，我們規劃了2門課程:《嵌入式操作系統(以μCOS/Ⅱ和μCLinux為主)》、《嵌入式指令系統及C/C++開發》，由于WinCE、VxWorks等嵌入式操作系統不開源，需要購買，所以沒有考慮，而且我們正在規劃《嵌入式與物聯網概論》、《無線傳感器網絡原理及應用》2門課程，因為該兩門課程與嵌入式在無線網絡傳輸及開發方面有較為緊密的聯系。

圖1 嵌入式系統教學課程體系(包括設計和應用開發)

3 嵌入式系統的實驗教學平臺及理論、實驗教學設計探討

3.1 實驗教學平臺

我們采用嵌入式實驗系統平臺包括兩種類型:①博創UP-NETARM3000(ARM7 TDMI處理器)實驗箱30套，其包括主板、JTAG實時仿真器接口(14pin和10pin兩種標準)、PC機、相關的串口、并口線、以太網線、CAN總線等。采用的操作系統是μCOS/Ⅱ，理由是該操作系統免費且覆蓋了嵌入式實時操作系統的功能，簡單易學，特別適合初學者。②S3C2410(ARM9處理器)實驗箱10套，實驗采用的操作系統是μCLinux，目的是結合計算機系統系統結構使本科生或研究生對基于流水線架構的哈佛結構的計算機系統有實物上的理解，同時開發一些應用工程軟件。

3.2 理論教學

我們在理論和實驗教學方面參考了文獻［4-6］，并且在文獻［7］約定的內容教學之上，我們增加了以下教學內容:

(1)計算機系統結構數學建模探討;

(2)基于嵌入式系統寄存器級和系統級軟件仿真評測的開發。

(3)嵌入GPRS和GSM等構成移動通信終端，實現無線網絡檢測，短消息收發等講解，并增加了物聯網相關知識的串講。

(4)加強了linux操作系統的命令講解、在linux軟件開發、內核調度算法等方面做到精講精練。

(5)嵌入式多核處理機系統結構的介紹及linux多核多線程技術的講解。

3.3 實驗教學

在文獻［7］約定的實驗教學之上，我們重點對以下幾個方面的實驗進行了加強:

(1)各個API接口函數的熟悉使用。

(2)基于μCOS/Ⅱ操作系統的音視頻采集播放實驗、基于嵌入式開發平臺的數字圖像處理及人臉、指紋識別模塊實驗，Web服務器實驗等較大適用系統的開發。

(3)嘗試難度較大硬件擴展模塊實驗例如:語音匹配的無線點菜系統的設計與開發等。

(4)進一步熟練掌握程序裝載(Bootloader)、內核移植和編譯實驗，內核、根文件系統燒寫實驗，并對在下載出現的各種故障進行分析并給予解決。

(5)增加嵌入式系統綜合課程設計，如進行機器人搬運賽課程設計等。

學生的本門課的成績構成為:期末考試(40%)+平時實驗(20%，包括考勤+提問+作業等)+課程設計實驗(40%)，從而真正做到了提高學生動手能力成績的比重。

4 實際教學效果

表1給出了我校“嵌入式系統”課程體系建設前后的比較結果，并同時達到以下教學效果:

(1)學生不但了解嵌入式計算機系統架構，而且可以通過編譯好的程序下載到開發版，實現脫離PC運行的實際效果。

(2)學生動手能力明顯增強，例如在專業老師的指導下，我院學生分別在“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽安徽賽區，“紫光優藍”杯2012年安徽省第四屆機器人大賽暨全國機器人邀請賽機器人搬運等大賽中獲獎。

表1 “嵌入式系統”課程建設前后的比較

5 結語

5年來的嵌入式系統的教學實踐證明，培養了學生學習、研發嵌入式系統的主動性，提高了學生解決問題和獨立思考的能力。目前我院嵌入式系統的改革仍然在進行中，例如我院已經購買一套與嵌入式系統相融合的基于無線傳感器網的物聯網平臺，建立了本科生嵌入式系統創新性實驗室，通過滲透綜合設計開發、互動交流、勤于思考，敢于創新等理念來進一步完善和優化我院嵌入式系統課程群建設。

［1］ 張福炎，俞建新.漫談當前的嵌入式系統教學［C］∥全國第五屆嵌入式系統學術交流會論文集，北京:北航出版社，2004:82-84.

［2］ 何立民.嵌入式系統定義域發展歷史［J］.單片機與嵌入式系統應用，2004(1):6-8.

［3］ 何立民.從嵌入式系統視角看物聯網［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010(10):5-7.

［4］ 王田苗.嵌入式系統設計與實例開發:基于ARM微處理器與μCOS/Ⅱ實時操作系統［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［5］ 李駒光.ARM應用系統開發詳解:基于S3C4510B的系統設計:第2版［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［6］ 凌明，王學香，鐘銳.電子類專業嵌入式系統課程體系建設探索［J］.電氣電子教學學報，2007，29(5):4-6.

［7］ 陳乃金，周鳴爭.“嵌入式系統”課程教學的設計［J］.合肥學院學報:自然科學版，2008，18(4):82-89.