以設計能力為主線的嵌入式系統(tǒng)教學改革

引言

嵌入式系統(tǒng)是目前IT應用領域的熱門技術之一，隨著智 能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術的迅速發(fā)展，基于新體系結構的嵌 入式處理器、新軟件技術不斷推出，市場急需嵌入式系統(tǒng)軟 硬件開發(fā)的綜合型設計人才。

面對市場的大量需求，國內(nèi)各大院校都開設了嵌入式相 關課程，也有很多院校開設了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)。雖然如此，但 目前國內(nèi)高校在嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式方面大多仍沿用傳 統(tǒng)培養(yǎng)模式，這使學生能力與市場需求產(chǎn)生脫節(jié)，遠遠不能滿 足市場需求。尤其在學生創(chuàng)新意識、實踐設計能力培養(yǎng)方面, 急需探索新的嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式?；趯η度胧较到y(tǒng) 多年的教學和科研體會，本文從學生設計能力培養(yǎng)角度對高 校中的嵌入式課程體系構建與人才培養(yǎng)方式進行探討。

1嵌入式系統(tǒng)分層體系與專業(yè)對應關系

嵌入式系統(tǒng)屬于典型的多學科交叉，高校中相應開設的 課程也是多種多樣，有側重硬件的、有側重軟件的，多數(shù)是和 其他專業(yè)合并開設的。由于不同大學的辦學定位、不同專業(yè)學 生的知識背景不同，課程內(nèi)容也相差較大。

在教學中，為更好地培養(yǎng)學生設計能力，采用嵌入式系 統(tǒng)的分層與專業(yè)對應原則，根據(jù)專業(yè)不同，相應所開設的嵌 入式課程側重點也不同。

嵌入式系統(tǒng)分為4層，硬件層、驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和 應用層，和專業(yè)對應的關系如表1所列。

硬件層是嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，同時是驅(qū)動層的基礎 平臺。該層適合電子信息、通信工程、自動化、機電一體化等 專業(yè)的學生學習。

驅(qū)動層為難度最大的一層，但其薪資在嵌入式系統(tǒng)設計 行業(yè)中是最高的。從事驅(qū)動設計的人員既要精通硬件層又要精 通操作系統(tǒng)內(nèi)核。該層適合電子信息、通信工程、機電一體化 等專業(yè)尤其是計算機偏體系結構類專業(yè)的學生學習。

操作系統(tǒng)層的設計大多只是系統(tǒng)的移植，移植操作系統(tǒng) 涉及系統(tǒng)任務的調(diào)試、磁盤和文件的管理等，該層強調(diào)系統(tǒng) 的實時性，這部分比較適合計算機專業(yè)的學生學習。

應用層相對來講是較為容易的，如果會在Windows環(huán)境 下進行接口函數(shù)調(diào)用，那么在嵌入式操作系統(tǒng)下只是編譯和開 發(fā)環(huán)境有所改變而已，應用層適合計算機軟件專業(yè)的學生學習。

基于以上的分析，如果針對不同專業(yè)的學生，其相應的 學習側重點不同，在嵌入式教學中靈活調(diào)整對應層次進行教 學，可以更好更快地提高學生的設計能力。

2以設計能力為主線的嵌入式系統(tǒng)課程體系構建

在分析了嵌入式體系與專業(yè)設置分層對應關系后，現(xiàn)在 對高校中的嵌入式課程體系構建進行初步探討。

2.1嵌入式開發(fā)的相關基礎課程設置

嵌入式設計最初只是單片機的設計，隨著處理器的發(fā)展, 現(xiàn)在很多嵌入式應用系統(tǒng)越來越復雜，從而引入了嵌入式操 作系統(tǒng)。

從事嵌入式開發(fā)，基礎課程如數(shù)字電路、計算機組成原 理、單片機設計等硬件課程是較為重要的。另外，匯編語言、 C/C++、數(shù)據(jù)結構、操作系統(tǒng)等軟件基礎課也是十分重要的。 2.2嵌入式處理器體系結構課程設置

嵌入式處理器課程較枯燥，主要原因是硬件課程都較抽 象。從事嵌入式設計的人員應對ARM處理器工作原理和接口

技術熟練掌握，包括ARM的匯編指令系統(tǒng)。學匯編的目的主 要是為了掌握處理器工作原理，只有熟悉匯編語言，才能在該 處理器上寫出最優(yōu)的C語言代碼。在嵌入式開發(fā)的一些關鍵 部分，有時必須用匯編，如Bootloader設計。

2.3嵌入式操作系統(tǒng)課程設置

大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的實時性都很強，所以也稱為實 時操作系統(tǒng) RTOS (Real Time Operating System)。從事嵌入 式設計的人員至少須掌握一個嵌入式操作系統(tǒng)，這在嵌入式 的所有技術中是最為關鍵的。目前高校開設的RTOS課程主 要包括：

傳統(tǒng)的經(jīng)典RTOS

在傳統(tǒng)的RTOS中，最主要的是Vxworks操作系統(tǒng), Vxworks出現(xiàn)較早，實時性強，并且內(nèi)核可微，可靠性高, 特別是在通信設備等實時性要求較高的系統(tǒng)中，幾乎都采用 Vxworks。像華為、中興、Lucent等通信企業(yè)在開發(fā)產(chǎn)品時, 很多產(chǎn)品采用Vxworks。與Vxworks類似的比較有名的實時 操作系統(tǒng)還有 uc/OS-虬 pSOS、QNX、Nucleus 等 RTOS。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux除作為服務器操作系統(tǒng)外，最成功的便是在嵌入 式系統(tǒng)領域的應用，原因是免費、支持軟件多、開源、參考資 料多，采用該操作系統(tǒng)嵌入式產(chǎn)品成本會大大降低。目前嵌 入式Linux操作系統(tǒng)主要應用在ARM9及更高體系結構的處 理器上面。

Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前已占據(jù)了很大市場份額，應用在PDA、手機、 顯示儀表等界面要求較高或者要求快速開發(fā)的場合。WinCE 開發(fā)平臺主要為 WinCE Platform Builder，有時也用EVC環(huán) 境開發(fā)一些較上層的應用，WinCE開發(fā)難度遠低于嵌入式 Linux。

Android操作系統(tǒng)

Android是Google于2007年11月05日宣布 的基于 Linux平臺的開源移動操作系統(tǒng)，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、 用戶界面和應用軟件組成。Android系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展主要在 對Android系統(tǒng)的二次開發(fā)上，目前以Android系統(tǒng)源碼為基 礎，再深度定制改版而成的操作系統(tǒng)主要有創(chuàng)新工場投資的點 心公司開發(fā)的點心操作系統(tǒng)、中國移動的Ophone、聯(lián)想的樂 Phone、阿里云手機操作系統(tǒng)及雷軍的小米科技開發(fā)的MIUI。

綜合分析，高校中開設的嵌入式操作系統(tǒng)能很好地滿 足市場需要。我校針對市場熱點，增加開設了目前火熱的 Android操作系統(tǒng)。

2.4嵌入式開發(fā)的其它相關課程設置

從事嵌入式開發(fā)設計，若再能熟悉嵌入式應用的一些主 要領域，這樣人才培養(yǎng)就會與企業(yè)需求更加密切結合，培養(yǎng) 出的學生更受企業(yè)歡迎。主要的相關領域及課程包括：

數(shù)字圖像壓縮技術

這是嵌入式最重要最熱門的應用領域之一，主要是應掌 握MPEG編解碼算法和技術，如高清電視、機頂盒等都涉及 MPEG高速解碼問題。

通信協(xié)議及編程技術

包括傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議和熱門的無線通信協(xié)議。大多數(shù) 嵌入式設備都要連入局域網(wǎng)或Internet,這些是通過TCP/IP 協(xié)議及其編程實現(xiàn)的。其次，無線通信是目前的大趨勢，所以 掌握無線通信協(xié)議及編程也是很重要的。

網(wǎng)絡與信息安全技術

如加密技術，數(shù)字證書CA等。

3以設計能力為主線的嵌入式人才培養(yǎng)教學改革

當前，提高大學生的設計能力和創(chuàng)新能力是時代的要求, 也是提高教學質(zhì)量的難點。一個優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)工程師 應具備良好的綜合素質(zhì)，包括扎實的專業(yè)基礎、多學科的知 識結構、科學的邏輯思維能力、較強的動手實踐能力和設計 能力，還要求有追求新的熱點和技術的心態(tài)。

3.1理論教學與實踐結合，培養(yǎng)設計能力

課堂教學是教學的主要手段，也是學生最重要的學習途 徑。目前較好的方式是理論教學與實踐教學相結合，同時強 化學生的實踐動手能力與綜合設計能力。

通過課堂教學將嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的相關原理與技術傳授 給學生，整合課堂資源，讓學生在課堂上就能掌握嵌入式開 發(fā)的基本理論與基本技能，根據(jù)課堂教學的實際情況，精心 設計與課堂講授相對應的實踐內(nèi)容。通過具有針對性的實踐 設計，讓學生對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本流程有清楚的認識, 初步培養(yǎng)學生的設計能力。

3.2建立先進的嵌入式實驗室，強化實踐能力

實驗教學是課堂教學的補充和實際應用，具有綜合性與 創(chuàng)新性特點，在教學過程中對培養(yǎng)學生的動手能力、知識運 用能力和解決問題能力有特別重要的作用，是學生掌握嵌入 式系統(tǒng)開發(fā)及應用知識到實際的關鍵性環(huán)節(jié)。在實驗的設計上, 根據(jù)程序開發(fā)的難易程度，將實驗分為驗證性實驗和設計性 實驗，通過實驗教學使學生循序漸進地掌握軟件編程技巧。

針對目前普遍的學生動手實踐能力薄弱、知識結構單一、 專業(yè)面較窄、實踐教學素質(zhì)培養(yǎng)不足等弊端，我校新建了嵌入 式系統(tǒng)實驗室，平臺為目前最先進的cortex-A8處理器，可以 開設ARM、Linux和Android等實驗課程，并且可以進行二 次開發(fā)和綜合設計。

實驗室采取開放式管理，讓學生擁有更多自我設計的空 間和選擇學習的機會，加強實踐環(huán)節(jié)，重視綜合實踐訓練, 科學管理與彈性學習機制相結合，使學生始終保持熱情和 激情去學習。

3.3參加電子設計競賽，提升綜合能力

嵌入式系統(tǒng)是軟硬件相結合的系統(tǒng)，嵌入式硬件設計完 成后，各種功能就靠軟件來實現(xiàn)了，這就要求學生具有很強的 綜合能力。

基于這個原因，我們鼓勵學生積極參加全國大學生電子 設計競賽、“博創(chuàng)杯”嵌入式系統(tǒng)設計競賽、“畢 杯”電子 設計競賽等各種實踐活動，同時還鼓勵他們積極參加教師的 科研項目和學校的大學生科研立項，整個過程中都有專業(yè)老 師全程指導，此種方式培養(yǎng)了學生的基本科研素養(yǎng)，鍛煉了 學生綜合科研能力和獨立分析、解決問題的能力，為他們將 來走向社會參加科研工作打下了堅實的基礎。通過競賽和科 研項目的歷練不但讓學生提高了工程實踐能力，而且還讓他們 逐漸形成前沿理念與創(chuàng)新意識。而這些也正是一位優(yōu)秀的嵌 入式系統(tǒng)開發(fā)人才應具備的綜合能力素質(zhì)。

4 結 語

嵌入式系統(tǒng)的課程體系構建和人才培養(yǎng)涉及到多個方面, 本文通過對嵌入式這兩方面的研究與探索，提出相應的思路, 探索出以嵌入式系統(tǒng)應用設計為特長的新型人才培養(yǎng)模式。 實踐結果表明，通過采用以上措施，使學生的綜合素質(zhì)教育 真正落實到了課程教學中，更好地適應了社會的需求，同時也 對高校嵌入式系統(tǒng)課程建設起到了示范作用。

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