計算機系統能力背景下的嵌入式系統實驗教學研究

陳乃金+周鳴爭

摘要；該文分析了以計算機系統能力培養為背景的嵌入式系統實驗教學存在的問題，給出了嵌入式系統實驗課程教學的改革方案。實踐結果表明，該教學模式培養了理工科院校學生的實踐能力，改進了嵌入式系統課程的教學質量。

關鍵詞；計算機系統能力；嵌入式系統實驗教學；實驗內容；教學方法；創新

中圖分類號； TP314 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0098-02

Abstract： This paper analyzes the existing problems of embedded systems experimental curriculum teaching for the background of Computer system capability. The reform program of embedded systems experimental teaching is given. The result of teaching experiments shows that this teaching pattern cultivates the practical abilities of science and engineering students and the teaching quality is improved.

Key words： computer system capability； embedded system experimental teaching； experimental content； teaching method； innovation

近年來，一方面，嵌入式系統芯片已經滲透到手機、家電、汽車制造、臨床醫療、物聯網無線數據傳輸控制等方方面面，并且取得了較大的成功。另一方面，從2000年開始，在高校教學層面全國各大高校電子信息類等專業均開展了嵌入式系統及相關課程，取得了一定的教學效果。但是，隨著IT產業的進一步發展，企業界對嵌入式系統芯片的設計、驗證和測試、編譯等軟硬件協同設計人才的需求越來越大，這些對嵌入式系統教學提出了挑戰。

嵌入式系統是一門綜合性課程，涉及可重構系統、計算機系統結構、計算機組成原理、數字邏輯、系統芯片設計流片與驗證測試、linux操作系統、編譯原理、匯編/C/C++/Java程序設計、Verilog和SystemVerilog模塊化設計、同構或異構數據庫的驅動研發等多門課程，詳細“嵌入式系統”課程群見文獻[1]，并且文獻[1，2]已經對嵌入式系統的定義進行了很好闡述，在此不再累述。

傳統的計算機科學與技術理論和實驗教學已經不能適應計算機系統能力培養背景下嵌入式系統教學[3]，特別是計算機系統能力背景下的嵌入式系統實驗教學。計算機系統能力培養的核心是要求學生在掌握嵌入式等新型計算系統基本原理的基礎之上，對計算機系統的軟硬件設計、操作系統、編譯技術、工程應用開發等提出了更高要求[4-6]。在這樣的背景下，嵌入式系統的實驗教學存在較多問題，對此進行探索式的改革顯得尤為重要。

1現階段嵌入式系統實驗教學存在的問題

現階段嵌入式系統還是處于一門新課的狀態，特別在實驗教學方面缺乏成熟的教學方法，實驗設備或系統不足，可表現在以下幾個方面：

1.1實驗內容停留在簡單驗證階段

現階段嵌入式系統課程的實驗大多基于實驗箱，從而導致學生僅僅停留在認知和實驗箱

例子實驗驗證的層面，不少高校沒有做到對嵌入式系統實驗進行二次開發，更沒有結合企業工程問題的實際進行開發。

1.2 數據傳輸沒有融合無線傳輸

一般而言，嵌入式開發板數據下載實驗的做法是：首先把某一個應用任務在一臺PC上的編譯完成后，第二通過數據下載器連接PC機和開發板進行數據的有線下載和傳輸，沒有通過無線終端及無線傳感器的網絡協議實現無線下載，從而導致數據傳輸教學具有局限性。

1.3 沒有培養學生的硬件原理圖的設計能力

通常，實驗開發板供應商在提供實驗設備的同時，給出了該套硬件開發板的設計電路圖及相關接口控制數據，集成開發環境IDE的安裝說明等文檔，學生大多按實驗程序去仿真，對硬件設計原理圖沒有理解或處于一知半解的狀態，從而導致達不到相應的教學效果。

1.4學生對嵌入式CPU指令設計不理解

學生只會在嵌入式系統開發中應用一些成熟的指令進行匯編語言的編碼，具體對嵌入式CPU的指令是如何設計的不理解或完全不知。嵌入式CPU的開發一直以來是計算機等電子信息類專業的教學重點和瓶頸，特別是工程化教學和計算機系統能力培養的大背景下，對本科生提出了更高的要求，所以對嵌入式CPU指令設計和仿真顯得特別重要。

1.5實驗指導教師的缺乏

一般而言，老師均具有承擔嵌入式系統等新課的積極性，老師在理論教學較為投入，但是配備的嵌入式系統實驗指導教師不足，導致任課老師一方面要積極講好理論課，一方面又要全力投入嵌入式系統實驗的設計，沒有精力設計出創新性較好的實驗教學項目。

2計算機系統能力背景下的嵌入式系統實驗教學改革

2.1 實驗內容改革

在計算機系統能力培養的背景下，可以將嵌入式系統實驗內容可分為以下四個方面：

2.1.1 基礎驗證實驗

具體包括硬件和軟件基礎實驗。硬件基礎實驗包括Protel 99SE版圖生成及母板的制作；全加器、乘法器數字電路的焊接與設計；數字模塊電路的Verilog波形仿真等。軟件基礎實驗包括熟悉COS-Ⅱ、CLinux、Vxworks、Windows CE等兩種嵌入式操作系統；嵌入式處理器匯編語言的編碼與測試、CLinux的任務移植、外部設備驅動實驗編寫、Bootloader引導程序的加載、CLinux內核裁剪等實驗。

2.1.2 嵌入式CPU指令設計仿真實驗

基于Verilog或System Verilog等EDA工具設計5條、10條、55條CPU的MIPS指令，通過仿真讓本科生了解和掌握嵌入式CPU工程化綜合方法，根據一條指令的通路表，確定多路選擇器或控制寄存器等的邏輯表達式和控制信號的形成機制，這樣做的目的一方面是使學生初步具有設計CPU指令的能力，另一方面，可以訓練學生閱讀不同嵌入式架構數字及復雜電路原理能力，從而實現嵌入式系統實驗的二次開發。

2.1.3 綜合性實驗

綜合性實驗必須要安排3-5個，具體包括嵌入式文件系統有線和無線燒寫；基于無線網絡終端的任務可執行文件無線傳輸；結合開源軟件miniGUI等實現觸摸屏用戶界面的設計與代碼移植；基于TP/TCP協議實現有線和無線網絡數據傳輸通信等。

2.1.4 與國家大學生創業計劃相融合的實驗：

任課教師鼓勵并協助大學生申請國家大學生創業計劃，例如：電瓶車防盜系統的嵌入式無線數據傳輸報警系統；嵌入式CPU編譯技術的System Verilog軟硬件仿真平臺的設計與實現等。

2.2 實驗教學方式改革

2.2.1 課堂理論教學與實驗內容相融合

任課教師在認真完成理論教學的同時，積極配合實驗教學人員把每一個實驗設計好做到課堂理論教學與實驗內容相融合在一起，在每次上實驗前，在課堂上把本次實驗內容及相關的知識點講一遍，這樣做的目的是為學生實驗前期準備做鋪墊。

2.2.2 考核方式

以前嵌入式系統實驗考核重視實驗報告的撰寫，忽視了學生實驗過程和動手能力的培養，實驗成績包括需要以下幾個方面：（1）實驗前期準備，檢查學生本次實驗題目、實驗目的、實驗注意事項、實驗方法是否寫在實驗報告紙上了，占實驗成績權重的20%；（2）實驗過程實現，考查學生實驗實現結果，老師現場打分，占實驗成績權重的40%；（3）實驗拓展，每次實驗均涉及2-3個拓展問題，讓學生做完基本實驗后，現場完成，占實驗成績權重的30%；（4） 實驗小結，每次實驗均要寫本次實驗的收獲、本次實驗遇到的困難，占實驗成績權重的10%；（5）考勤，如果實驗缺勤超過2次，直接定為不及格。需要說明的是，如果嵌入式系統為專業方向課，還需要2周的課程設計，做到一人一題，題目類型主要為綜合的創新性實驗，還有國家、省的大學生創業計劃實驗。

2.2.3 融合學科競賽

積極開展學生第二課堂，并帶領學生組隊參加嵌入式省及國家級電子設計、嵌入式省及國家級單片機設計等大賽，讓學生把課堂上學習的內容應用到比賽設計的作品當中去，從而實現理論與實踐的融合。

3 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）學生在硬件設計及動手能力方面明顯增強。

（2）學生參加嵌入式物聯網系統國家及省大賽、安徽省及全國單片機比賽、安徽省機器人大賽、 “飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽等比賽的人數明顯增加，每年的獲獎人數和團隊達到參賽人數的30%或以上。

4 結語

近年來的嵌入式系統的實驗教學實踐證明，通過嵌入式系統的實驗的改革，培養激發了學生學習嵌入式系統的熱情，提高了學生在嵌入式系統領域的就業競爭力。通過嵌入式系統的實驗教學實踐，我院學生在嵌入式系統方面的設計與開發能力明顯增強，下一步我院打算進一步優化計算機系統能力背景下的嵌入式系統實驗教學體系，把嵌入式系統課程建設我院一個專業方向亮點，使之成為特色專業方向之一。

參考文獻：

[1] 陳乃金，周鳴爭. “嵌入式系統”課程群的改革與實踐[J].長春大學學報， 2013，23（8）：1044-1046.

[2] 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.

[3] 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，9月，2004：82-84.

[4] 王志英，周興社，袁春風，等. 計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J].計算機教育， 2013，9（5）：1-6.

[5] 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.

[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.