計算機應用專業嵌入式系統課程教學探討

錢誠?彭馨馨

摘要：為了培養高質量的嵌入式工程師，針對計算機應用專業學生的特點，從課程體系結構、課堂教學和實踐環節等方面介紹了嵌入式系統的教學思路及實際教學方法，提出了理論講授與動手實踐相結合的教學模式。實踐表明，嵌入式系統課程有效地提高了學生的工程實踐能力，拓寬了學生的就業面。

關鍵詞：嵌入式系統；教學方法；驗證型實驗；設計型實驗

作者簡介：錢誠（1981-），男，江蘇常州人，常州工學院計算機信息工程學院，講師；彭馨馨（1980-），女，江蘇常州人，江蘇理工學院商學院，講師。（江蘇 常州 213002）

基金項目：本文系常州工學院自然科學基金重點項目（項目編號：YN 1204）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0144-02

隨著嵌入式系統在工業設備、人們日常生活中的應用普及，對嵌入式系統的需求也隨之越來越大，具備嵌入式系統開發技能的人才也因此受到了廣泛的青睞。為了滿足企業對高質量嵌入式工程師的需求，在高等學校開設嵌入式系統相關課程變得十分必要，其對于促進嵌入式工程師的成長也有著深遠的意義。

嵌入式系統本質上是一種軟硬件高度集成的微型計算機系統，其具有軟硬件可裁剪、低功耗、實時性強等特點。相比于計算機應用方向的其他專業課程，嵌入式系統課程內容涉及軟硬件的知識較多，對于學生前期的知識儲備有著較高的要求，入門難度相對較大，這些都加大了學習的難度。[1]此外，由于實驗條件的限制，傳統的教學更加注重于理論知識的講授，實踐環節的課時較少，這容易使學生喪失興趣，導致授課效果差。

在嵌入式課程中，針對計算機應用專業的特點，[2]設置合理的教學目標，調動學生興趣，充分挖掘學生的自主學習能力，使得學生能夠真正掌握嵌入式系統開發技能，是該課程所期望達到的效果。圍繞這一教學目的，在課程設置上，重視嵌入式系統基礎性理論的學習，強調對學生動手操作能力及解決工程問題能力的培養，[3]尤其注重實驗中嵌入式系統各硬件工作原理的驗證以及在此基礎上的開發實踐活動。[4]兼顧到嵌入式系統的發展趨勢以及學生的知識接受能力，整個課程選擇了以ARM Cortex-M3為核心的STM32F103XX嵌入式芯片作為教學實踐平臺。

一、課程體系結構

課程的具體目標是培養學生能夠熟練使用嵌入式開發工具及已有的基礎固件庫完成驅動程序和應用軟件的開發，在硬件電路設計方面并不做過多要求。該目標的設置可以充分發揮計算機應用專業學生軟件開發能力相對較強的特點，而降低由于電子電路背景知識基礎相對薄弱所帶來的知識理解困難，這也使得學生不會因為嵌入式系統硬件的復雜性而在學習上產生退縮情緒，反而因為自身所具備的程序編制能力得以快速入門，并產生更多的興趣驅動其深入到嵌入式系統的學習中。

在教學內容的組織上，根據設置的課程目的，將課程知識體系劃分為三個有機組成部分。第一部分，嵌入式系統的總體體系結構；第二部分，嵌入式系統的指令系統；第三部分，嵌入式系統外圍核心模塊的工作原理。第一部分是對整個嵌入式系統的總覽，該部分內容具有一定的抽象性，并不是某特定嵌入式系統結構的具體化，因而更具有普遍性。第二部分主要圍繞ARM指令集及Thumb指令集進行介紹，后續的實驗環節則更偏重于C語言在ARM內核上的編程。第三部分側重于外圍核心模塊，結合各功能模塊的工作原理和對應固件庫中函數的具體實現，使工作原理的講解變得直觀，容易被學生接受。這三部分并不孤立，第一部分更多地闡述了嵌入式系統的硬件載體，而第二部分則主要闡述了嵌入式系統軟件開發的基礎，第三部分則是軟硬件的綜合，其依賴于前兩個部分的知識基礎。

在授課的模式上，采用了課堂講授與實驗相結合的教學模式。課堂講授部分主要涉及嵌入式系統微處理器、存儲器及時鐘電路等內容的介紹，隨后則是各功能模塊工作原理的介紹。在講授過程中，首先給出概要性的介紹，使得學生形成感性認識，其次對于重點、難點部分，使用演示法，運行一些小程序，通過對比運行結果，使得學生能夠正確理解各工作原理。在設計這些小程序的過程中，只對部分能夠說明工作原理的部分進行修改，其他大部分都相同，通過演示講解，形成更為直觀的認識。最后在實驗部分，圍繞外圍模塊設置多組實驗，難度為一階梯遞增的過程，使得學生能夠循序漸進地掌握嵌入式系統的開發技術。

二、課堂教學

在課堂教學的過程中，注重對ARM的軟硬件總體結構進行介紹。按照嵌入式系統的縱向結構，將嵌入式系統分為硬件層、中間層、系統層及應用軟件層，層次性的介紹使得學生能夠快速建立起ARM嵌入式系統框架結構的概念。

硬件層，圍繞著嵌入式系統低功耗、實時性強的特點闡述系統設計的初衷與思路，重點介紹系統的時鐘電路，注意高速內部時鐘、高速外部時鐘、低速內部時鐘和低速外部時鐘獲取方法之間差異性的比較。針對嵌入式系統保證系統效率的核心機制——中斷機制，課程中引入了STM32F103XX芯片的中斷系統作為具體的中斷實現進行介紹，由其典型的7類中斷類型延伸到其他ARM系統的中斷實現。存儲器的講解則偏重于存儲器的分區及地址重映射的概念。對于基本硬件構成的講解不只是停留在每個硬件的簡單介紹上，而是通過數據流、指令流的傳遞闡述這些硬件的協同工作機理。

在中間層，外圍模塊的驅動程序設計是該課程教學的重點，內容包括通用輸入輸出引腳（GPIO）、模數轉換（ADC）模塊、外部中斷（EXTI）模塊、定時器模塊、串口通信（USART）模塊、實時時鐘（RTC）模塊及看門狗模塊等。這些模塊的驅動程序更加貼近于底層硬件，因此相關理論的介紹是必不可少的。參考當前工業界一些優秀的驅動程序，通過挖掘程序片段供學生閱讀，使得學生對這些外圍模塊的理解不僅僅停留在抽象的原理性認識上，能夠更多地從實例程序中理解驅動程序的編寫方法及思路。為了讓學生更好地理解各模塊的基本工作原理，示例小程序的運行效果可以提供一個直觀的認識手段。在設計這些示例程序時，突出寄存器的配置參數對程序運行結果的影響。例如，在定時器的配置過程中，通過修改分頻系數及計數模式，可以產生不同時長的定時效果，學生可以很直接地發現結果的差異性。

作為源碼公開的嵌入式操作系統，μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統具有內核小、實時性強的特點，在系統層，將μC/OS-Ⅱ作為一款典型的嵌入式操作系統，講解內核結構——任務調度、任務的互斥和同步、任務間的通信等，并在這一過程中穿插其他嵌入式操作系統的內核實現方式，如Linux、vxWorks等相關知識，使得學生能夠觸類旁通，知識面也不局限于μC/OS-Ⅱ。考慮到計算機應用專業學生已有的操作系統知識，在這一塊內容的教學上，并不展開每一個內核的實現細節，課后通過一些作業讓學生有意識地利用已有操作系統知識來擴展、自學嵌入式操作系統。

對于應用層的介紹，則給出多個工程實例，剖析部分程序文件，以此向學生展示在嵌入式系統上如何開發應用程序。在工程實例的選擇上，綜合考慮實用性及學生的學習能力，設計了“基于STM32F103XX的手持電子相冊設計與開發”和“嵌入式系統上人機友好交互界面的設計與開發”等實例，引導學生掌握外圍功能模塊的組合應用。

三、實驗教學

實驗教學是學生掌握嵌入式系統開發及應用知識的關鍵性環節。在實驗的設計上，根據程序開發的難易程序，將實驗分為驗證型實驗和設計型實驗，引導學生循序漸進地掌握軟件編制技巧。

驗證型實驗，設計合理的范例程序，并通過在實驗課上程序設計思路的講解，幫助學生理清程序的流程與框架。對于該類范例程序，一般設置2個目標：第一，要求在范例程序上通過修改參數，觀察在不同參數下嵌入式系統的輸出表現。第二，按照嵌入式系統的功能要求，補充完整范例程序。為了達到這些實驗目標，讓學生從硬件接線圖著手，在掌握輸入輸出信號流以后，進一步理解范例程序的功能實現過程。如在流水燈實驗中，在確定外部三個LED燈的灌電流驅動方式，讓學生通過設置對應端口的高低電平來控制LED的點亮與熄滅。在給出的范例程序中，程序的調用過程標定清楚，學生只需填充函數，完成GPIO時鐘的配置，設定引腳號、引腳傳遞速度和引腳工作模式等參數，從而達到循環控制LED燈的目的。驗證型實驗可以引導學生快速了解嵌入式系統的開發過程，幫助學生建立起嵌入式系統軟件開發的信心，為后續獨立開展實驗打下基礎。

設計型實驗在學生具備初步的嵌入式系統開發能力的基礎上，采用探究式教學法，給定功能目標，讓學生自行設計方案并編制軟件實現目標。在這一過程中，學生需要運用軟件工程思想，編寫概要設計文檔與詳細設計文檔，給出模塊劃分結果及部分關鍵函數的流程圖作為實驗報告的必要組成部分。在編制軟件時，由于涉及一些固件庫的使用，要求學生查閱開發手冊掌握必要的庫函數來完成實驗。為了讓學生順利完成實驗內容，實驗內容都在課程講授的范圍內，只涉及多個外圍核心模塊的協調工作，學生在掌握工作原理的基礎上可以較為順利地完成方案的設計與軟件的編制。

四、考核方法

考慮到嵌入式系統教學目標更加偏重于學生動手能力的培養，因此在考核的內容上強調實驗的表現。在期末成績的綜合評定上，平時課堂表現、作業情況占10%，實驗成績占30%，期末理論考試占60%。通過這一考核方案，在促使學生學習嵌入式系統基礎理論的同時，能夠將所學的理論知識運用到具體的實驗操作上，使得計算機應用專業的學生將嵌入式系統知識內化到自身的知識體系中。

五、結語

嵌入式系統課程是一門具有較強實踐性的課程，為了使學生系統性地掌握嵌入式系統，在課堂授課過程中采用演示法加深學生對嵌入式系統的理解，另外，設計難度遞增的實驗內容，使得學生能夠循序漸進地掌握嵌入式系統開發技術。通過一系列課堂教學、實驗環節的改革，建立一個較為完善的課程體系，更好地促進學生工程實踐能力的培養，在實際的教學中取得了較為明顯的教學效果，有效地拓寬了計算機應用專業學生的就業面。

參考文獻：

[1]劉澤平，羊四清.計算機專業嵌入式方向課程體系建設[J].計算機教育，2013，（6）：103-106.

[2]蔣銀珍，王宜懷.計算機專業的嵌入式系統課程教學探討[J].計算機教育，2011，（18）：46-48.

[3]孫強，范光宇，陳年生.計算機專業嵌入式系統課程教學改革探討[J].教育教學論壇，2013，（36）：26-27.

[4]蔣書波，王曉榮.嵌入式系統平臺課程體系教學方法探析[J].中國電力教育，2013，（2）：116-117.

（責任編輯：王意琴）