王志軍　楊延軍　段曉輝　趙建業(yè)　張云峰

“嵌入式系統(tǒng)”課程是“北京大學(xué)電子信息科學(xué)基礎(chǔ)實驗中心”為信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子類高年級本科生和研究生新開設(shè)的一門以實驗為主的選修課，目的是通過對嵌入式系統(tǒng)組成原理的學(xué)習(xí)和專題實驗、項目實驗的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

“嵌入式系統(tǒng)”實驗課程的建設(shè)注重對學(xué)生進(jìn)行科研綜合方法的培養(yǎng)，包括需求分析、方案論證、資料搜集、系統(tǒng)設(shè)計、電路調(diào)試、系統(tǒng)測試、報告撰寫等。除了培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的能力外，還要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象力，提出問題或見解，即培養(yǎng)創(chuàng)新能力。對于沒有學(xué)過的或跨學(xué)科的知識，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會主動學(xué)習(xí)、理解，最終應(yīng)用于系統(tǒng)中去。

“嵌入式系統(tǒng)”課程介紹

1.學(xué)時學(xué)分

總課時：60學(xué)時（理論課：16學(xué)時，實驗課：44學(xué)時）；學(xué)分：2學(xué)分。

2.課程內(nèi)容

（1）理論課

共授課8次，每次2學(xué)時，共需4周時間。具體內(nèi)容如下：

* 嵌入式系統(tǒng)概述

* ARM體系結(jié)構(gòu)與嵌入式CPU

* 嵌入式系統(tǒng)平臺——SitSang Board

* 嵌入式Linux操作系統(tǒng)原理

* 嵌入式Linux軟件開發(fā)

* 嵌入式Linux圖形程序設(shè)計

* 嵌入式Linux驅(qū)動程序設(shè)計

* 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

通過上述理論課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生基本掌握嵌入式系統(tǒng)的基本理論和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，以及Intel SitSang開發(fā)平臺的組成、嵌入式Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)原理，為下一步的實驗課程打下基礎(chǔ)。

（2）實驗課

實驗課分為兩個階段，專題實驗和項目實驗。專題實驗共有6次，每次4學(xué)時，共24學(xué)時（6周）。專題實驗具體內(nèi)容如下：

實驗一 SitSang Board組成和原理

實驗二 ARM匯編程序設(shè)計

實驗三 嵌入式Linux內(nèi)核

實驗四 嵌入式Linux程序設(shè)計

實驗五 嵌入式Linux圖形程序設(shè)計

實驗六 嵌入式Linux驅(qū)動程序設(shè)計

在專題實驗中，學(xué)生自由組隊三人一組，每次實驗又分為驗證性實驗、修改性實驗和設(shè)計性實驗三個層次。硬件開發(fā)平臺采用Intel SitSang（PXA255）板。第一個實驗用來熟悉開發(fā)平臺的硬件，第二個實驗用來了解比較底層的ARM匯編程序的開發(fā)方法，其他四個實驗都是圍繞 Linux操作系統(tǒng)來進(jìn)行的。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核——zImage采用的是經(jīng)過Intel公司修改的2.4.19版本；嵌入式文件系統(tǒng)采用的是JFFS2，它是專門為Flash設(shè)備設(shè)計的文件系統(tǒng)；為了避免頻繁的Flash讀寫和節(jié)省將文件系統(tǒng)燒錄到Flash中的時間，在實驗中我們主要采用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS），它使目標(biāo)系統(tǒng)在運行的時候通過網(wǎng)絡(luò)在主機(jī)上得到文件系統(tǒng)的內(nèi)容，而不需要訪問Flash設(shè)備，大大提高了開發(fā)效率；圖形開發(fā)選擇qtopia-1.7.0作為軟件平臺，開發(fā)工具主要使用qt-embedded-2.3.7；驅(qū)動程序的設(shè)計主要涉及了加速度計、測試LED和面板按鈕，希望學(xué)生對驅(qū)動有初步的了解，在專題實驗中并沒有設(shè)計很復(fù)雜的驅(qū)動。

項目實驗仍為三人一組，共20學(xué)時，需5周時間。實際操作上，項目實驗被安排在開放實驗室，學(xué)生可以自由安排其實驗時間，每個學(xué)生實際花費的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于20學(xué)時。項目實驗的命題由教師推薦和學(xué)生自選，這樣可以調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)造潛能，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的目的。推薦的項目實驗題目如下：

* MP3播放器

* 簡單PDA（記事本、通信錄、備忘錄等）

* 簡單E-mail編輯、收發(fā)器

* 簡單游戲（游戲桿控制）

在項目實驗的管理中，每個實驗教師負(fù)責(zé)幾組學(xué)生，每周至少一次對學(xué)生進(jìn)行檢查、督導(dǎo)。同時，設(shè)有兩個檢查時間點：一個是項目實驗開始的一周后，要求學(xué)生提供一份書面的項目方案設(shè)計報告，包括需求分析、方案論證、系統(tǒng)功能、資源分配、任務(wù)分工及任務(wù)時間表等；另一個檢查點為項目實驗結(jié)束時的答辯驗收，每組答辯時間為15分鐘，包括項目系統(tǒng)演示5分鐘，PPT講演5分鐘和提問5分鐘，屆時應(yīng)準(zhǔn)備好：項目實驗報告、PPT講演稿和項目演示系統(tǒng)。

（3）成績評定

專題實驗：40分（實驗表現(xiàn)：20，實驗報告：20）；

項目實驗：60分（系統(tǒng)演示：30，實驗報告：20，答辯：10）。

（4）參考教材

[1] 嵌入式系統(tǒng)實驗講義.北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院內(nèi)部教材.

[2] 陳章龍等譯.嵌入式技術(shù)與系統(tǒng)- Intel Xscale 結(jié)構(gòu)與開發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3] 王勇等譯.GNU/Linux 編程指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[4] 田澤等譯.ARM SoC體系結(jié)構(gòu)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)效果

通過理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本掌握了嵌入式系統(tǒng)的組成和基本原理、ARM體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)的基本原理，以及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程等。

通過實驗課的訓(xùn)練，學(xué)生不僅提高了實驗技能，更重要的是提高了綜合創(chuàng)新能力。實驗中學(xué)生被分為三人一組，這使得學(xué)生學(xué)到了任務(wù)劃分和相互合作，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊精神；課程內(nèi)容具有一定的深度，很多知識點學(xué)生都是第一次接觸，這使得學(xué)生學(xué)會了主動學(xué)習(xí)、廣泛搜集資料，綜合能力得到訓(xùn)練；碰到問題，學(xué)生敢于面對，并積極努力去解決，培養(yǎng)了學(xué)生的頑強(qiáng)拼搏精神；項目實驗中，學(xué)生開動腦筋，完成了很多他們感興趣的題目，并力求將項目做得完美，這些培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力；項目實驗最后的答辯驗收，則訓(xùn)練了學(xué)生講演、快速反應(yīng)和推銷自己的能力。

以下是學(xué)生完成的、具有代表性的項目實驗題目：

* 便攜式MP3播放器

* 便攜式MPEG4播放器（使用了Intel IPP庫）

* 便攜式E-mail收發(fā)終端

* 便攜式旅游信息終端

* 基于Linux的PDA的設(shè)計與實現(xiàn)

* 基于Linux的可視電話的設(shè)計與實現(xiàn)

課程的進(jìn)一步改進(jìn)

通過“嵌入式系統(tǒng)”課程對兩屆學(xué)生的開設(shè)，我們積累了一些經(jīng)驗，同時也存在著一些需要繼續(xù)改進(jìn)的方面。從學(xué)生的反饋上看，該課程對于四年級的本科生來說，涉及的知識面廣、內(nèi)容偏深：既要求學(xué)生有硬件電路知識，又要有計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等方面的知識，還要熟悉編程語言及應(yīng)用系統(tǒng)組成。在有限的學(xué)時內(nèi)，學(xué)生們很難完全掌握和消化，往往占用了他們很多的課余時間。因此，如何在有限的學(xué)時內(nèi)，讓學(xué)生基本掌握嵌入式系統(tǒng)的基本知識，培養(yǎng)他們的綜合創(chuàng)新能力，是課程進(jìn)一步改進(jìn)的重點。

（1）進(jìn)一步系統(tǒng)化理論課程內(nèi)容

目前，理論課由幾位教師分別以講座的形式向?qū)W生授課。在課程內(nèi)容上，雖然大體上有重點劃分，但仍需要進(jìn)一步統(tǒng)籌規(guī)劃、突出重點。重點講授需要學(xué)生掌握的基本知識，而不是面面俱到，進(jìn)一步的提高可由學(xué)生憑個人興趣自學(xué)完成。另外，課程內(nèi)容中多增加一些實例，以幫助學(xué)生理解和消化。

（2）加快理論課教材建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)涉及的知識面廣，參考資料也非常多，泛泛地為學(xué)生指定幾本參考書，這使得學(xué)生無時間遍覽，也很難抓住重點。嵌入式系統(tǒng)課程的進(jìn)一步建設(shè)，應(yīng)該根據(jù)該課程的目標(biāo)和內(nèi)容的需要，編寫一本理論課教材。這樣既可以幫助學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本知識，又節(jié)省了學(xué)生的時間。這項工作目前正在進(jìn)行中。

（3）增加演示項目實驗

對于專題實驗，學(xué)生可以按照實驗講義一步步地完成。但到了項目實驗階段，學(xué)生普遍感覺跨度較大，往往無從下手，需要教師多次的引導(dǎo)和幫助。這是因為學(xué)生習(xí)慣于單元實驗，而缺少系統(tǒng)實驗的訓(xùn)練。為了幫助學(xué)生項目實驗?zāi)苎杆偕鲜?，我們的嵌入式系統(tǒng)課程準(zhǔn)備在專題實驗結(jié)束后，增加一個演示項目實驗。在項目的方案設(shè)計、理論推導(dǎo)、系統(tǒng)功能、性能測試等方面為學(xué)生提供一個完整的實例，相信一定會對學(xué)生有所幫助。

“嵌入式系統(tǒng)”課程的建設(shè)，適應(yīng)了當(dāng)代電子信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才的要求，為高年級本科生及研究生提供了一個較好的高端選修課。四年的開課實踐證明：本課程較全面地訓(xùn)練了學(xué)生們的綜合創(chuàng)新能力，受到了學(xué)生們的歡迎。