面向新工科的嵌入式計算機系統教學體系設計

王建萍

摘要：嵌入式工程師在創新中扮演著重要的角色，其人才培養模式的創新是新工科建設的重要任務。嵌入式工程師的能力結構可以劃分為硬件能力、軟件能力、調試能力和學習能力，采用一個以工程實踐項目為主線的、串聯本科相關課程學習的集成化課程體系，可以培養出具備工程應用能力和持續創新能力的嵌入式工程人才。

關鍵詞：新工科;嵌入式;工程人才;教學模式

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）31-0264-02

一、引言

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，教育部積極推進新工科建設，先后形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，旨在形成領跑全球工程教育的中國模式和中國標準，打造世界工程創新中心和人才高地。新工科建設的重點是探索工程教育的新模式，建立全面融入工程環境的課程體系，目標是讓全體畢業生在知識、能力和個人素質等方面滿足工程創新的要求。

二、嵌入式工程人才應具備的知識和能力

嵌入式工程師的主要工作是嵌入式系統設計和開發，包括硬件系統的建立和相關軟件的開發、移植、調試等工作。一般可以分為嵌入式硬件工程師、嵌入式底層驅動工程師和嵌入式應用軟件工程師。硬件工程師負責硬件系統的設計、制作和調試，包括外圍電路芯片的選擇、接口電路的設計、板級的測試（需要自己寫程序測試硬件的基本功能）。硬件工程師需要掌握模擬和數字電子技術、計算機原理和接口技術和底層程序設計知識，具備數模混合硬件電路和數字邏輯系統的設計能力以及設計底層程序測試硬件系統的能力。底層驅動工程師負責開發與硬件關系最密切的底層軟件和初級的硬件驅動程序，需要具備數字電子技術、計算機原理和接口技術、操作系統原理、數據結構與算法方面的基礎知識，要求能看懂嵌入式系統的電路原理圖，熟悉處理器的體系架構，熟悉各種通訊協議，能設計和調試底層的驅動程序，能根據需要對操作系統進行移植和裁剪。應用軟件工程師負責設計系統的應用軟件來實現應用系統的各種功能。嵌入式應用軟件工程師需要掌握的知識有C/C++語言、操作系統原理、數據結構與算法。

從上面的分析可以看出，嵌入式工程師的知識結構可以用一個三層結構來描述，其中C程序設計和計算機原理是兩塊重要的支撐構件，電路、電子技術和數學物理基礎是這個知識結構的基石，而操作系統、數據結構與算法和嵌入式系統設計是上層建筑。

上述分析還表明，實際研發工作對于嵌入式硬件工程師和嵌入式軟件工程師的能力需求相差很大，而對于在校的大學生來說，過早地確定硬件或者軟件方向是不現實的，也是不合理的。

三、目前嵌入式工程人才培養體系存在的問題

“微機原理與接口技術”是工科學生接觸計算機底層硬件的第一門課程。這門課以Intel 8086CPU為主線，系統講述微型計算機系統的基本組成、工作原理、指令系統及匯編語言程序設計、半導體存儲器技術、硬件接口技術、總線技術、PC的軟件體系以及PC應用系統設計舉例。這門課對于幫助學生掌握微型計算機的原理和硬件接口技術，建立微型計算機系統的整體概念具有非常重要的意義，是一門重要的計算機基礎課。但是，隨著計算機硬件的高速發展和更新換代，這門開設了30年的基礎課與實際工程應用之間的距離越拉越大。首先是其內容已經陳舊，陳舊到連實驗設備都不容易找到了。為了便于學生入門，這門課采用8086CPU作為模型來講解。但是現在8086芯片已經停產了，很多學校已經不能給學生提供基于8086的實驗設備。有的學校甚至采用FPGA來實現8086CPU，以解決實驗的問題。其次是不容易引起學生的興趣，因為學生無法把課堂所學應用到實際當中去。因此這門基礎課逐漸出現了兩種形態：一種是繼續堅持講8086架構，把這門課純粹作為一門計算機理論課來講，然后在后面的學期里開設重在應用的單片機和嵌入式系統課程;另一種形態是干脆用51系列單片機替代8086CPU，試圖用8位單片機的體系架構解釋計算機的底層硬件原理。以上兩種形態都存在著明顯的問題：花一個學期的時間講那些不能聯系實際的理論基礎，會讓學生對計算機硬件失去興趣;而51單片機的架構又過于簡單，無法透徹地解釋32位/64位計算機的結構特點和相關基礎理論知識。

面對“微機原理與接口技術”這門課程在各個專業教學計劃中的尷尬現狀，許多專業又先后把“單片機應用技術”、“嵌入式系統”、“DSP系統設計”列入專業選修課，構成一個課程群。但是，這個課程群存在下列問題：

1.“微機原理與接口技術”的作用不明確，教學內容亟待調整和優化;

2.“單片機應用技術”所采用的51體系與后續的“嵌入式系統”之間跨度過大，很多學生要再花很多時間才能掌握實用的嵌入式系統開發技術;

3.課程群里的各門課程之間內容沒有經過統一設計，學時利用效率低。

四、以能力需求為基礎的嵌入式工程師集成培養方案設計

針對上述實際問題，我們提出一個新的面向能力需求的嵌入式工程師集成培養方案。如圖1所示，這個培養方案以“工程設計實踐”、“移動機器人工程專題L1、L2、L3、L4”和畢業設計作為嵌入式工程師實踐活動的主線和載體。在這個貫穿整個本科階段的實踐過程中，學生通過參與實踐項目，接觸和運用各種適合項目需要的嵌入式處理器和系統，通過邊干邊學來培養自己的各種基礎能力，尤其是上述第4項能力。

這個新的培養方案的特點是在利用現在已經開設的教學和實踐課程，加強課程教學之間的呼應。為了做到這一點，應該建立專題實踐課程教學和專業課程教學之間的呼應機制和C語言教學與微機原里教學之間的呼應機制。可以采用以下辦法：

1.專業課教師參與專題實踐課項目的輔導，指導專題實踐中學生的選題、方案設計、制作和調試。

2.專業課教學以專題實踐課的項目作為典型案例。

3.專業課的教學以專題實踐課項目中的某個部分完成的情況作為平時成績。

4.C語言的教學中采用51單片機上的程序作為例子和作業。

5.工程設計實踐和工程專題的項目采用C語言編程的嵌入式系統。

6.計算機程序設計課程改為學習C語言程序設計，而現在的C語言課程改為“單片機C語言”編程，放在微機原理（單片機）的后面開設。

7.在“單片機C語言”課程中加入關于實時操作系統的內容。

五、結語

以能力需求為基礎，以工程實踐為骨架，用從一年級的移動機器人項目到高年級的工程專題工作室項目構成一個進階式的工程實踐環境。整個嵌入式人才培養課程體系是建構在這個工程實踐環境中的。教學實踐表明，單片機課程為學生提供了一個很好的入口，學生很快找到了用程序實現預期功能的樂趣，建立了信心。而在單片機課程中加入的接口技術、跨平臺應用和最小系統設計，為復雜的嵌入式系統打下了基礎。從單片機進階到ARM的匯編程設計，既有利于理解復雜計算機系統的工作原理，又直接為今后編寫底層驅動打下基礎，可謂一舉兩得。此方案實施兩年來，學生在嵌入式系統開發方面的能力明顯增強，在參加全國比賽中獲得良好的成績。

參考文獻：

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