基于系統能力培養的嵌入式方向課程體系研究

王維，李紅，康世英

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基于系統能力培養的嵌入式方向課程體系研究

王維，李紅，康世英

（咸陽師范學院，咸陽 712000）

在后PC時代，在嵌入式系統、云計算、物聯網等各種新型計算及應用都對系統能力提出了要求。結合我校計算機科學與技術專業發展現狀，提出了基于系統能力培養的嵌入式方向課程體系，依據該課程體系規劃課程內容，并取得了較好的效果。

系統能力；嵌入式方向；課程體系

0 引言

隨著物聯網、智能信息家電、智能控制技術的迅速發展，基于嵌入式系統的新器件、新設備不斷推出，急需各類嵌入式系統軟硬件開發、研究、產品研制人員，這就要求計算機科學與技術專業在嵌入式方向的人才培養過程中，應重點培養學生的系統能力。

1 系統能力的內涵

中國計算機學會計算機教育專業委員會在《2012中國計算機科學技術發展報告》中明確提出：相比較其他專業學生的計算機基礎和應用能力，計算機專業學生更強調計算機系統能力的培養[1]。南京大學的袁春風等認為, 計算機專業學生的優勢之一在于計算機系統能力，即具備計算機系統層面的認知與設計能力、能從計算機系統的高度考慮和解決問題[2]。

計算機專業學生的系統能力是指在掌握計算機系統基本原理的基礎上，熟悉如何進一步開發構建以計算機技術為核心的應用系統[3]。這要求學生不僅要掌握常用的編程語言，更要清楚計算機系統內部軟件、硬件之間的關聯關系及邏輯層次結構。這從工程教育的角度對計算機專業提出了更高的要求，系統觀的教育對于計算機專業嵌入式方向的學生尤其重要。

2 當前教育存在的問題

在當前計算機科學與技術專業設置的課程體系對學生的系統能力培養存在以下問題：

1）開設的專業課程之間的銜接和關聯考慮不夠，課堂教學內容只圍繞所講課程核心內容組織，很少體現和其他課程內容之間的關聯，導致學生無法將前導課程所學內容融入學習中，同時由于缺少對后續課程的認識，甚至不知學習該門課程的意義所在，無法從計算機系統的角度定位該課程。

2）由于學生不具備系統觀，理論知識理解不深，導致學生在實踐環節出現各種問題。在開始接觸實驗時興趣非常大，但由于知識理解不夠，實驗無法順利完成，漸漸失去興趣，害怕做實驗，最終演變成不想做甚至討厭做實驗。

總體來說，目前在計算機專業的教學中缺乏對學生系統能力的培養。在后PC時代，在嵌入式系統、云計算、物聯網等各種新型計算及應用都對系統能力提出了要求。本文主要針對我院計算機專業嵌入式方向的課程體系設置在系統能力培養方面展開研究。

3 嵌入式方向課程體系設置思路

結合后PC時代，嵌入式系統對人才的要求不僅僅是掌握嵌入式系統開發的基本理論和方法，更重要的是具備嵌入式系統軟硬件的設計與開發，即在系統能力方便提出了更高的要求。

結合我校學生實際，計算機科學與技術專業課程包括基礎課程和嵌入式方向課程。基礎課程包括軟件課程和硬件課程兩部分，其中軟件課程主要包括C語言、面向對象程序設計、數據結構、數據庫原理及應用、操作系統等，主要訓練學生的編程能力和系統開發能力；硬件課程主要包括：模擬電路、數字電路、計算機組成原理、微機原理與接口技術等，幫助學生掌握必備的硬件知識，對計算機系統的組成從底層元器件的學習、基本邏輯電路及邏輯部件的學習到計算機五大組成部分的學習，使學生對計算機系統有一個較清晰的認識。

在以上基本課程學習完畢后，展開嵌入式方向課程的學習。嵌入式方向課程體系設置的基本思路是：先講底層具體的嵌入式系統的體系結構，再講頂層比較抽象的嵌入式應用開發用到的編程方面的內容，同時可以添加嵌入式開發中嵌入式操作系統的學習，然后從兩頭到中間，把頂層程序設計內容和底層電路內容按照程序員視角全部串起來，介紹驅動程序開發及嵌入式應用系統的開發，達到在嵌入式方向課程學習中對系統能力和動手能力培養的目標。

嵌入式方向課程主要包括嵌入式體系結構、嵌入式操作系統、嵌入式軟件設計及嵌入式系統設計與應用開發等課程。由于基礎課程中缺少一門涉及在計算機硬件系統上應用軟件編程語言開發系統的課程，因此在該課程體系中引入單片機原理，該課程主要講述51單片機，使學生進一步學習程序設計語言如何控制單片機的功能部件，實現相應功能。該門課程的引入，有助于學生將計算機系統的底層設計與應用有機結合，奠定系統軟硬件開發的基礎，同時由于單片機課程簡單、具體，能夠提高學生學習的積極性，有助于后續嵌入式方向課程的學習?；谇度胧椒较蛘n程體系的相關課程設置方案如圖1所示，圖1橫軸部分是計算機系統的各個抽象層（只表示該課程體系用到的部分層次），縱軸表示課程開設的時間，右邊矩形框表示課程，其上下兩條邊的位置標識課程內容在系統層次中包括的范圍，矩形的左右兩條邊的位置標識課程開設的時間。

4 規劃嵌入式方向課程內容

依據嵌入式方向課程體系，需對方向課程內容進行規劃。該方向課主要基于ARM9硬件平臺和嵌入式Linux操作系統展開。

1）嵌入式體系與結構中主要講解ARM9處理器及外圍控制電路相關內容，包括ARM體系結構、指令系統、GPIO編程、異常中斷處理及編程、串行通信接口、存儲器接口、定時器編程及接口、A/D轉換器及LCD接口，編程采用Keil公司的MDK，該MDK是ARM公司最新退出的專業嵌入式開發工具ReakView工具集，編程語言選用C語言；

2）嵌入式操作系統選用可配置、開源的Linux操作系統，如圖1所示。

圖1 嵌入式方向課程體系相關課程設置

主要講解操作系統的存儲管理、進程管理、文件管理、設備管理等幾個核心模塊，包括內核代碼的部分分析介紹，為后續進行驅動程序的開發奠定基礎；

3）嵌入式軟件設計主要講解利用Qt開發應用程序，介紹信號與槽的實現機制、對話框、主窗口、布局、文本輸入和表、容器類、目錄與文件處理、事件機制等內容，該部分學習基于Windows平臺學習Qt；

4）嵌入式系統設計與應用開發課程以前三門課程為基礎，通過介紹交叉編譯器、BootLoader、Linux內核和根文件系統幾部分內容構建嵌入式硬件平臺，在此基礎上介紹設備驅動程序開發，該部分是難點，需要用到體系結構和內核的知識，將前導課程有機結合到一起，然后講解嵌入式開發環境Qtopia，及基于Windows平臺的Qt如何移植到硬件平臺，最后以綜合性的嵌入式系統為例，圍繞嵌入式硬件平臺的搭建、底層硬件電路設計、驅動程序開發到上層應用程序的開發及調試、運行展開講解，進一步提高學生的系統能力。

5 改革后的效果

依據該課程體系，組建嵌入式創新團隊，使學生盡可能早地參與科研項目，鼓勵學生參考嵌入式相關的大賽，提高學生的實際動手能力和系統能力。我院已連續多次組織學生參加“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽，在西北賽區多次獲獎，并在國家比賽中獲獎，取得了非常好的成績。

6 總結

系統能力是ACM/IEEE CS2013在組織眾多計算機教育專家深入調研基礎上，對原有14個知識域進行適度調整，增加4個涉及系統級的內容，由此可見，在CS2013的重點是進一步強調系統知識和系統能力的培養[4]。本文結合我校計算機科學與技術專業現狀，重點研究嵌入式方向課程體系設置及內容規劃，提高學生系統能力的培養。

[1] CCF計算機教育專業委員會.計算機專業學生系統能力培養和系統課程設置的研究與進展.2012中國計算機科學技術發展報告[R]，北京：機械工業出版社，2012:122-150.

[2] 袁春風，王帥.系統能力培養初探[J].中國計算機學會通訊，2013,9(9)：48-55.

[3] 王志英等.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):1-6.

[4] The Joint Task Force on Computing Curricula of ACMIEEE. Computer Science Curricula 2013 Ironman Draft(Version 0.8)[EB/OL]. [2013-03-26].http://ai.stan ford.edu/users/sahami/CS2013/.

Research on Curriculum Structure of Embeded Aspect Based on System Practice Trainning

Wang Wei, Li Hong, Kang Shiying

(Computer Institute of, Xianyang Normal University, Xianyang 712000, China)

In the post-PC era, various new computing and applications, such as embedded systems, cloud computeing and The Internet of Thing, make demands on system capability. According to the development status of the computer science and technology specialty, the curriculum of embeded systems based on system-oriented practice trainning is proposed, the content of the course is planed, and have achieved good effects.

System-oriented; Embeded direction; Curriculum structure

1007-757X(2016)12-0026-02

TP311

A

咸陽師范學院校內教改（201302025），省級計算機科學與技術專業（陜教高[2011]38號）

王 維（1981- ），女，咸陽師范學院，講師，碩士，研究方向：嵌入式系統,咸陽 712000

李 紅（1978-），女，咸陽師范學院，講師，碩士，研究方向：嵌入式系統,咸陽 712000

康世英（1980-），女，咸陽師范學院，講師，碩士，研究方向：嵌入式系統,咸陽 712000

（2016.05.12）