物聯(lián)網(wǎng)體系課程中計算機(jī)相關(guān)課程特色研究

摘要：在對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)成分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中有關(guān)計算機(jī)方面的課程進(jìn)行了改進(jìn)及創(chuàng)新。涉及了專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、專業(yè)任選課及課程設(shè)計中包含的計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)及程序設(shè)計語言等相關(guān)課程及實(shí)驗內(nèi)容，提出了具有物聯(lián)網(wǎng)特色的計算機(jī)相關(guān)課程的設(shè)置方法，可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的建設(shè)提供參考，同時也為計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的課程體系構(gòu)建提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；計算機(jī)；課程特色

作者簡介：王小妮（1977-），女，山東威海人，北京信息科技大學(xué)理學(xué)院，講師。（北京 100192）

基金項目：本文系北京信息科技大學(xué)教學(xué)改革立項項目（項目編號：2012JGYB62）、北京信息科技大學(xué)2013年大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃項目的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0109-02

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。特別是近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，給計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了更廣泛的空間，同時，也為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的計算機(jī)課程的教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容注入了新鮮血液。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）即“物物互聯(lián)”，是近年來出現(xiàn)的一種新型計算模式，建立在嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式計算、通信網(wǎng)絡(luò)、移動計算等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟的基礎(chǔ)上。其將各種物體充分聯(lián)接，通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的實(shí)時動態(tài)信息傳送到中央服務(wù)處理中心，進(jìn)行匯總、分析、處理、顯示和控制。[1]大部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含以下幾部分：身份識別部分（包括軟件ID、條碼、Mac地址、RFID、生物識別技術(shù)等）、監(jiān)測與控制部分（包括傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）、數(shù)據(jù)傳輸部分（包括總線方式、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GSM/3G網(wǎng)絡(luò)、Wifi網(wǎng)絡(luò)等）、信息采集部分（包括單片機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、X86系統(tǒng)、Gpio/串口/總線/USB接口系統(tǒng)等）、數(shù)據(jù)中心部分（包括數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等）、數(shù)據(jù)訪問部分（包括B/S模式、瀏覽器、短信/電話/ 郵件、個人PC/專用手持設(shè)備/手機(jī)等訪問終端）、移動設(shè)備部分（包括物流車輛、工程車輛、包裹、私人轎車等）。[2]

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計離不開計算機(jī)相關(guān)知識，在計算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)，特別是實(shí)驗教學(xué)過程中，如何針對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)特征改進(jìn)實(shí)驗內(nèi)容和教學(xué)方法，適應(yīng)時代對人才培養(yǎng)的要求，值得認(rèn)真思考。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)，在總結(jié)計算機(jī)相關(guān)課程教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在面向物聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)課程體系建設(shè)、理論教學(xué)、實(shí)驗教學(xué)、課程設(shè)計等環(huán)節(jié)作出了有關(guān)課程特色方面的研究。

一、“計算機(jī)組成原理”課程研究

“計算機(jī)組成原理”這門課程是計算機(jī)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的是使學(xué)生了解計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)；掌握計算機(jī)的基本組成原理，各功能部件在整機(jī)中的作用以及所要完成的任務(wù)；掌握程序和數(shù)據(jù)在計算機(jī)中是如何存儲的以及指令在計算機(jī)中的編譯和執(zhí)行過程。掌握計算機(jī)與外部設(shè)備之間的接口技術(shù)與原理；了解計算機(jī)外部設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，并能夠用課程中學(xué)到的知識，對計算機(jī)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初步設(shè)計、組裝和調(diào)試。掌握基本的對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析的方法，構(gòu)筑起了解、學(xué)習(xí)、研究計算機(jī)系統(tǒng)的必備基礎(chǔ)知識。

計算機(jī)相關(guān)專業(yè)對“計算機(jī)組成原理”這門課程的要求是學(xué)生能了解計算機(jī)的硬件的基本知識，所以對于這門課程的實(shí)驗大多是屬于驗證性實(shí)驗。目前大部分“計算機(jī)組成原理”教學(xué)實(shí)驗裝置都是在指令集、指令格式、數(shù)據(jù)表示、尋址方式、存儲系統(tǒng)等相對確定的情況下進(jìn)行的，學(xué)生主要進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)和驗證。學(xué)生通過連線、撥動開關(guān)及觀察顯示燈的亮滅來完成實(shí)驗內(nèi)容。而對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說，這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的“計算機(jī)組成原理”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，綜合性、設(shè)計性實(shí)驗是這門課中的重要環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)中需要設(shè)計硬件節(jié)點(diǎn)，比如傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集及無線傳輸路由節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)也屬于小型計算機(jī)系統(tǒng)，有時現(xiàn)成的CPU滿足不了物聯(lián)網(wǎng)中的速度或引腳數(shù)目等特殊要求，需要自己來設(shè)計CPU。學(xué)生可以自己設(shè)計加減法器、乘法器、除法器、指令系統(tǒng)、微程序控制器等。CPU作為計算機(jī)系統(tǒng)的核心，是計算機(jī)組成原理中的重要內(nèi)容。為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的要求，筆者在這門課程的實(shí)驗中加入了Verilog硬件描述語言及Quartus II開發(fā)環(huán)境的使用，并應(yīng)用開放式CPU，使得學(xué)生能夠從CPU的指令集到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全部由學(xué)生自由設(shè)計，并能通過實(shí)驗設(shè)備對設(shè)計的CPU進(jìn)行驗證和調(diào)試。學(xué)生根據(jù)自己的理解和想法設(shè)計出了不同思路的CPU，避免了千篇一律的模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生看到自己設(shè)計的CPU能正常工作也很有成就感。

二、操作系統(tǒng)課程研究

“操作系統(tǒng)”是計算機(jī)專業(yè)及相近專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的是讓學(xué)生掌握計算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本方法；掌握計算機(jī)操作系統(tǒng)的主要任務(wù)及功能的設(shè)計思路；掌握進(jìn)程、信號量、內(nèi)存管理方法、文件管理方式、外設(shè)管理等功能。培養(yǎng)學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的設(shè)計思路和方法技巧、程序設(shè)計方法及上機(jī)調(diào)試程序的能力；掌握一種操作系統(tǒng)的使用和簡單維護(hù)。

計算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)的操作系統(tǒng)通常為Windows和Linux系統(tǒng)。由于Windows源代碼不開放，Linux源代碼開放但代碼量太大，不可能在課堂上講解，因此在操作系統(tǒng)實(shí)驗課程設(shè)計中應(yīng)用類的操作比較多，如在Windows環(huán)境或者Linux下通過調(diào)用Windows API函數(shù)或者Linux相應(yīng)接口函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程創(chuàng)建、處理機(jī)調(diào)度及內(nèi)存獲取和釋放等操作，但這些對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是不適用的。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)為嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的特點(diǎn)是內(nèi)核小、對時間要求較高，即要求在較短的時間內(nèi)，對提交的任務(wù)作出響應(yīng)，稱之為實(shí)時系統(tǒng)（μS級）。因此物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)需要學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)中實(shí)時操作系統(tǒng)的相關(guān)知識。嵌入式操作系統(tǒng)主要介紹實(shí)時內(nèi)核原理、多個常用OS（UCOS、UCLinux、WIN CE、VXWorks、Nucleus）的比較、實(shí)時時效的分析與提高、實(shí)時OS的設(shè)計方案。了解實(shí)時操作系統(tǒng)的概念、內(nèi)核結(jié)構(gòu)；由于代碼量小，可以通過對開放源代碼的實(shí)時系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ和嵌入式Linux源代碼的分析，掌握多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)的基本概念、競爭與調(diào)度算法、任務(wù)間同步與通信、存儲與定時的管理。在該課的設(shè)計中，筆者將理論與實(shí)際相結(jié)合，一邊講解計算機(jī)操作系統(tǒng)的基本原理，一邊結(jié)合μC/OS-Ⅱ的源代碼，逐行將源代碼完全剖解。學(xué)生根據(jù)看源代碼，很容易就理解了如創(chuàng)建進(jìn)程的方法：申請空白PCB；為新進(jìn)程分配內(nèi)存資源；初始化PCB；將新進(jìn)程插入就緒隊列等源代碼。如果操作系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)Bug了，學(xué)生可以隨時修改源代碼來修補(bǔ)問題，逐漸完善操作系統(tǒng)。

三、程序設(shè)計語言課程研究

C語言和Java語言是計算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要任務(wù)是介紹C語言或者Java語言中的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)運(yùn)算、語句結(jié)構(gòu)、函數(shù)、數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體、鏈表、位運(yùn)算、文件，使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的方法，目的是使學(xué)生掌握一門高級程序設(shè)計語言，掌握面向過程程序設(shè)計的基本概念與方法，培養(yǎng)學(xué)生通過C語言或Java語言程序設(shè)計解決實(shí)際問題的能力。在計算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)這些語言時不需要考慮該語言使用在什么平臺環(huán)境下，以及相關(guān)硬件的使用情況，而在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中這些就需要格外關(guān)注。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)計到硬件驅(qū)動程序的編寫，以及硬件傳送數(shù)據(jù)時考慮硬件寄存器配置、接收及發(fā)送數(shù)據(jù)的接口，因此語言設(shè)計時要配合相應(yīng)硬件芯片資料知識，才能設(shè)計出正確的程序。針對不同的硬件環(huán)境，筆者會增加“ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程”、“嵌入式軟件設(shè)計”、“單片機(jī)原理與接口”、“Andriod手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計”等語言課程。“ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程”是物聯(lián)網(wǎng)中中央處理器的核心芯片，現(xiàn)在市場上ARM架構(gòu)的芯片占據(jù)嵌入式芯片市場80%以上。因此掌握了ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的編程語言，才能進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)底層硬件相關(guān)的設(shè)計及操作系統(tǒng)的移植。通過學(xué)習(xí)“ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程”課程，讓學(xué)生了解ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)及開發(fā)工具的使用，掌握開發(fā)基于ARM的應(yīng)用系統(tǒng)的各方面的知識。其中包括ARM體系介紹、ARM匯編語言程序設(shè)計、ARM C/C++語言程序設(shè)計、ARM集成開發(fā)環(huán)境的介紹。“嵌入式軟件設(shè)計”在精通掌握C語言的基礎(chǔ)上，針對嵌入式環(huán)境增加了WINCE編程方法及嵌入式數(shù)據(jù)庫的使用方法。“Andriod手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計”在精通JAVA基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟆⑤斎胼敵隽鳌⒓峡蚣艿幕A(chǔ)上，增加熟練掌握Servlet和Filter，可以使用JSP大部分功能；熟練掌握Android開發(fā)平臺的用戶界面、組件使用、數(shù)據(jù)存儲、多媒體程序設(shè)計、圖形處理、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、GPS定位服務(wù)等技術(shù)。

四、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向、新趨勢，物聯(lián)網(wǎng)將對人們的生活產(chǎn)生巨大影響，由物聯(lián)網(wǎng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是巨大的。應(yīng)該緊跟物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展動向，培養(yǎng)更多掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的人才，滿足社會需要。[3，4]這就要求設(shè)計滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的相關(guān)課程，本文從計算機(jī)相關(guān)課程角度出發(fā)，設(shè)計了一系列計算機(jī)相關(guān)特色課程以滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要。

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（責(zé)任編輯：王意琴）