摘要：基于嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的新需求，本文根據(jù)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)狀況，提出高校嵌入式方向的培養(yǎng)模式，將面向應(yīng)用的嵌入式課程知識(shí)體系與課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、開放性實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)基地與企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合起來(lái)，形成完整的嵌入式培養(yǎng)體系；并在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法上提出理論知識(shí)點(diǎn)細(xì)化與難點(diǎn)形象化演示，提高嵌入式方向課程教學(xué)質(zhì)量。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；培養(yǎng)模式；實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)方法
　　
　　進(jìn)入21世紀(jì)，嵌入式技術(shù)以排山倒海之勢(shì)占據(jù)了人們的生產(chǎn)、生活和娛樂(lè)方式。未來(lái)對(duì)掌握嵌入式技術(shù)的人才的需求會(huì)越來(lái)越大，因此各個(gè)重點(diǎn)大學(xué)紛紛開設(shè)了嵌入式方向課程，并在計(jì)算機(jī)或軟件工程的體系下出現(xiàn)了嵌入式專業(yè)方向。作為一個(gè)新的專業(yè)方向，關(guān)于它的培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的研究已經(jīng)有了一定的成果。在文獻(xiàn)中探討了基于嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)，單片機(jī)課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法方面的問(wèn)題，改善了教學(xué)效果。文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)嵌入式課程應(yīng)突出以應(yīng)用為教學(xué)重點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、專業(yè)實(shí)習(xí)及畢業(yè)實(shí)習(xí)等強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)。本文基于嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的新需求，提出了面向應(yīng)用的嵌入式方向的培養(yǎng)體系，形成了理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與開放性實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，實(shí)訓(xùn)基地與企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合的聯(lián)合教學(xué)模式。
　　
　　1　面向應(yīng)用的嵌入式培養(yǎng)模式
　　
　　1.1　課程知識(shí)體系
　　嵌入式專業(yè)方向培養(yǎng)學(xué)生具有基礎(chǔ)理論扎實(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題能力強(qiáng)，掌握工程型技術(shù)、軟件硬件于一體的嵌入式專業(yè)人才。嵌入式系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是軟件硬件的綜合體，在培養(yǎng)體系中應(yīng)該軟件硬件一起抓，而且兩手都要硬。嵌入式系統(tǒng)專業(yè)類課程培養(yǎng)知識(shí)體系如圖1所示。在基礎(chǔ)理論中我們要注重課程前后的知識(shí)銜接關(guān)系，電路課為更好的掌握硬件接口打基礎(chǔ)，對(duì)PC機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)有了更好的掌握后，在此基礎(chǔ)上引入專用的微控制器(單片機(jī)、ARM嵌入式微處理器)，再將課程一步步過(guò)渡到高級(jí)語(yǔ)言編程上(嵌入式C、C++程序設(shè)計(jì)和Linux圖形界面設(shè)計(jì)等)。在教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要與課程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力。
　　
　　嵌入式系統(tǒng)專業(yè)類課程體系的制訂是影響所培養(yǎng)人才素質(zhì)的最重要部分，因此每一門專業(yè)課的選擇要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。
　　1)硬件開發(fā)環(huán)境。當(dāng)前嵌入式處理器主要有8位、16位、32位等幾種，在基礎(chǔ)類課程中單片機(jī)原理我們一般以8位MCS51單片機(jī)為例進(jìn)行介紹，學(xué)生對(duì)MCU這個(gè)概念有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。當(dāng)前嵌入式產(chǎn)品開發(fā)硬件主流芯片就是32位的ARM系列處理器，ARM的成功在于它有極好的性能和極低的功耗，使得它能夠優(yōu)越于MIPS和PowerPC等嵌入式處理器。基于ARM核的嵌入式芯片在汽車電子、消費(fèi)娛樂(lè)產(chǎn)品、數(shù)字化音頻與影像產(chǎn)品、工業(yè)控制產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、無(wú)線手持設(shè)備等諸多領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。可以預(yù)見，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，ARM處理器將主宰32位嵌入式處理器的市場(chǎng)。因此嵌入式專業(yè)培養(yǎng)硬件要以ARM處理器為核心芯片。
　　2)軟件開發(fā)環(huán)境。在這一層面上我們要結(jié)合硬件平臺(tái)來(lái)進(jìn)行選取，ARM920及其以后的版本獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Linux、Windows CE、uC-OS、VxWorks、Nucleus、Palm OS等，其中Linux、uC-OS為源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)?？紤]到研究產(chǎn)權(quán)的自主性，uC-OS源碼公開，是一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)時(shí)內(nèi)核；Linux的層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)核完全開放、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、完整的開發(fā)工具、廣泛的硬件支持、遵循通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此要以u(píng)C-OS為基礎(chǔ)，以Linux為核心介紹嵌入式操作系統(tǒng)。另外微軟公司的Windows CE具有良好的界面和技術(shù)支持，使得在嵌入式產(chǎn)品中的應(yīng)用占有重要地位，因此Windows CE也作為嵌入式系統(tǒng)培養(yǎng)的一個(gè)重要分支。
　　3)智能終端的嵌入式軟件開發(fā)。智能手機(jī)軟件的開發(fā)是嵌入式產(chǎn)品在手持設(shè)備上的典型應(yīng)用。J2ME對(duì)其有較好的支持，可以給學(xué)生作選修課，增加嵌入式培養(yǎng)的知識(shí)面。
　　4)嵌入式技術(shù)與當(dāng)前的熱門行業(yè)相結(jié)合。工業(yè)控制和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域成為當(dāng)前應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)，要把學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與應(yīng)用和研究結(jié)合在一起，使嵌入式的培養(yǎng)更具活力。這類課程可以作為選學(xué)課程，為學(xué)有余力的嵌入式學(xué)生開拓視野。
　　
　　1.2　嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐教學(xué)
　　實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在嵌入式培養(yǎng)體系中占有重要的地位，它是理論講解的驗(yàn)證與升華。文獻(xiàn)提出了一種BDO的3級(jí)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，但隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，每級(jí)所包含的內(nèi)容在廣度和深度上都需要增加。木文將實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)結(jié)合起來(lái)，形成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系如圖2所示。
　　
　　1.2.1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)
　　基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在課上所學(xué)習(xí)理論的驗(yàn)證，可以由專任的實(shí)驗(yàn)教師來(lái)指導(dǎo)，如果有條件最好請(qǐng)本門課的任課教師來(lái)指導(dǎo)或由任課教師和實(shí)驗(yàn)教師來(lái)同時(shí)指導(dǎo)，這樣在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中可以和任課教師有一個(gè)互動(dòng)，及時(shí)解決疑點(diǎn)，使基礎(chǔ)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相配合起來(lái)。
　　設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)是在完成基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)和高級(jí)的嵌入式OS后開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課，這部分實(shí)驗(yàn)可以采用課程設(shè)計(jì)的形式，每個(gè)實(shí)驗(yàn)利用幾天或更長(zhǎng)的時(shí)間讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)嵌入式OS的驅(qū)動(dòng)，教師可以不定期的去答疑，重點(diǎn)在啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行嵌入式編程，為學(xué)生提供一些解決問(wèn)題的方法。
　　每次完成實(shí)驗(yàn)后，有的學(xué)生可能還沒(méi)有完全領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，所以除上課的時(shí)間以外還可以把實(shí)驗(yàn)室開放，讓一些學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，開放式實(shí)驗(yàn)室要由本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教師來(lái)指導(dǎo)和維護(hù)。另外開放式實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)該提供擴(kuò)充版的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(除了課程要求的必修實(shí)驗(yàn)以外的實(shí)驗(yàn))，供學(xué)有余力的學(xué)生用，擴(kuò)展嵌入式學(xué)習(xí)的知識(shí)量。
　　1.2.2　工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)
　　工程實(shí)踐是學(xué)生走向企業(yè)的一個(gè)橋梁，通過(guò)在實(shí)訓(xùn)基地半年時(shí)間的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以掌握企業(yè)項(xiàng)目的實(shí)施機(jī)制，為畢業(yè)后快速進(jìn)入項(xiàng)目開發(fā)打下良好和基礎(chǔ)。
　　在工程實(shí)踐項(xiàng)目選擇上，應(yīng)該盡量選擇企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目，必要時(shí)可以與管理規(guī)范的公司聯(lián)合建立實(shí)訓(xùn)基地。項(xiàng)目的內(nèi)容要盡可能覆蓋嵌入式領(lǐng)域的內(nèi)容。比如嵌入式項(xiàng)目一般包括需求分析、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)(包括嵌入式OS的選擇)、應(yīng)用程序的開發(fā)與系統(tǒng)測(cè)試幾個(gè)方面。使學(xué)生能夠利用所學(xué)的知識(shí)，并進(jìn)行一定的擴(kuò)展，相關(guān)內(nèi)容還要查閱一定的資料來(lái)解決工程實(shí)際中的問(wèn)題
　　在工程實(shí)踐項(xiàng)目管理上，可能會(huì)出現(xiàn)項(xiàng)目經(jīng)理人數(shù)不足的情況，可以在學(xué)生中選取項(xiàng)目組組長(zhǎng)，來(lái)協(xié)助項(xiàng)目經(jīng)理解決問(wèn)題。整個(gè)實(shí)訓(xùn)基地采取層層負(fù)責(zé)制，使每個(gè)項(xiàng)目成員各就其職，定期例會(huì)，及時(shí)解決在項(xiàng)目開發(fā)中所遇到的問(wèn)題。
　　
　　2　嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法的改進(jìn)
　　
　　嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是面向市場(chǎng)需求，培養(yǎng)不同層次的基礎(chǔ)扎實(shí)、學(xué)科交叉、具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、交流溝通能力的高層次、復(fù)合型、應(yīng)用型軟件工程技術(shù)和軟件管理人才。學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)工程的基本知識(shí)、基本概念、基本方法和技能，掌握目前流行的嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式程序設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、常用電路設(shè)計(jì)以及軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，并具有一定的動(dòng)手能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，具有工程實(shí)踐能力和外語(yǔ)應(yīng)用能力，能夠在相關(guān)領(lǐng)域從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)工作?；谶@一目標(biāo)，要在教學(xué)方法和手段上下功夫。
　　
　　2.1　知識(shí)點(diǎn)細(xì)化
　　在嵌入式系統(tǒng)理論教學(xué)方面，要將知識(shí)點(diǎn)細(xì)化，讓學(xué)生深入到理論中去。例如，在講解ARM中斷原理與指令流水線執(zhí)行關(guān)系時(shí)，可以作如下分析：ARM處理器中斷的發(fā)生具有不確定性，與當(dāng)前所執(zhí)行的指令沒(méi)有任何關(guān)系。在中斷發(fā)生時(shí)，ARM處理器總是會(huì)執(zhí)行完當(dāng)前正被執(zhí)行的指令，然后才會(huì)去響應(yīng)中斷。如圖3所示，在0x9000處的指令A(yù)DD執(zhí)行期間IRQ中斷發(fā)生了，但這時(shí)要等待ADD指令執(zhí)行完畢。ADD執(zhí)行完畢后，IRQ立即獲得了執(zhí)行單元，ARM處理器開始處理IRQ中斷，進(jìn)行保存程序返回地址并調(diào)整程序指針指向0x18內(nèi)存單元。在0x18處有IRQ中斷向量(也就是跳向IRQ中斷服務(wù)的指令)，接下來(lái)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，因此流水線又被阻斷了，執(zhí)行0x18處指令的過(guò)程同帶有分支指令的流水線。
　　
　　
　　2.2　難點(diǎn)分解與形象化演示
　　嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，學(xué)生往往對(duì)硬件知識(shí)的掌握比較困難，在嵌入式系統(tǒng)硬件知識(shí)教學(xué)方面，要將知識(shí)點(diǎn)分解并制作相應(yīng)的動(dòng)畫，使學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)。例如，在講解ARM嵌入式體系結(jié)構(gòu)的LCD接口與顯示原理時(shí)，可以制作如圖4所示的Flash動(dòng)畫，用單步的方式描述其通信原理，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生易于接授理論知識(shí)，從而提高教學(xué)效果。
　　
　　
　　3　結(jié)語(yǔ)
　　
　　嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展，必然要求高校的培養(yǎng)體系與教學(xué)模式不斷改進(jìn)并與之相適應(yīng)。本文基于嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的新需求，制訂培養(yǎng)目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上提出了嵌入式方向的培養(yǎng)課程體系，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中要注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與開放性實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生打好基礎(chǔ)功底。最后將學(xué)生送入實(shí)訓(xùn)基地做企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，為學(xué)生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法上提出理論知識(shí)點(diǎn)細(xì)化、難點(diǎn)分解與動(dòng)畫形象化演示，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。
　　
　　
　　
　　(編輯：白