計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系構(gòu)建研究

王益涵 史志才 孔麗紅

摘 要：高校計算機專業(yè)紛紛開設(shè)嵌入式方向，實驗教學是其重要組成部分。針對嵌入式技術(shù)特點和嵌入式實驗教學存在的問題，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)知識架構(gòu)自下而上重構(gòu)實驗內(nèi)容，從最小系統(tǒng)開始搭建開放、兼容的嵌入式軟硬件實驗平臺，自頂向下構(gòu)建基于“目標—能力—內(nèi)容—平臺”的實驗教學體系，根據(jù)學校背景和專業(yè)特色確定嵌入式人才培養(yǎng)目標，為計算機專業(yè)嵌入式方向人才培養(yǎng)提供必要支撐。

關(guān)鍵詞：嵌入式方向;自頂向下;實驗教學改革

DOI：10. 11907/rjdk. 182659 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）007-0209-04

Construction on Experimental Teaching System of

Embedded Curriculum for Computer Specialty

WANG Yi-han，SHI Zhi-cai，KONG Li-hong

（School of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract：As a new interdiscipline based on computer technology， embedded system has become a hot spot in recent years. Now embedded curriculum has been set up for computer specialty in many universities. Furthermore experimental teaching is an important part of embedded curriculum for the computer specialty. Firstly the features of embedded technology and the problems of embedded experimental teaching were analyzed. And with a view to the characteristics of computer specialty and the background of our university， Top down method was adopted. Secondly the objective and the ability of talent in the embedded system were presented. Thirdly the content of experimental teaching was reorganized from bottom up based on the knowledge hierarchy of embedded system. Fourthly starting with minimum system based on microcontroller an open and cross-curricular experimental platform consisting of software and hardware was built. Finally the experimental teaching system of embedded curriculum for computer specialty was established from the perspective of objective， ability， content and platform， which provides the essential support for raising the talents in the embedded system.

Key Words：embedded curriculum;top down;experimental teaching system

基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（201702119030）;上海市教委本科重點課程建設(shè)項目（s201702003）;上海市科委科研計劃項目（17511110200）;上海工程技術(shù)大學課程建設(shè)項目（k201702003）

作者簡介：王益涵（1981-），男，碩士，上海工程技術(shù)大學電子電氣工程學院講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)教學。

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是21世紀最有生命力的新興技術(shù)之一，它以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，融合微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，其軟硬件可裁剪，是功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于工業(yè)制造、儀器儀表、汽車電子、軍事裝備、航空航天和移動通信等多個領(lǐng)域[1-4]。隨著嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展，社會對嵌入式人才需求也迅速增加[5-6]。許多高校在機械、電氣信息類專業(yè)開設(shè)了嵌入式課程。嵌入式系統(tǒng)與計算機專業(yè)具有天然聯(lián)系，不少高校的計算機專業(yè)整合嵌入式相關(guān)課程，形成嵌入式方向，建立嵌入式實驗室，系統(tǒng)培養(yǎng)嵌入式人才。

嵌入式方向的人才培養(yǎng)和實驗教學研究有：王冠軍等[7]結(jié)合卓越工程師計劃與學科競賽平臺，構(gòu)建以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為導向的卓越工程師理論課程體系;吳玉峰等 [8]以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為宗旨，在“3+1”人才培養(yǎng)模式基礎(chǔ)上建立嵌入式人才培養(yǎng)課程體系;劉鈺等 [9]通過研究國外先進的CDIO工程教育模式，結(jié)合應(yīng)用型本科院校實際情況，提出了計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向人才實踐能力培養(yǎng)方案;何煦嵐[10]在分析普通高校計算機專業(yè)學生的知識結(jié)構(gòu)特征以及該知識結(jié)構(gòu)對嵌入式系統(tǒng)課程學習利弊的基礎(chǔ)上，從嵌入式系統(tǒng)課程所需基礎(chǔ)知識、嵌入式系統(tǒng)硬軟件課程教學以及實踐課程建設(shè)4個方面，提出了普通高校計算機專業(yè)嵌入式方向課程建設(shè)方法;胡青等 [11]面向自動化專業(yè)，打造學生“隨身”實驗室， 將MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂教學方式引入嵌入式實驗教學，提出了嵌入式系統(tǒng)課程實驗的一種新模式;張美平[12]結(jié)合福建師范大學數(shù)計學院計算機科學與技術(shù)專業(yè)特點，面向《嵌入式系統(tǒng)》課程提出了一種分層次、多方位的立體實踐教學方案，探索了多樣化的嵌入式系統(tǒng)實踐教學形式。但目前對計算機專業(yè)嵌入式方向的實驗教學體系研究還不夠完善，各個實驗的前后關(guān)系及從屬課程之間的聯(lián)系還不夠明確。因此，必須結(jié)合計算機專業(yè)背景和嵌入式系統(tǒng)特點，針對計算機專業(yè)嵌入式實驗教學中存在的問題，加強計算機專業(yè)嵌入式方向系列課程整體研究，整合構(gòu)建規(guī)范的嵌入式實驗教學體系，以適應(yīng)社會對嵌入式系統(tǒng)人才的迫切需求。

1 嵌入式方向?qū)嶒灲虒W現(xiàn)狀

計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W雖然歷經(jīng)多次改革，但仍然與嵌入式產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在脫節(jié)現(xiàn)象。

1.1 實驗涉及內(nèi)容多但不成體系

高校計算機專業(yè)嵌入式方向設(shè)置了一系列嵌入式相關(guān)課程及實驗[13-14]，這些課程的實驗或過于強調(diào)軟件而弱化硬件，或過于強調(diào)應(yīng)用而弱化原理，在內(nèi)容安排上各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一布局，不成體系。而且嵌入式方向的各門課程分別使用不同的硬件平臺、操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境，缺乏連貫性和整體性。學生學完這些嵌入式方向系列課程后，往往只是掌握各門課程中各個孤立的知識點，不能前后聯(lián)系靈活應(yīng)用。

1.2 硬件平臺結(jié)構(gòu)封閉

我國高校計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒炗布脚_多以實驗箱為主[15-16]。實驗箱通常以一塊或多塊可替換的微控制器為核心，資源豐富、功能強大、封裝完整，易于實驗室管理和維護，但成本高、更新速度慢，容易與市場脫節(jié)。實驗箱系統(tǒng)封閉結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于嵌入式初學者難以上手，在實驗過程中容易出現(xiàn)畏難心理。即使上手，也往往是知其然而不知其所以然，尤其對嵌入式硬件缺乏感性認識，達不到預(yù)期的實驗效果。另外，實驗箱外設(shè)接口固定，開放性和靈活性較差，難以動手改裝;適于驗證性實驗，難以滿足設(shè)計性及更高層次實驗要求。實驗箱與實際的嵌入式產(chǎn)品有著較大差距，使實驗教學與嵌入式開發(fā)實際之間存在脫節(jié)現(xiàn)象。

1.3 實驗時間少

不少高校計算機專業(yè)嵌入式方向教學安排仍以課堂授課為主，實驗教學尤其是硬件實驗時間不足[17]。在新一輪教學改革縮減本科總學時背景下，計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒炓蚕鄳?yīng)削減。受時間、成本、管理和師資等條件限制，硬件實驗受影響最大，個別學校甚至完全取消。但硬件是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，嵌入式軟件的運行依賴于硬件。硬件實踐的缺乏，既不利于學生形成嵌入式系統(tǒng)整體概念，也使學生無法深入理解嵌入式軟件尤其是嵌入式操作系統(tǒng)和驅(qū)動軟件。

嵌入式實驗涉及內(nèi)容廣，軟硬件更新速度快，實驗時間少，不利于學生消化和吸收知識。因此，如何充分利用有限的實驗教學時間加強硬件實驗，最大限度地提高實驗教學效率，成為嵌入式實驗教學亟待解決的問題。

2 實驗教學體系構(gòu)建

針對嵌入式技術(shù)特點及嵌入式實驗中存在的問題，構(gòu)建覆蓋嵌入式相關(guān)課程和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)生命周期的嵌入式實驗體系非常必要。以下從目標定位、能力要求、內(nèi)容設(shè)計、平臺建設(shè)4個方面自頂向下、層層遞進，構(gòu)建計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系。

2.1 目標定位

明確人才培養(yǎng)目標和定位，是構(gòu)建計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系的第一步。由于嵌入式技術(shù)涉及的行業(yè)和領(lǐng)域很廣，要求學生在有限的實驗教學時間內(nèi)精通嵌入式軟件、硬件及應(yīng)用等各方面內(nèi)容相當困難，必須在夯實基礎(chǔ)上突出重點應(yīng)用領(lǐng)域。

根據(jù)學校特色和學生基礎(chǔ)，筆者學校計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系定位于面向微控制器應(yīng)用領(lǐng)域，培養(yǎng)具備扎實的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、能從事嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)與技術(shù)應(yīng)用、軟硬件及相關(guān)技術(shù)研發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃與運行維護等方面工作的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才。

2.2 能力要求

根據(jù)以上目標，在深入調(diào)研嵌入式行業(yè)現(xiàn)狀和人才需求基礎(chǔ)上，設(shè)計計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系，主要培養(yǎng)學生具備以下能力：

（1）嵌入式系統(tǒng)認知分析能力：掌握嵌入式系統(tǒng)基本概念，熟悉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，能剖析實際生活中典型的嵌入式系統(tǒng)組成及其特點。

（2）嵌入式硬件實踐能力：掌握一種主流嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)、常用的片上外設(shè)及接口設(shè)計。

（3）嵌入式軟件實踐能力：熟練使用一種嵌入式開發(fā)工具，精通一種嵌入式開發(fā)語言，深入理解一種常用的嵌入式操作系統(tǒng)，掌握常用的嵌入式軟件架構(gòu)、開發(fā)技術(shù)和開發(fā)方法，至少熟練掌握某一個嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的軟件開發(fā)。

（4）嵌入式系統(tǒng)工程應(yīng)用能力：熟悉嵌入式系統(tǒng)的整個研發(fā)過程和主要步驟，能從實際生活中抽象概括出嵌入式工程問題，并能進行需求分析、預(yù)算評估、設(shè)計、規(guī)劃、開發(fā)、調(diào)試和運行維護。

2.3 內(nèi)容設(shè)計

基于上述能力要求，以嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)為線索，自下而上、由硬件到軟件依次設(shè)計嵌入式系統(tǒng)導論課內(nèi)實驗、嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗、嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)課內(nèi)實驗和嵌入式系統(tǒng)綜合實驗等實踐環(huán)節(jié)，分為不同類型（驗證性、分析性、設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性）在不同時間開設(shè)，循序漸進、逐步深入，基本覆蓋專業(yè)學習的各個階段，如圖1所示。

嵌入式系統(tǒng)導論課內(nèi)實驗，位于嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)的最低層——硬件接口層，在第四學期開設(shè)。作為嵌入式方向系列課程的首個實踐環(huán)節(jié)，從生活中常見的嵌入式系統(tǒng)入手，培養(yǎng)學生對嵌入式系統(tǒng)的認知興趣和分析能力，并以微控制器為核心，以驗證性實驗為主，突出微控制器的基本原理，使學生掌握其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲映射，并熟悉常用的嵌入式I/O設(shè)備，掌握它們與主流微控制器的接口設(shè)計，能開發(fā)基于主流微控制器常用接口的簡單應(yīng)用程序。

嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗，位于嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)的中間層——操作系統(tǒng)層，在第五學期開設(shè)。該實踐環(huán)節(jié)從嵌入式操作系統(tǒng)與PC操作系統(tǒng)之間的區(qū)別和聯(lián)系入手，以分析性實驗為主，通過案例層層深入引導學生探索嵌入式軟件核心——嵌入式操作系統(tǒng)，著重培養(yǎng)學生對典型嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核原理的理解能力、實現(xiàn)機制的分析能力以及在主流微控制器上運行的移植能力。

嵌入式軟件開發(fā)課內(nèi)實驗，位于嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)的最高層——應(yīng)用軟件層，在第六學期開設(shè)。在前兩個實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，以設(shè)計性實驗為主培養(yǎng)學生結(jié)合具體應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)通信、視頻采集等），基于主流微控制器和嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)較為復(fù)雜的應(yīng)用軟件。

嵌入式系統(tǒng)綜合實驗，是計算機專業(yè)嵌入式方向系列課程中創(chuàng)新性、綜合性實踐環(huán)節(jié)，貫穿嵌入式知識體系架構(gòu)的所有層次，在第七學期開設(shè)。在前面實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，引導學生首先從實際生活中發(fā)現(xiàn)問題、形成嵌入式產(chǎn)品創(chuàng)意，運用需求分析法確定嵌入式產(chǎn)品的功能性要求和非功能性要求;進行嵌入式產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計和軟硬件劃分，形成人員分工和開發(fā)計劃，評估開發(fā)風險和開發(fā)成本;使用嵌入式軟硬件開發(fā)工具和開發(fā)語言，構(gòu)建硬件平臺并進行軟件編程和調(diào)試;開發(fā)出嵌入式產(chǎn)品并撰寫產(chǎn)品開發(fā)文檔和使用文檔。

本實驗教學體系內(nèi)容在能力培養(yǎng)方向上各有側(cè)重卻又緊密聯(lián)系，在整體上以嵌入式系統(tǒng)的知識體系架構(gòu)為主線，自下而上、層層遞進，從而對計算機專業(yè)嵌入式方向人才培養(yǎng)形成跨時間、多角度、不同力度的支撐，如表1所示（★表示關(guān)鍵支撐，√表示一般支撐，△表示輔助支撐）。

2.4 平臺建設(shè)

一個完整全面的嵌入式實驗教學體系，不僅要有精心設(shè)計、合理安排的實驗內(nèi)容，而且要有一個統(tǒng)一開放、貫通軟硬、前后兼顧的實驗平臺。對于嵌入式實驗教學體系而言，實驗內(nèi)容與實驗平臺，一主一輔，兩者緊密相連，缺一不可。因此，在確定計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒烍w系的具體內(nèi)容之后，必須構(gòu)建一個與之適應(yīng)、緊密結(jié)合的實驗平臺。

基于實驗教學內(nèi)容并考慮不同實驗類型，設(shè)計與之相應(yīng)的嵌入式實驗平臺如圖2所示（實線箭頭表示該實驗平臺主要面向的實驗內(nèi)容，虛線箭頭表示該實驗平臺兼顧的實驗內(nèi)容）。

嵌入式實驗平臺由嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)平臺和嵌入式開發(fā)工具等3部分組成。

嵌入式硬件平臺往往是認知和構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的第一步，也是整個嵌入式實驗平臺的物理基礎(chǔ)，不僅是計算機專業(yè)嵌入式實驗教學體系中的首項內(nèi)容——嵌入式系統(tǒng)導論課內(nèi)實驗的主要支持平臺，而且是后續(xù)實驗內(nèi)容的硬件基礎(chǔ)平臺。因此，嵌入式硬件平臺選擇和設(shè)計的原則是主流、開放與兼容。

嵌入式硬件平臺的核心是微控制器。考慮市場占有率、技術(shù)支持及價格等因素，嵌入式硬件平臺采用意法半導體公司的基于ARM Coretx-M3內(nèi)核STM32F103微控制器為核心開發(fā)板。相比傳統(tǒng)的實驗箱，開發(fā)板刪繁就簡、易于上手，使學生對嵌入式硬件結(jié)構(gòu)有直接和感性的認識，降低學習難度，既滿足嵌入式導論課程驗證性實驗需要，又滿足嵌入式后續(xù)各項實驗基礎(chǔ)平臺的需要。

嵌入式操作系統(tǒng)平臺位于嵌入式硬件平臺之上，是最接近硬件的嵌入式軟件，主要面向計算機專業(yè)嵌入式實驗教學體系中的第二項內(nèi)容——嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗，同時也是后續(xù)內(nèi)容——嵌入式軟件開發(fā)課內(nèi)實驗和嵌入式系統(tǒng)綜合實驗的軟件基礎(chǔ)平臺。根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗要求，并考慮嵌入式硬件平臺的適用性和后續(xù)實驗內(nèi)容的擴展性，選用uCOS-II作為操作系統(tǒng)平臺。uCOS-II是一個可裁剪、搶占式、實時多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，能在嵌入式硬件平臺核心——STM32F103微控制器上運行。uCOS-II源碼開放、結(jié)構(gòu)清晰、注釋詳盡、教學免費，很好地滿足了嵌入式操作系統(tǒng)分析性實驗要求。uCOS-II通過聯(lián)邦航空局商用航行器認證，具有良好的可靠性、安全性、移植性和擴展性，可滿足后續(xù)設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗要求。

嵌入式開發(fā)工具是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)必需的輔助工具，它貫穿計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系的所有實驗內(nèi)容，不可或缺。嵌入式開發(fā)工具主要分為硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具兩部分。在實驗平臺構(gòu)建中，無論是硬件開發(fā)工具還是軟件開發(fā)工具都應(yīng)與嵌入式硬件平臺和嵌入式操作系統(tǒng)相適應(yīng)。本文采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103開發(fā)板為核心的嵌入式硬件平臺和以uCOS-II為內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，實驗平臺選擇KEIL MDK作為軟件開發(fā)工具、J-Link仿真器作為硬件開發(fā)工具。KEIL MDK也稱MDK-ARM，為基于ARM內(nèi)核的微控制器應(yīng)用開發(fā)提供了一個集成開發(fā)工具，采用MicroLib C庫，包含C/C++編譯器（armcc）、宏匯編器（armasm）、鏈接器（armlink）、庫管理器（armar）、調(diào)試器（μVision）和實時內(nèi)核（RTX）等組件[18-20]，提供軟件模擬和目標機硬件兩種調(diào)試模式，可滿足嵌入式軟件開發(fā)和調(diào)試的所有需求。J-LINK是用于嵌入式處理器仿真調(diào)試和軟件固化的JTAG仿真器，支持幾乎所有基于ARM內(nèi)核的微控制器仿真和程序下載，還可與嵌入式軟件開發(fā)工具KEIL MDK無縫連接[18]，可滿足執(zhí)行程序的硬件下載和實時仿真要求。

本實驗教學平臺緊密圍繞教學內(nèi)容，以嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成為依據(jù)，劃分為硬件（STM32F103開發(fā)板）、軟件（uCOS-II）和工具（KEIL MDK、J-Link）3個部分，環(huán)環(huán)相扣，依次遞進，如表2所示（★表示關(guān)鍵支撐，√表示一般支撐，△表示輔助支撐）。

3 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)是一門以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，融合微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的新興交叉學科，要求從業(yè)人員具備全面的知識結(jié)構(gòu)和較強的實踐能力，這對高等院校計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W提出了新的挑戰(zhàn)。本文從分析嵌入式技術(shù)的特點和當前實驗教學存在的問題入手，對現(xiàn)有實驗教學體系進行改革，采用自頂向下的設(shè)計方法，以“目標—能力—內(nèi)容—平臺”為主線，構(gòu)建了計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W體系，為計算機專業(yè)嵌入式人才培養(yǎng)提供支撐。

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（責任編輯：杜能鋼）