淺談計算機專業嵌入式系統課程的設計與實踐

摘 要：隨著電子技術的發展，？嵌入式系統無疑是當前最熱門最有發展前途的IT應用領域之一。本文通過對嵌入式技術的分析，？提出了嵌入式系統課程體系建設的基本方法，包括專業培養計劃、嵌入式系統教學實踐平臺建設以及嵌入式系統教學模式與教學方法創新等。

關鍵詞：嵌入式系統;實踐性;創新能力

隨著電子技術和信息技術的快速發展及嵌入式硬件技術與軟件技術的不斷成熟，嵌入式系統的應用越來越廣泛，目前嵌入式技術被廣泛應用于通信、交通、電子、醫療、軍事等眾多領域，已成為國內？IT產業發展的核心方向。小到智能卡、手機、水表，大到信息家電、汽車，甚至飛機、宇宙飛船，我們的生活已經被嵌入式軟件所包圍。我們深感嵌入式軟件在整個軟件產業發展中所處的舉足輕重地位。因此，許多高校都開設了嵌入式系統開發方面的系列課程。于嵌入式系統課程涉及的知識面寬、實踐性強，對實驗教學的要求較高，包括實驗教師、硬件配置、實驗項目的設置等。因此，作為對新技術研究和探索最活躍的群體，高等院校如何接受嵌入式技術帶來的挑戰，盡快開設嵌入式系統的相關理論與實驗課程，并逐漸形成較規范的教學體系已成為一個重要的研究課題。

一.嵌入式系統教學的特點

設置嵌入式系統課程的目的是讓未來的軟硬件開發人員了解和掌握必要的嵌入式系統設計方法的概念、方法和工具。同時由于嵌入式系統對其他學科領域的滲透，其他相關專業的學生也有學習該課程的需求與必要。如其他電子、自動化專業都可開設相應的選修課程，在某種程度上可以提升畢業學生的就業率。嵌入式系統課程的教學內容應包括嵌入式系統體系結構、硬件構架、軟件編程及外圍設備接口和驅動等，注重培養學生的設計能力和軟件開發能力。

嵌入式系統課程的特點是涉及知識面廣、綜合性強、實踐性強，并且學科發展快，因而學習難度大，難以形成一個簡單明確的知識體系。同時該課程講授難度很大，它要求教師不僅具備一般的計算機系統的軟硬件知識，而且需要真正從事過嵌入式系統的開發實踐，才能對嵌入式系統中的實時性等抽象概念和系統調試過程有感性認識。嵌入式系統教學主要有以下三個特點：（1）基礎性。嵌入式系統技術涉及多個專業，如計算機工程、軟件工程、工業自動控制、機電工程、精密儀器和電子工程等，嵌入式技術與各個專業相互滲透融合，將逐漸形成新的學科研究方向，因此，嵌入式系統可作為上述各專業的基礎平臺課，以強化專業基礎知識。（2）綜合性。嵌入式系統是軟件和硬件設計的完美結合。它涉及電子信息、計算機、自動控制等諸多專業相關課程的內容，如語言、微機原理、單片機設計和操作系統等課程，有很強的綜合性。因此，可以有效地對學生進行綜合能力的培養。（3）實踐性。嵌入式系統是理論與實踐結合密切的課程。實驗是嵌入式系統課程的重要組成部分，缺乏實驗的嵌入式系統課程學習是紙上談兵，因此，學生必須通過大量的實驗和實踐環節，來加深對嵌入式系統理論知識的理解。

二、適合計算機專業的嵌入式系統課程體系

嵌入式系統涉及電子、計算機、自動控制等諸多專業知識，專業性強，包括了操作系統、微機原理、編程語言程序設計、計算機網絡和接口設計等內容，是軟件、硬件的完美結合。因此，嵌入式系統的設計原理與技術不是一門課程所能講授的，需要建立一個課程體系。由于嵌入式系統涉及的知識面廣、應用層面廣，所以應針對嵌入式系統設計與應用的不同層面的需求，設置不同層面的課程體系。從狹義上劃分，嵌入式系統課程體系可以有以下三個不同的層面：

第一層面：針對將來只是應用嵌入式系統硬件、軟件平臺來進行二次開發的學生而言，應側重培養其基于某個嵌入式系統平臺上（包括硬件平臺和軟件平臺）進行應用系統設計和開發的能力。

第二層面：針對將來從事嵌入式系統平臺設計及合作開發的學生而言，還必須開設《嵌入式系統結構》課程。該課程重點介紹某個具有代表性的嵌入式CPU（如ARM系列）的系統結構、匯編指令系統、中斷管理機制、常用外圍接口，使學生掌握嵌入式平臺設計的基礎知識。

第三層面：針對將來從事SOC（systemonChip）系統設計及開發的學生而言。主要課程有數字邏輯設計與應用、電子電路原理與PCB技術、EDA技術（FPGA設計及應用）、嵌入式系統結構、嵌入式操作系統等，偏重于底層的設計。

通過以上分析可以看出，第一層至第三層分別是嵌入式系統中由軟到硬、由高層至底層的三個不同應用層次，對應不同的知識結構需求。第一層偏軟，對底層的系統結構及接口等要求較低，是在當前比較容易實現的一個培養方向。在計算機本科專業中，軟件方向比較適合開展第一個層面的嵌入式系統教學，應用方向比較適合開展第二個層面的嵌入式系統的教學。

三、嵌入式系統課程體系的實踐

實驗是嵌入式系統教學的一個比較重要的環節，實驗大綱的制定是保證課程教學大綱目標實現的一個重要環節，制定出符合學生實際的實驗大綱對計算機科學與技術專業培養目標的實現至關重要。按難易程度的不同，實驗內容分為兩個層次：基本實驗與綜合應用實驗。基本實驗目的是讓學生了解嵌入式軟件和硬件的一般開發環境與流程，進行基本的嵌入式程序開發。綜合應用實驗目的是讓學生綜合運用前面所學到的知識，按照指定的題目，自行設計開發嵌入式應用程序。基本實驗包括嵌入式軟件開發基礎實驗、人機接口實驗、通信與音頻接口實驗、簡單驅動程序實驗和嵌入式操作系統移植實驗等。對于綜合應用實驗，給出多個題目，選擇其一，學生也可以自選題目。

課程設計及畢業設計中對所學知識的運用與提高在理論學習結束后，學生對嵌入式系統開發的各個環節有了較深入的理解與掌握。課程設計中，可以結合實驗用開發平臺，選擇了如MP3模擬控制系統等在實際中真正是嵌入式大行其道的應用領域。在畢業設計中，可以布置諸如“嵌入式智能控制器”，“嵌入式音頻控制器”設計等工作，這些設計要求學生從軟硬件協同設計到軟硬件的測試方法等有深刻的掌握，同時組織學生參加大學生嵌入式設計競賽等教學活動。

參考文獻：

[1]田澤.嵌入式系統開發與應用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2]柳翔.嵌入式軟件工程人才培養的探索與實踐[J].計算機教育，2005，5.

作者簡介：

李月輝（1983年1月），性別：男 ，學歷：研究生 ，單位職稱：講師 ，研究方向：軟件工程.