摘要：本文介紹了在電子信息工程專業(yè)開展嵌入式教學(xué)改革的方法，包括修改專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，建設(shè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行課程改革與教學(xué)實(shí)踐等。文中分析了嵌入式技術(shù)與專業(yè)主干學(xué)科的關(guān)系，提出了實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)課程建設(shè)方案，總結(jié)了教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電子信息工程；嵌入式；教學(xué)改革

分類號(hào)：G420文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913(2007)12-0043-03

1引言

嵌入式系統(tǒng)是指以嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為核心組成的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常具有高性能、低功耗、可移動(dòng)、軟硬件可裁減等特征。電子信息工程專業(yè)是一個(gè)電子和信息工程方面的較寬口徑專業(yè)，專業(yè)主干學(xué)科為電子科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。該專業(yè)涉及的各學(xué)科一直保持快速發(fā)展的勢(shì)頭，并在一定程度上出現(xiàn)了相互融合的趨勢(shì)，最有代表性的是通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展和相互滲透，以嵌入式系統(tǒng)作為上述技術(shù)的載體。從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的角度看，嵌入式技術(shù)是后PC時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，嵌入式系統(tǒng)作為重要的計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)，將應(yīng)用到越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域；從信息與通信工程的角度看，以嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、移動(dòng)計(jì)算等是一個(gè)非常有前途的技術(shù)應(yīng)用方向；從電子科學(xué)與技術(shù)的角度看，嵌入式系統(tǒng)綜合運(yùn)用了電子技術(shù)，還集成了軟件技術(shù)，并向可編程片上系統(tǒng)(SoPC)和片上系統(tǒng)(SoC)方向發(fā)展?？傊瑢⑶度胧较到y(tǒng)作為電子信息技術(shù)的綜合載體是信息技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一，因此在電子信息工程專業(yè)進(jìn)行嵌入式教學(xué)改革是十分必要的。

2專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃修訂

按照教育部本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹，電子信息工程專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)信號(hào)的獲取與處理、電子設(shè)備與信息系統(tǒng)等方面的專業(yè)知識(shí)，受到電子與信息工程實(shí)踐的基本訓(xùn)練，具備設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用和集成電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的基本能力[1]。由于電子信息工程專業(yè)具有寬口徑的特征，各高校結(jié)合自身的辦學(xué)條件和辦學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在基本要求是相同的前提下，形成了各自的專業(yè)特色，如有的側(cè)重現(xiàn)代電子技術(shù)，有的側(cè)重通信技術(shù)，也有側(cè)重信號(hào)處理等。筆者所在學(xué)院電子信息工程專業(yè)定位如下：以電子技術(shù)基本理論和基本技能為基礎(chǔ)，以信號(hào)和信息處理理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)為平臺(tái)，以通信、網(wǎng)絡(luò)及多媒體信號(hào)處理為應(yīng)用領(lǐng)域，既強(qiáng)調(diào)基本理論和基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，又注重鍛煉實(shí)踐和創(chuàng)新能力，同時(shí)要了解技術(shù)和應(yīng)用的新動(dòng)向。具體設(shè)計(jì)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃過(guò)程中，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)及特色定位，確定本專業(yè)的知識(shí)架構(gòu)，并以此為線索設(shè)計(jì)整個(gè)課程體系，使各門課程之間相互銜接，具有系統(tǒng)性和連貫性，在強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，要求課程內(nèi)容不斷與技術(shù)發(fā)展和社會(huì)應(yīng)用需求相適應(yīng)。

嵌入式技術(shù)與電子信息工程專業(yè)主干學(xué)科密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)不少高校紛紛在本專業(yè)開設(shè)嵌入式相關(guān)課程，也有人提出了一些具體想法[2]。按照上述電子信息工程專業(yè)特色定位，其專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃只需做較少的修改，即可滿足嵌入式教學(xué)需要，主要是適當(dāng)加強(qiáng)軟件課程教學(xué)，并增加以嵌入式系統(tǒng)為載體的專業(yè)綜合課程。具體方案是，將開設(shè)的“計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)”課程分解為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”和“操作系統(tǒng)”兩門專業(yè)基礎(chǔ)課，將“計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)”課程中涉及到的數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)通過(guò)增設(shè)選修課程“數(shù)據(jù)庫(kù)原理與應(yīng)用”供部分對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)感興趣的同學(xué)選修；然后在第7學(xué)期增設(shè)“嵌入式信息系統(tǒng)”課程及課程設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)是綜合運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、信號(hào)處理知識(shí)，軟硬件一體化，理論與算法相結(jié)合。經(jīng)修改后本專業(yè)主要課程可分為以下幾類：

(1) 公共基礎(chǔ)課，包括兩課、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、體育等；

(2) 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，包括電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)；

(3) 通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程，包括電磁場(chǎng)與電磁波、高頻電子線路、通信原理、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)；

(4) 信號(hào)與信息處理課程，包括信號(hào)與系統(tǒng)、信息論與編碼、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理；

(5) 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)課程，包括微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用；

(6) 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)課程，包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、操作系統(tǒng)；

(7) 專業(yè)綜合課程，包括信息系統(tǒng)集成、嵌入式信息系統(tǒng)。

3實(shí)驗(yàn)室和課程建設(shè)

嵌入式技術(shù)適用于多個(gè)本科專業(yè)教學(xué)，如計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子信息工程、自動(dòng)化等電氣信息類專業(yè)。由于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)不同，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路也不一樣，例如對(duì)自動(dòng)化專業(yè)而言，就應(yīng)考慮以嵌入式處理器加上實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)為重點(diǎn)來(lái)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。對(duì)于電子信息工程專業(yè)來(lái)說(shuō)，首先依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃要求，確定實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)方向和遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，進(jìn)而確定具體建設(shè)方案。實(shí)際工作中結(jié)合自身辦學(xué)條件和專業(yè)特色，建設(shè)了“嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”，其技術(shù)定位是將嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以信號(hào)與信息處理理論為支撐，以網(wǎng)絡(luò)、通信和多媒體信號(hào)處理為應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)綜合運(yùn)用電子信息技術(shù)的人才。

構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。可以作為嵌入式處理器的通常有微處理器(MPU)、微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和片上系統(tǒng)芯片等；而嵌入式操作系統(tǒng)可選范圍也很大，主要包括眾多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、Windows CE系列和Linux系列操作系統(tǒng)等。對(duì)于強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)和多媒體信號(hào)處理應(yīng)用的電子信息工程專業(yè)來(lái)說(shuō)，通常應(yīng)選擇具有DSP加速功能的嵌入式處理器，同時(shí)要求嵌入式操作系統(tǒng)充分支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用。實(shí)際選擇了開放的高性能32位精簡(jiǎn)指令集處理器ARM(Advanced RISC Machines)為硬件平臺(tái)，以開放源代碼的Linux為操作系統(tǒng)平臺(tái)。

ARM處理器具有高性能、低功耗、低成本的特征，ARM公司自己不生產(chǎn)芯片，而將其設(shè)計(jì)的芯片知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)給包括Intel、Motorola、Philips、TI等著名公司在內(nèi)的眾多半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)基于ARM的芯片，現(xiàn)在ARM已經(jīng)成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式應(yīng)用的RISC標(biāo)準(zhǔn)。另外ARM的E變種具有DSP增強(qiáng)功能，可以加速移動(dòng)媒體處理性能，適用于多媒體信號(hào)處理應(yīng)用。同時(shí)，其它一些廠家也相繼推出了片內(nèi)集成DSP功能的ARM處理器，如Intel公司的PXA270處理器和TI公司的DaVinci處理器。PXA270是Intel公司的Xscale系列處理器之一，基于ARMv5TE設(shè)計(jì)。在DSP功能擴(kuò)展方面，ARMv5TE引入了16位有符號(hào)數(shù)乘累加指令、飽和運(yùn)算指令、零計(jì)數(shù)指令等。為了進(jìn)一步強(qiáng)化媒體處理功能，PXA270集成了無(wú)線MMX(Wireless MMX，WMMX)單元，具有Intel桌面處理器MMX技術(shù)全部功能和流SIMD擴(kuò)展(Stream SIMD Extensions，SSE)技術(shù)的整數(shù)部分功能，通過(guò)WMMX指令提供高性能、低功耗的多媒體加速功能。而Davinci處理器，即TMS320DM644x，片內(nèi)集成了ARM926和TMS320C64x+雙核，該處理器可大大提高數(shù)字視頻處理性能，但其內(nèi)部集成的雙核相對(duì)獨(dú)立，開發(fā)方式較復(fù)雜，在一定程度上制約了該處理器的推廣和應(yīng)用。因此，在目前條件下選擇PXA270作為嵌入式處理器是一個(gè)比較合理的選擇，相關(guān)的硬件成本較低，軟件也比較豐富，有利于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

Linux操作系統(tǒng)用于嵌入式系統(tǒng)，產(chǎn)生了幾個(gè)不同版本，主要包括uClinux、嵌入式Linux和RTlinux等，其中uClinux適用于處理器內(nèi)沒(méi)有內(nèi)存管理單元(MMU)的ARM處理器，RTlinux則側(cè)重于改善Linux的實(shí)時(shí)性能，而嵌入式Linux除了在圖形和文件系統(tǒng)上與桌面Linux有所不同外，內(nèi)核本身并無(wú)差別，因此作為內(nèi)核一部分的網(wǎng)絡(luò)功能與桌面Linux一樣強(qiáng)大。Linux作為一種開放源代碼的操作系統(tǒng)，在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能非常適合嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。因此，在實(shí)際教學(xué)中選擇Linux是非常合適的，既不存在版權(quán)問(wèn)題，可以免費(fèi)使用，同時(shí)其源代碼是開放的，有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，很適合我國(guó)國(guó)情。2002年、2004年和2006年教育部高等教育司和信息產(chǎn)業(yè)部人事司共同主辦并由Intel公司協(xié)辦了幾屆大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽，從競(jìng)賽情況來(lái)看，ARM和Linux結(jié)合也是一個(gè)非常合理的選擇。

從課程上看，通常在電子信息工程專業(yè)強(qiáng)調(diào)電子技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理等，在軟件方面也會(huì)有所涉及，但并不突出，而近年來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)表明，在一個(gè)信息系統(tǒng)中，軟件所占的比重越來(lái)越大，因此在本專業(yè)適當(dāng)加強(qiáng)軟件教學(xué)是必要的。具體來(lái)說(shuō)，與嵌入式技術(shù)相關(guān)的“操作系統(tǒng)”課程中，可以Linux為重點(diǎn)來(lái)講，而在第7學(xué)期開設(shè)“嵌入式信息系統(tǒng)”課程及課程設(shè)計(jì)，課程定位為專業(yè)綜合課程，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)硬件軟件、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、通信原理、數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理等相關(guān)課程知識(shí)，不是對(duì)上述課程內(nèi)容的重復(fù)，而是結(jié)合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)不同技術(shù)方向的課程設(shè)計(jì)題目來(lái)體現(xiàn)，學(xué)生可以結(jié)合自己的特長(zhǎng)和興趣選擇合適的課程設(shè)計(jì)題目，這樣可以達(dá)到前后貫穿，綜合運(yùn)用，系統(tǒng)培養(yǎng)與訓(xùn)練的目的。

4教學(xué)實(shí)踐

將嵌入式技術(shù)融入專業(yè)教學(xué)工作中，要適當(dāng)加強(qiáng)軟件和專業(yè)綜合知識(shí)的教學(xué)，強(qiáng)調(diào)課程之間、軟件硬件之間的協(xié)調(diào)與配合，以知識(shí)線索來(lái)貫穿課程教學(xué)。在軟件方面，首先保證“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)質(zhì)量，該課程一般在低年級(jí)開設(shè)，此時(shí)大部分學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的理解還有限，因此可能對(duì)于理解存儲(chǔ)模式、數(shù)組與指針等概念有些困難，在后續(xù)課程中，通過(guò)匯編語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，還有單片機(jī)C51的學(xué)習(xí)，可以進(jìn)一步加深對(duì)這些該概念的理解。而“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”和“操作系統(tǒng)”課程可以使用C語(yǔ)言進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)，這樣在“嵌入式信息系統(tǒng)”教學(xué)中，涉及到的軟件基礎(chǔ)就比較扎實(shí)。在硬件方面，由于有微機(jī)和單片機(jī)方面的兩門先修課程作基礎(chǔ)，再學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)也就沒(méi)有太大困難。

在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及時(shí)調(diào)整教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期，嵌入式教學(xué)基于ARM7和uClinux平臺(tái)來(lái)進(jìn)行，選取的主要課程設(shè)計(jì)題目包括：嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)、基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程測(cè)控、嵌入式網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸設(shè)計(jì)等。使用PXA270和Linux平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，由于PXA270性能好，實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的外圍設(shè)備又很豐富，使得課程設(shè)計(jì)選題更加靈活，主要課程設(shè)計(jì)題目有：嵌入式IP語(yǔ)音通信設(shè)計(jì)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻通信設(shè)計(jì)、嵌入式圖像采集和處理、媒體播放器設(shè)計(jì)、數(shù)字照相機(jī)設(shè)計(jì)等。

畢業(yè)設(shè)計(jì)是嵌入式教學(xué)實(shí)踐的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于其時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可以就某一個(gè)專題進(jìn)行較深入的設(shè)計(jì)，其結(jié)果可以供更多學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)參考。可結(jié)合嵌入式、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、多媒體信號(hào)處理等技術(shù)選題，在實(shí)際畢業(yè)設(shè)計(jì)中，有代表性的題目包括：基于WMMX技術(shù)的DSP設(shè)計(jì)、PXA270速率步進(jìn)技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)、基于PXA270平臺(tái)的CCD接口設(shè)計(jì)、FPGA擴(kuò)展的嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)、嵌入式IPv6網(wǎng)絡(luò)視頻終端、移動(dòng)IPv6的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等。

組織學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽也是嵌入式教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容之一，由于該競(jìng)賽主要邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校及香港特別行政區(qū)、新加坡、馬來(lái)西亞、菲律賓等亞洲地區(qū)部分高校參加，不同學(xué)校、不同專業(yè)背景的同學(xué)可以在一個(gè)較高的起點(diǎn)上相互交流與學(xué)習(xí)，這樣既能檢驗(yàn)嵌入式教學(xué)改革效果，也可進(jìn)一步促進(jìn)嵌入式教學(xué)和實(shí)驗(yàn)水平的提高。筆者分別于2004年和2006年兩次組織學(xué)生參加了該競(jìng)賽，參賽作品包括 “基于Linux的網(wǎng)絡(luò)可視會(huì)議系統(tǒng)”、 “基于移動(dòng)IPv6的校園信息終端”和 “智能電子導(dǎo)游機(jī)”，通過(guò)參加競(jìng)賽，使部分課程設(shè)計(jì)選題的更加深入，同時(shí)促進(jìn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步建設(shè)和發(fā)展。

5結(jié)束語(yǔ)

如何在電子信息工程專業(yè)開展嵌入式教學(xué)，筆者進(jìn)行了一些嘗試，總的體會(huì)是電子信息工程專業(yè)開展嵌入式教學(xué)應(yīng)以電子信息技術(shù)為核心，包括網(wǎng)絡(luò)、通信、信號(hào)處理等，將嵌入式系統(tǒng)作為應(yīng)用平臺(tái)之一，不應(yīng)脫離專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及特色定位而學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)。不同學(xué)校和不同專業(yè)進(jìn)行嵌入式教學(xué)改革時(shí)可以結(jié)合自身特色，靈活調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，包括硬件、軟件平臺(tái)、應(yīng)用方式方法等，這樣能夠發(fā)揮出各自優(yōu)勢(shì)，有利于培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)的專門人才。

參考文獻(xiàn)：

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投稿日期：2007年3月2日

作者簡(jiǎn)介：周金和，北京信息工程學(xué)院信息與通信工程系

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