論CDIO模式下的計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)

吳文慶

【摘要】 本文以CDIO模式為指導(dǎo)，從嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀著手，分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)存在的問題，明確了未來計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上，探討了CDIO模式下計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)內(nèi)容與方法，旨在培養(yǎng)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)人才，促進(jìn)嵌入式技術(shù)進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 CDIO模式 計(jì)算機(jī) 硬件嵌入式技術(shù)

近年來，嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器及航空航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居等都以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在這樣的背景下，市場(chǎng)對(duì)嵌入式人才的需求越來越重視。但就目前來看，當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)專業(yè)關(guān)于嵌入式技術(shù)方面的教學(xué)還存在一定問題，往往過于注重軟件方面的程序開發(fā)，忽略了硬件嵌入式技術(shù)的研究和教學(xué)。

在這樣的背景下，本文以CDIO功課教學(xué)模式為基礎(chǔ)，探討了計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向和人才培養(yǎng)內(nèi)容與方法，旨在為相關(guān)研究與實(shí)踐提供參考。

一、CDIO模式概述

CDIO模式屬于一種工程教育模式，是國(guó)家工程教育改革的一項(xiàng)突破性成果，由麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)四年研究獲得。CDIO模式代表構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)作四個(gè)過程，以產(chǎn)品整個(gè)生命周期為載體，讓學(xué)生對(duì)產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行各個(gè)階段進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)踐性較強(qiáng)。

CDIO理念繼承了歐美先進(jìn)工程教育改革觀念，創(chuàng)新性的提出了可操作性的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于提升功課教學(xué)質(zhì)量有著重要的意義，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展方向和趨勢(shì)[1]。

就我國(guó)來看，工科教育體系需要積極培養(yǎng)出與世界接軌的工程師，但我國(guó)工科教育實(shí)踐還存在著諸多問題，過于注重理論和輕視實(shí)踐，過于注重學(xué)習(xí)而忽略創(chuàng)新，在這樣的背景下，應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)并應(yīng)用CDIO工程教育模式。

二、基于CDIO理念分析計(jì)算機(jī)硬件課程存在的問題

CDIO的核心為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)作，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性和創(chuàng)新性，基于這一理念，分析我國(guó)計(jì)算機(jī)課程中存在的主要問題。

2.1缺乏設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)

近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展較快，應(yīng)用越來越廣泛，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度提升，傳統(tǒng)軟硬件相隔離的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)搭建、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)等成為主流設(shè)計(jì)思想，但當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)相關(guān)課程缺乏對(duì)學(xué)生這種先進(jìn)設(shè)計(jì)能力的有效培養(yǎng)。

2.2缺乏可編程芯片設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)

我國(guó)工科高校開設(shè)計(jì)算機(jī)硬件課程很少涉及到關(guān)于芯片編程的實(shí)驗(yàn)課程，僅有的實(shí)驗(yàn)安排在大肆，但受到教育體制的影響，許多學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)不涉及到芯片編程就不會(huì)認(rèn)真學(xué)習(xí)，這就大大弱化了對(duì)學(xué)生可編程芯片設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

2.3缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)

收到實(shí)驗(yàn)條件等因素的影響，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)大多針對(duì)的是純硬件邏輯，缺乏橫向功能拓展和縱向功能延伸，給予學(xué)生的創(chuàng)新空間較少，學(xué)生在現(xiàn)有條件下難以完成綜合性和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。

三、嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以具體應(yīng)用為核心，軟硬件可進(jìn)行裁剪來滿足應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)要求，例如功能要求、穩(wěn)定性要求、功耗要求、成本要求及體積大小要求等[2]。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)與各行各業(yè)應(yīng)用的有效結(jié)合，其應(yīng)用前景廣泛。

嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用使得計(jì)算機(jī)分類模式發(fā)生了改變，從傳統(tǒng)的按體積進(jìn)行分來變化為通用型和嵌入型兩類，涉及到的領(lǐng)域十分廣泛，例如醫(yī)療領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、工業(yè)控制領(lǐng)域及金融領(lǐng)域中都能夠看到嵌入式系統(tǒng)的身影。嵌入式系統(tǒng)中軟硬件結(jié)合，要想從事此項(xiàng)工作，需要具備較高的計(jì)算機(jī)技能水平，具體來說如下：

一方面，是電子工程、通信工程等硬件專業(yè)方面的人才，這些人才以硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)為主，開發(fā)硬件驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)硬件原理掌握較為清楚，但這些人才對(duì)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)往往能力較差，例如復(fù)雜應(yīng)用軟件、嵌入式操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)等。

另一方面，是偏軟件專業(yè)的人才，這些人才在軟件開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)上造詣?shì)^高，且如果軟件方面人才掌握了相關(guān)硬件原理，完全可以自主開發(fā)硬件驅(qū)動(dòng)程序，硬件設(shè)計(jì)完成后則需要依賴于軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。但就目前來看，許多企業(yè)將硬件設(shè)計(jì)部分外包，硬件設(shè)計(jì)能力較弱，對(duì)硬件有所忽視，這就造成市場(chǎng)上對(duì)硬件嵌入式技術(shù)方面的人才短缺。

四、基于CDIO模式計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)發(fā)展方向

4.1無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

近年來，移動(dòng)設(shè)備發(fā)展快速，無線網(wǎng)絡(luò)也隨之發(fā)展起來，人們對(duì)無線網(wǎng)的需求也越來越大，而軟件系統(tǒng)是否能夠支持無線網(wǎng)絡(luò)也成為了嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵所在[3]。因此，在今后的一段時(shí)期內(nèi)，無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將成為嵌入式技術(shù)的重要發(fā)展方向，就目前來看，WIFI、藍(lán)牙技術(shù)及無線傳輸技術(shù)等的應(yīng)用越來越成熟，但需要注意的是，這些技術(shù)有著一定的局限性，其傳輸距離大多較近，這就需要在未來研發(fā)的過程中著重解決遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，例如3G協(xié)議棧的開發(fā)等。

4.2網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)

在嵌入式系統(tǒng)不斷發(fā)展和應(yīng)用的背景下，各種互聯(lián)網(wǎng)接口受到關(guān)注，傳統(tǒng)的單片機(jī)難以滿足對(duì)互聯(lián)網(wǎng)接口的要求，從而催生了各種新型的嵌入式系統(tǒng)，例如微型處理器，從互聯(lián)網(wǎng)接口方面來看，嵌入式處理器能夠支持TCP/IP、USB、CAN、IEE1394等多種通信接口，一些先進(jìn)的嵌入式處理器甚至能夠同時(shí)支持幾種接口，但同時(shí)也需要一些硬件驅(qū)動(dòng)程序，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)輕松上網(wǎng)，打破眾多用戶上網(wǎng)的時(shí)空限制。

4.3人工智能技術(shù)

歸根結(jié)底，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用就是滿足人類相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)，人工智能化的發(fā)展和使用則能夠提升嵌入式技術(shù)的服務(wù)水平，將人工智能技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)或產(chǎn)品相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)應(yīng)用范圍。就目前來看，人工智能技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，能夠降低手術(shù)病人受到的傷害[4]。

而隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人工智能技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)得到進(jìn)一步拓展，例如自動(dòng)控壓裝置、自動(dòng)控溫裝置等智能化儀表的應(yīng)用越來越多，這都會(huì)促進(jìn)人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

五、基于CDIO模式的計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)課程的學(xué)習(xí)是一個(gè)系統(tǒng)性、長(zhǎng)期性的過程，需要循序漸進(jìn)，不僅涉及到原油的硬件課程，還涉及到后續(xù)嵌入式技術(shù)理論知識(shí)和嵌入式設(shè)計(jì)開發(fā)等。本文結(jié)合CDIO工程教育模式和理念，探討計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)的人才培養(yǎng)方向和方法，具體來說如下。

5.1學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)基本知識(shí)

CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)對(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)作等產(chǎn)品整個(gè)生命周期的研究和學(xué)習(xí)，而對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，其構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)作都離不開嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)，因此，在計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)過程中，嵌入式基本知識(shí)的學(xué)校至關(guān)重要。

嵌入式系統(tǒng)大體可以分為三類，其一為傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，即RTOS系統(tǒng)，主要包括Vxworks操作系統(tǒng)、Tornado開發(fā)平臺(tái)等；其二為嵌入式Linux操作系統(tǒng)，其不僅可以作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，在嵌入式領(lǐng)域也有著良好的應(yīng)用前景，系統(tǒng)免費(fèi)，支持的軟件眾多，這會(huì)大大降低嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)成本；其三為Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)，如Microsoft等，其進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)前景良好，Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)雖然于近幾年才被研發(fā)出來，但卻能夠迅速搶占市場(chǎng)，尤其對(duì)于智能手機(jī)、顯示儀表等對(duì)界面要求較高，Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用有著良好的效果。通過對(duì)嵌入式系統(tǒng)這些基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生全面掌握嵌入式軟件整體開發(fā)環(huán)境情況和開發(fā)平臺(tái)，形成對(duì)系統(tǒng)開發(fā)理性、直觀的認(rèn)識(shí)[5]。

5.2 ARM技術(shù)及嵌入式微處理器

當(dāng)前嵌入式處理器種類較多，例如ARM處理器、MIPS處理器及PowerPC處理器等，其中應(yīng)用最為廣泛的處理器當(dāng)屬ARM，ARM有著四個(gè)通用處理器系列，不同系列能夠提供的性能有所差異，但基本覆蓋了大多應(yīng)用領(lǐng)域，有效滿足了不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用需求。以SecurCore系列為例，其專門應(yīng)用于對(duì)安全等級(jí)要求較高的場(chǎng)合。因此，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生積極學(xué)習(xí)ARM技術(shù)及相關(guān)嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

5.3指令系統(tǒng)與硬件電路設(shè)計(jì)

一般來說，ARM微處理器有兩種工作狀態(tài)，且其能夠在兩種工作狀態(tài)之間隨時(shí)切換，第一種工作狀態(tài)為ARM狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，處理器執(zhí)行的ARM指令為32位字對(duì)齊指令[6]；第二種工作狀態(tài)為Thumb狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，處理器執(zhí)行的是Thumb指令，屬于16位半字對(duì)齊指令。兩種狀態(tài)下指令有著一定的關(guān)系，即Thumb指令集合為ARM指令集合的功能子集，但相較于等價(jià)ARM代碼來說，其能夠有效節(jié)省存儲(chǔ)空間，節(jié)省比例能夠達(dá)到30%-40%之間。

對(duì)于嵌入式技術(shù)來說，其軟硬件可以裁剪，因此應(yīng)當(dāng)做好硬件電路設(shè)計(jì)工作，通過有效的硬件電路設(shè)計(jì)來獲取最優(yōu)硬件組合，提升嵌入式系統(tǒng)的硬件性能。

除了上述提到的說那個(gè)方面之外，數(shù)字電路、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法及匯編語言和編程語言等也較為重要，需要在計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)中有所側(cè)重。

六、結(jié)論

綜上所述，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)越來越受到關(guān)注，計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)人才的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)以CDIO模式為指導(dǎo)，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為依據(jù)，合理選擇教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件嵌入式技術(shù)人才。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蘇英.基于CDIO的微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)研究[J].中國(guó)管理信息化，2016（10）：218-219.

[2]楊偉力 李偉民 楊盛毅.基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)課程改革實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊），2016（06）：56-57.

[3]徐武雄.基于CDIO的地方高校嵌入式系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究[J].中國(guó)電力教育，2012（19）：98-99.

[4]王偉 王楊 孟煒 李明.變電站自動(dòng)化IED設(shè)備嵌入式通信模塊的開發(fā)[J].科技資訊，2014（24）：9-10.

[5]張利芬 袁普及.嵌入式冗余計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009（02）：230-232.

[6]裴小英.嵌入式網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2008（11）：93-94+107.