摘 要：本文首先分析我國目前嵌入式專業(yè)教學(xué)的現(xiàn)狀，并探討了我國嵌入式教學(xué)存在的一些問題。接下來結(jié)合我國對嵌入式軟件人才的培養(yǎng)要求，說明了工程型嵌入式軟件人才應(yīng)具有的知識與能力，并因此提出了基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式課程設(shè)置與教學(xué)方案，最后對該教學(xué)模式實施的效果進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；ARM；SOC；FPGA

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672－5913(2007)17－0025－03

1 引言

隨著手機、PDA、高清電視(HDTV)、機頂盒、智能家電、汽車電子、路由器、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，中國嵌入式系統(tǒng)市場預(yù)計每年將直接創(chuàng)造億元的效益，因此嵌入式將成為電子信息產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟增長點，嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門最有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。與巨大的市場潛力和產(chǎn)業(yè)需求相比，我國國民教育體系下嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)知識較為陳舊，缺乏實踐鍛煉，無法適應(yīng)企業(yè)的實際需要，嵌入式人才的缺乏是阻礙我國嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的首要因素。本文首先分析我國目前嵌入式專業(yè)教學(xué)的現(xiàn)狀，闡述了嵌入式課程體系的知識結(jié)構(gòu)，接下來針對應(yīng)用型本科院校計算機類嵌入式方向的課程設(shè)置與教學(xué)進(jìn)行了探討，最后對該教學(xué)模式實施的實際效果進(jìn)行了總結(jié)。

2 嵌入式課程設(shè)置現(xiàn)狀分析

2．1 現(xiàn)狀及問題

目前，我國大部分高校的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)仍然停留在20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的以8位51單片機為核心的教學(xué)水平上。教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教材體系不能適應(yīng)嵌入式技術(shù)發(fā)展的需要。學(xué)生學(xué)完這門課程后滿足不了社會對嵌入式人才的需求。究其原因，一方面是因為從事該領(lǐng)域的研發(fā)人員常常需要不同專業(yè)背景，例如計算機、電子、通信、自動化與控制，等。另一方面更重要的原因是我國的嵌入式教學(xué)沒有跟上嵌入式技術(shù)的發(fā)展，筆者認(rèn)為我國嵌入式教學(xué)存在如下問題：

(1)定位不明確，課程體系設(shè)置不合理：一個嵌入式系統(tǒng)不但包括硬件部分還包括軟件部分。電子類、通信類、計算機類專業(yè)都可以開設(shè)嵌入式方向，但培養(yǎng)目標(biāo)是不相同的、課程設(shè)置和側(cè)重點也不相同，而目前有些高校只是根據(jù)技術(shù)潮流籠統(tǒng)地開設(shè)一門課程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)地學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)的需要。因此，高校開設(shè)置嵌入式專業(yè)時必須找準(zhǔn)定位，結(jié)合自身的特點和優(yōu)勢開設(shè)課程。

(2)缺少系列教材：嵌入式技術(shù)往往和行業(yè)背景結(jié)合緊密，由于新技術(shù)日新月異，很難找到一套普遍適用的系列教材。這也給嵌入式教學(xué)帶來影響。

(3)課程教學(xué)內(nèi)容陳舊：嵌入式課程是一門很新的技術(shù)，目前有些高校雖然開設(shè)了這方面的課程，但是師資往往沒有同步跟上，很多都是從相關(guān)專業(yè)轉(zhuǎn)型而來，在短期內(nèi)無法跟上新技術(shù)變革，因此出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，而且廣度有限，深度不夠的現(xiàn)象。

(4)缺少實踐鍛煉：嵌入式是一門實踐性很強的技術(shù)。目前有些高校缺少實驗設(shè)備，沒有與實際工程應(yīng)用密切結(jié)合的課程設(shè)計，使得高校培養(yǎng)的人才創(chuàng)新意識薄弱，實踐能力不強，與實際工程應(yīng)用需求嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生發(fā)展后勁不足。

要解決以上問題，必須對嵌入式專業(yè)所需要知識結(jié)構(gòu)有所了解。

2．2 嵌入式專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)

從廣義上說，以單片機，F(xiàn)PGA/CPLD，DSP，ARM等實現(xiàn)的產(chǎn)品都可以稱之為嵌入式產(chǎn)品，基于FPGA的SOC、SOPC、ASIC設(shè)計都和嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)，如圖1所示。

嵌入式工程人員應(yīng)該具備什么樣的知識結(jié)構(gòu)呢?嵌入式工程人員既可從事嵌入式硬件設(shè)計，也可從事嵌入式軟件設(shè)計，下面結(jié)合我國對嵌入式軟件人才的培養(yǎng)要求，我們認(rèn)為工程型嵌入式軟件人才應(yīng)具有如下的知識與能力：

(1)硬件知識

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。因此，對于從事嵌入式軟件開發(fā)的工程人員，必須清晰地掌握相關(guān)的硬件基礎(chǔ)知識，如嵌入式微處理器、接口技術(shù)、軟硬件一體化的開發(fā)工具，等。

(2)軟件工程知識

嵌入式軟件工程與通用軟件工程具有共同之處，但又有很大的差異。因此，嵌入式軟件工程人才必須首先具有軟件工程技術(shù)的基本知識和工程技能，例如軟件工程管理、軟件質(zhì)量、軟件工程過程，等。同時，一個好的嵌入式開發(fā)工程師必須掌握一門開發(fā)語言、精通一種主流微處理器系統(tǒng)、掌握一套開發(fā)工具和一種嵌入式操作系統(tǒng)。

(3)行業(yè)領(lǐng)域知識

嵌入式系統(tǒng)是與特定行業(yè)應(yīng)用密不可分的，嵌入式軟件在移動設(shè)備、數(shù)字家電、汽車電子、數(shù)控機床、醫(yī)療電子、航天航空、工控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所以，嵌入式軟件工程人才必須具有一定的行業(yè)領(lǐng)域知識，才能勝任工作。

(4)系統(tǒng)工程能力

由于嵌入式系統(tǒng)是面向某種特殊應(yīng)用，所采用的硬件平臺、開發(fā)工具和應(yīng)用環(huán)境都有所不同，再加上市場對大多數(shù)產(chǎn)品要求開發(fā)周期短和成本低，我們無法為了某一種產(chǎn)品而從頭開發(fā)。因此，如何選擇合適的軟硬件平臺以高效地開發(fā)產(chǎn)品，如何有效管理開發(fā)團隊中的各類人員，如應(yīng)用專家、硬件工程師、軟件工程師和其他相關(guān)工程人員，成為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的重點。這就需要嵌入式軟件工程人才應(yīng)具備解決工程問題的能力，自我知識學(xué)習(xí)與更新能力和良好的交流與組織協(xié)調(diào)能力。

對于嵌入式專業(yè)的教學(xué)，不可能把圖1中羅列的所有技術(shù)全部學(xué)習(xí)一遍，這樣做也得不償失。一個比較好的方法是根據(jù)各個學(xué)校的特點實施嵌入式課程教學(xué)，電子類、通信類、計算機類專業(yè)都可以開設(shè)嵌入式方向，但是其側(cè)重點和培養(yǎng)目標(biāo)是不相同的。下面主要結(jié)合計算機類專業(yè)的嵌入式方向闡述其課程設(shè)置與教學(xué)。

3 基于ARM架構(gòu)的嵌入式課程設(shè)置與教學(xué)

3．1 課程體系

嵌入式專業(yè)的特點是涉及知識面廣、綜合性強、實踐性強，并且學(xué)科發(fā)展快，因而學(xué)習(xí)難度大。同時，它要求教師不僅具備一般的計算機系統(tǒng)的軟硬件知識，如計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、編譯原理、數(shù)字電路，等，而且需要真正從事過嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實踐，才能對嵌入式系統(tǒng)中的實時性等抽象概念和系統(tǒng)調(diào)試過程有感性認(rèn)識。

對于計算機應(yīng)用類的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計重點應(yīng)該放在嵌入式軟件設(shè)計這一部分。如果學(xué)生掌握了一種主流嵌入式微處理器、掌握了一門開發(fā)語言、一種嵌入式操作系統(tǒng)、一套開發(fā)工具，就達(dá)到了系統(tǒng)地學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)的要求。

目前，在嵌入式領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微處理器。作為世界第一大IP知識產(chǎn)權(quán)廠商，ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片?？梢哉f，ARM公司引發(fā)了嵌入式領(lǐng)域的一場革命，在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位，是目前32位市場中使用最廣泛的微處理器。ARM從1991年大批量推出商業(yè)RISC內(nèi)核到現(xiàn)在為止，已授權(quán)交付了超過20億個ARM內(nèi)核的處理器核。在全球已有將近200多個半導(dǎo)體公司購買了ARM核，生產(chǎn)自己的處理器。目前，80％以上的GSM手機、99％的CDMA手機以及將來的WCDMA、TD-SCDMA手機都采用的是基于ARM核心的處理器。ARM進(jìn)入中國2年以來，已經(jīng)與中興、華虹、東南大學(xué)、上海集成電路設(shè)計中心及中芯國際簽定了芯片核心技術(shù)授權(quán)協(xié)議。因此，學(xué)習(xí)以ARM為架構(gòu)的嵌入式技術(shù)具有非常廣闊的前景。

對于嵌入式開發(fā)語言目前主要有匯編語言、C和C++語言、Java語言，等。對于嵌入式操作系統(tǒng)目前主要有VxWorks、Windows CE、Linux和μC/OS-II，等，各個學(xué)?？梢愿鶕?jù)實際情況開設(shè)這些課程。集成開發(fā)工具主要有Tomado、Windows CE開發(fā)工具、ADS，等。下面結(jié)合筆者所在學(xué)校介紹其嵌入式方向的課程設(shè)置與教學(xué)情況。

計算機系嵌入式專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)偏向嵌入式軟件設(shè)計開發(fā)。其課程體系的設(shè)置應(yīng)該體現(xiàn)“注重工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)人才知識體系”。根據(jù)學(xué)生的接受能力，嵌入式知識的學(xué)習(xí)應(yīng)體現(xiàn)層次性、由易到難的漸進(jìn)性、注重實踐性。其知識結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)知識、專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識這樣一個層次結(jié)構(gòu)組成。

基礎(chǔ)課程階段：主要學(xué)習(xí)理工科的一些基礎(chǔ)課程，如高等數(shù)學(xué)，等，主要在大學(xué)一、二年級開設(shè)，這里不再贅述。

專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課開設(shè)方案如圖2所示，圖中列出其主要課程，該課程體系的目標(biāo)是培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計師。

專業(yè)基礎(chǔ)課階段：如圖2底部所示，主要包括模擬電子電路、數(shù)字電子電路、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、C語言程序設(shè)計、Java語言程序設(shè)計、計算機組成原理、操作系統(tǒng)，等。主要放在大學(xué)二、三年級開設(shè)。

專業(yè)課階段：如圖2中部所示，專業(yè)課體現(xiàn)為三條線，主線是圖中部虛線框中以ARM為架構(gòu)的系列課程：第二條線屬于硬件方面的選修課程，用于加強學(xué)生對嵌入式硬件方面的了解；第三條線屬于軟件方面的課程，用于加強學(xué)生軟件方面的知識，后兩條線的課程都為主線服務(wù)。下面詳細(xì)介紹主線各門課程的主要知識點。

“匯編語言程序設(shè)計”課程是學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)的入門課程。主要介紹匯編語言程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，ARM系列微處理器，基于ARM體系結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)以及匯編程序設(shè)計。本課程是學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用等知識的前導(dǎo)課程。

“嵌入式系統(tǒng)原理與接口”課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包含典型的嵌入式微處理器的工作原理、嵌入式系統(tǒng)的存儲體系、GPIO、總線接口、網(wǎng)絡(luò)接口，等。在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)中對特定的微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的知識要求淡化，對處理器接口知識的要求必須加強。該門課在教學(xué)過程中應(yīng)注意“點面結(jié)合”，以某種平臺為重點，兼顧其他系統(tǒng)的特征。

“嵌入式操作系統(tǒng)”課程主要介紹嵌入式系統(tǒng)基本知識，嵌入式系統(tǒng)的一個重要特征是系統(tǒng)存儲資源有限和對實時性要求高，其用戶界面與通用系統(tǒng)也很不一樣，因此嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)有較大的差別。在嵌入式操作系統(tǒng)課程中需要結(jié)合典型的嵌入式操作系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作機制、系統(tǒng)移植剪裁和實時任務(wù)調(diào)度等內(nèi)容進(jìn)行介紹。不同的學(xué)?？筛鶕?jù)具體情況選擇一到兩門流行的嵌入式操作系統(tǒng)，如UCOSII、Linux、WinCE、Vxworks，等。

“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該包括嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、軟件編程及外圍設(shè)備接口和驅(qū)動，等。設(shè)置本課程的目的是讓學(xué)生了解和掌握必要的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)的概念、方法和工具。

“嵌入式系統(tǒng)測試技術(shù)”嵌入式產(chǎn)品往往是軟硬件結(jié)合的產(chǎn)物，其設(shè)計方法涉及軟硬件協(xié)同設(shè)計、系統(tǒng)級設(shè)計、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計等多個層次。因而，嵌入式軟件的測試不同于一般的軟件測試，本課程的重點放在嵌入式軟件測試，該課程包括了嵌入式軟件測試的一般過程，內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)化測試和嵌入式系統(tǒng)的原理、測試生命周期、重要的應(yīng)用技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、測試組織形式和測試原則。

3．2 課程教學(xué)

目前嵌入式教材存在的知識結(jié)構(gòu)籠統(tǒng)、平臺相關(guān)性問題及針對性不強等問題。我們逐步編寫了嵌入式方向的系列教材，并且聘請企業(yè)的技術(shù)專家參與教材編寫，讓來自工作一線、擁有豐富工作經(jīng)驗的專家直接參與教材編寫，大大增強了教材的實用價值。這些教材以ARM體系結(jié)構(gòu)為主線，理論研究與實際開發(fā)緊密結(jié)合，面向應(yīng)用。目前這些教材在實際教學(xué)中取得了良好的效果。

針對在校學(xué)生缺少行業(yè)背景知識這一缺點，我們在教學(xué)中大力開展了與企業(yè)的合作。首先我們研究企業(yè)需求、深入很多大中小型IT企業(yè)，作崗位調(diào)研，看看企業(yè)到底需要什么樣的嵌入式人才，聘請企業(yè)專家參與課程設(shè)置與專業(yè)建設(shè)。同時，我們也研究嵌入式人才的就業(yè)問題，研究什么樣的嵌入式人才好就業(yè)，在學(xué)生學(xué)習(xí)期間，直接把學(xué)生派到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計，使得培養(yǎng)的嵌入式人才能夠適應(yīng)企業(yè)的需要。

此外，注重嵌入式師資的培訓(xùn)，充分利用寒暑假將專業(yè)教師派到相關(guān)企業(yè)直接參與項目的開發(fā)。通過這種方式使得專業(yè)課教師能夠緊跟時代的步伐，時刻引領(lǐng)新知識、新技術(shù)，避免了其知識的陳舊性。

4 結(jié)論

以上探討了計算機系嵌入式方向的課程設(shè)置與教學(xué)問題。我們在深入研究已經(jīng)成熟和正在發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法、設(shè)計技術(shù)和設(shè)計工具的基礎(chǔ)之上，制定出了我校計算機系嵌入式方向的課程體系和教學(xué)大綱，并通過教學(xué)實踐對其進(jìn)行進(jìn)一步的完善。目前，我們學(xué)校在這一教學(xué)模式下實施的教學(xué)受到了學(xué)生的歡迎，學(xué)生對嵌入式方向產(chǎn)生了濃厚的興趣和高度的熱情。培養(yǎng)出的第一批學(xué)生即將畢業(yè)，大部分學(xué)生在實習(xí)期間就受到實習(xí)單位的認(rèn)可并簽訂了就業(yè)協(xié)議。這也說明了我們在嵌入式課程設(shè)置的可行性與前瞻性。當(dāng)然，我們國家嵌入式方向的教學(xué)還任重道遠(yuǎn)，懇切希望這方面的專家進(jìn)一步探討。

作者簡介：文全剛(1971－)，男，湖南人，國家認(rèn)證高級程序員、系統(tǒng)分析師，高級工程師，副教授，研究方向：嵌入式、微電子、網(wǎng)絡(luò)安全。