嵌入式課程的理論教學改革與實踐

胡青　余嘉　蘇玉剛

摘 要：針對51單片機課程無法滿足人才培養要求的現狀，配合卓越工程師計劃對工程實踐能力的較強要求，提出建設全新的32位嵌入式課程，具體說明課程以Cortex_M3內核的單片機為實驗平臺，講解在CMSIS函數庫基礎上，以C語言編程完成嵌入式開發的方法，最后指出改革后的課程能夠很好地實現課程培養目標。

關鍵詞：Cortex-M3內核；嵌入式課程；課程改革

0 引 言

嵌入式技術的應用非常廣泛，深入人們日常工作和生活的方方面面，采用嵌入式技術的家電、網絡設備日益增加，也使嵌入式硬件和軟件研發工程師成為近年來較為熱門的職業之一。然而，高校嵌入式相關課程的內容與實際開發脫節嚴重，傳統教學模式所培養的人才不能滿足企業的實際需求，尤其是職業素質和實際動手能力與企業的要求差距大，嵌入式課程亟需進行全面深入的改革[1-3]。

1 嵌入式課程的現狀

過去10多年中，大多數高校都開設了嵌入式技術的相關課程，51系列單片機以低價、易操作的特點成為市場主流，很多嵌入式課程以51系列單片機為對象介紹匯編語言，講解如何進行嵌入式系統開發[4-5]。

51系列單片機內部硬件資源較少，單片機內部集成的硬件模塊總共只有21個寄存器，在課程內容方面偏重于硬件底層寄存器級的操作。由于學生在先修課程微機原理中學習過x86匯編語言程序設計，而51單片機的匯編語言與x86微處理器的匯編語言比較相似，因此課程實驗往往要求以匯編的語言完成。

但是，經過課程學習，絕大多數學生的嵌入式開發水平都不高，沒有項目管理和工程開發的思維意識，也沒有信心應用它解決實際問題，究其原因主要有以下幾個方面。

（1）培養方式方法較為落后單一，不強調自主持續學習，缺乏延續性。

（2）相關課程內容陳舊，實驗方式及內容設置不合理，與工程實踐差距甚遠。

（3）教學輔助材料匱乏，不利于學生自主學習。

隨著技術的飛速發展，在32位單片機已經得到普遍應用的今天，還繼續以8位的51單片機作為對象來學習嵌入式系統開發，已經嚴重與工程實際脫節。32位單片機的復雜度和開發難度遠遠高于8位的51單片機，導致學生就業后自學相關內容會比較困難，無法滿足用人單位的要求，表1是兩種嵌入式課程培養現狀的對比。

2 32位嵌入式課程目標分析

在各類32位嵌入式微處理器中，基于ARM內核構架的嵌入式RISC 微處理器以其高性能、低功耗、高可靠性等突出特征在32 位嵌入式系統中占據了大部分份額[6]。課程組選擇ARM Cortex-M3內核的stm32系列單片機為目標機型，對嵌入式課程進行全面深入的改革。

與51系列單片機相比，基于stm32F10x系列單片機具有以下特點。

（1）單片機內部集成的硬件資源很多，各硬件模塊的功能復雜，寄存器較多。

（2）采用32位的thumb2匯編指令集，雖然指令條數不多，但是每條指令的使用都比較復雜，且與x86匯編指令有較大差異。

（3）大多數項目開發都是基于CMSIS庫函數，而不是完全自己開發底層接口。

CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是由ARM提出，專門針對CORTEX-M系列芯片的API接口標準。基于CMSIS的開發可以減少更換芯片及開發工具等移植工作所帶來的金錢以及時間上的消耗，這也是現在嵌入式開發領域的一個趨勢。

32位嵌入式課程應該順應這個趨勢，同時保留8位嵌入式課程深入硬件底層的特點。通過課程的學習，學生應該不僅僅能夠調用CMSIS庫函數進行項目開發，還應該具備開發接口庫函數的能力。

嵌入式開發不僅僅是單片機本身，還包括片外硬件模塊，而片外硬件模塊的選擇是根據項目需求決定的，不可能通過一門課程的學習掌握所有常用片外硬件模塊的使用，并且硬件技術還在持續快速發展中，我們更希望教會學生一種學習方法，期望學生具備自我提升能力。

最終確定嵌入式課程的培養目標分成了以下3個層次。

層次1：了解嵌入式開發的基本常識，能夠根據課程所學內容，調用CMSIS庫函數完成簡單的嵌入式系統開發。

層次2：能夠讀懂CMSIS庫函數，掌握寄存器級的編程操作和程序調試，并能夠參考庫函數的規范編寫自己的硬件模塊接口函數。

層次3：具備學習和自我提高的能力，掌握查找和學習硬件模塊資料的方法，能夠學習了解新的硬件模塊，并成功應用到自己的項目中。

3 教學內容及教材

3.1 教學內容

明確課程培養目標后，下一個面臨的問題是以下幾個方面。

（1）單片機內部集成的硬件模塊較多，應明確選擇哪些模塊作為課程內容，并且CMSIS為每種硬件模塊提供了豐富的接口函數，需要講解哪些庫函數以及如何講解。

（2）不清楚學生的C語言程序設計水平，并且嵌入式開發中的C語言編程與普通的C程側重點不同，需要補充一些C語言程序設計的內容。

（3）層次3的目標該如何實現，怎樣判定學生是否具備了學習和自我提高的能力。

我們通過問卷調查、座談等方式了解學生的情況和期望，結合課程組教師指導本科生SRTP中積累的經驗，最終確定將32學時的理論課內容分為三大部分。

1）基礎篇 ：引導學生入門。

所有嵌入式應用開發都必須了解的內容劃歸為基礎部分，包括單片機的體系結構、CMSIS庫函數簡介、中斷基本概念和中斷響應機制，單片機內部硬件模塊包括RCC、GPIO、NVIC、EXTI和基本定時器。

2）進階篇：以智能車設計為主線，培養嵌入式系統開發能力。

嵌入式課程要培養學生的系統開發能力，為此課程組在組織課程內容時以項目為載體，以能力提升為目標，讓學生在推進項目的同時掌握知識和運用知識，鍛煉學生在實際應用中自主應用知識解決問題的能力[7]。

課程組以可擴展的智能小車設計為主線，分析小車功能，進而引出相關知識點。除了基本功能以外，小車還應該具備一定的可擴展性，如可通過藍牙或無線實現遙控，可通過GPS實現定位等。這些外部硬件模塊基本都采用串行總線與單片機通信，先通過具體的實例讓學生認識到串行總線的廣泛用途，再講解串行總線接口。在介紹串行通信基本常識的基礎上，應重點講解SPI接口，最后以8×8點陣驅動芯片MAX7219的編程控制，講解如何通過SPI接口編程控制外設。

3）拓展篇：開闊視野，培養興趣，自我提升能力。

這部分內容的目的是開闊眼界，激發學生的興趣，培養學生的自學能力。目前設置的內容為彩色液晶顯示控制和WAV音樂的播放。任課教師可以調查學生的興趣，結合自己的科研，靈活調整這部分的內容。表2為32位嵌入式課程理論課的內容安排及授課學時數。

3.2 教學材料

長期以來，教科書統治大學教學的局面廣泛存在，師生都以課程指定教材作為“教”和“學”的主線[8]。大學本科課程基本上都是根據指定的課程教材的章節來設置課程內容、組織教學活動，可以說教材為整個課程的教學活動定下了主基調。然而學生對于教材的不滿也由來已久，認為教材內容過時陳舊，僅僅是為了課程考試才閱讀學習教材。

對教材的使用應該從“強教材”向“弱教材”轉變，從“死教材”向“活教材”轉變[8]。教材應該是教學材料的統稱，一門課程的教學材料應該是立體、多樣、活泛的，而不應該是孤立狹隘的一本教科書。

嵌入式開發具有技術更新快、工程實踐性強的特點，為此課程組在組織教學材料時以項目開發為主線，所有的教學材料均為該主線服務。材料來源多種多樣，包括教科書、單片機的各種手冊、芯片的數據手冊、硬件模塊資料、網絡資料以及教師自己編寫的課件和補充材料等，教科書只覆蓋課程內容的一部分。

不以教科書為主線安排教學內容，也為課程內容調整提供了很大的靈活性。尤其是課程拓展部分的內容由主講教師決定，不同教師可以選擇不同的拓展模塊。在實際的教學活動中，有教師選擇講授陀螺儀和步進電機控制作為拓展模塊。

嵌入式課程的教學材料適宜采用“教材+手冊+參考資料”這樣貼近工程實踐又具有一定彈性的方式來組織。

4 結 語

改革后的32位嵌入式課程經過一屆學生的教學實踐，學生反映良好。在問卷調查中有82.1%的學生認為學習本課程提升了嵌入式項目開發能力，85.7%的學生認為課程中相關手冊的應用教學有助于提升項目開發能力，而82.1%的學生認為他們已經具備了用C語言完成嵌入式開發的能力，調查結果表明改革后的課程較好地實現了課程培養目標。

參考文獻：

[1] 徐文超， 耿艷香， 陳雷， 等. 嵌入式系統原理課程創新型教學改革研究[J]. 計算機教育， 2015（8）： 55-57.

[2] 吳強， 楊全勝， 王曉蔚. 用Cortex-M0 ARM 代替8051 系列單片機的嵌入式教學[J]. 計算機教育， 2015（8）： 52-54， 61.

[3] 吳銀琴， 陳錕. 電子類本科專業嵌入式系統實驗教學改革探討[J]. 計算機教育， 2015（9）： 61-63.

[4] 汪小會. 基于HS1101的濕度測量系統的教學課題設計[J]. 電氣電子教學學報， 2015， 37（1）： 52-54， 95.

[5] 蔡逢煌， 王武. 嵌入式類課程教學的思考和實踐[J]. 電氣電子教學學報， 2015， 37（1）： 24-25， 28.

[6] 王博， 嵇小輔， 賈好來.“ARM嵌入式系統”課程的教學改革[J]. 電氣電子教學學報， 2015， 37（3）： 18-20， 23.

[7] 張其亮， 王愛春， 陳永生. 能力遞進式項目教學法在嵌入式系統課程中的實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2014， 33（8）： 185-189.

[8] 陸國棟， 張力躍， 孫健. 終結一本教科書統治下的教學[J]. 高等工程教育研究， 2015（1）： 17-24.

（編輯：孫怡銘）