陳志國， 傅 毅， 孫 俊

(1. 江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2. 無錫城市學(xué)院 電子信息工程系， 江蘇 無錫 214153)

嵌入式是目前最活躍、最有創(chuàng)造力的技術(shù)領(lǐng)域之一[1]，在家用電器、智能儀表、消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、國防和尖端科研等方面都有著廣泛的應(yīng)用。最近，美國的蘋果公司超越微軟成為世界上市值最高的公司，靠的就是其推出的創(chuàng)新型的i系列嵌入式產(chǎn)品(iPod、iPhone及iPad)。因此目前國內(nèi)大部分高校都將嵌入式系統(tǒng)課程作為計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、電子、通信等專業(yè)的必修課程。然而，嵌入式系統(tǒng)并不是一門獨(dú)立的課程，早在2004年，IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)和ACM(Association for Computing Machinery)就認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)的課程至少應(yīng)包括嵌入式微處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)等十幾門課程[2]。目前國內(nèi)開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的高?；旧隙际峭ㄟ^修改教學(xué)計(jì)劃，增設(shè)一門或兩門嵌入式相關(guān)的課程來彌補(bǔ)基礎(chǔ)的不足，這顯然是不夠的[3]。因此，如何適應(yīng)當(dāng)前的形勢和發(fā)展，彌補(bǔ)學(xué)生在相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科上的缺失，提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出社會亟須的創(chuàng)新型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才，是各個高校面臨的問題。

1 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的問題

眾所周知，嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)有兩個顯著特點(diǎn)：一是軟硬件結(jié)合，基本上任何嵌入式產(chǎn)品都是軟硬結(jié)合的產(chǎn)物；二是創(chuàng)新性和應(yīng)用性強(qiáng)，嵌入式系統(tǒng)通常都要針對特定功能進(jìn)行定制，這就需要創(chuàng)新，并能應(yīng)用到產(chǎn)品中去，提升產(chǎn)品競爭力。而當(dāng)前高校的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中還有一些不足之處，主要包含以下幾方面：(1)教材不適合創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。很多教材的組織都將硬件和軟件割裂開來，而嵌入式系統(tǒng)涉及的學(xué)科門類較多，教材又缺乏實(shí)例和直觀性，學(xué)生感到抽象和難以理解，學(xué)習(xí)效果有限；(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能真正鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。由于高校學(xué)生沒有實(shí)際從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，而現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很多都是實(shí)驗(yàn)箱形式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法參與設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)體會不深，無法掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。(3)成績考核方式以試卷為主。對于這種實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，這種課程考核方法效果不理想，不能提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用水平和設(shè)計(jì)能力。鑒于上述嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，本文結(jié)合實(shí)際教學(xué)實(shí)踐，采用軟硬協(xié)同的方法對該課程的教學(xué)提出一些建議和意見。

2 軟硬協(xié)同在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的思路

嵌入式系統(tǒng)的軟硬協(xié)同教學(xué)法強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程中充分結(jié)合軟件硬件知識，對教學(xué)過程中較難理解的硬件(軟件)上的知識點(diǎn)，就通過結(jié)合相應(yīng)的軟件(硬件)知識來闡述，往往可以起到事半功倍的效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，舉一反三，體會嵌入式系統(tǒng)軟硬結(jié)合的思想，提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

為了提高嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量，我們以“提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力”為出發(fā)點(diǎn)[4]，積極探索嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法的改革。首先要做的是積極遴選順應(yīng)嵌入式技術(shù)發(fā)展的相關(guān)教材、參考資料和技術(shù)文獻(xiàn)，然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合軟硬協(xié)同教學(xué)法，提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的興趣，讓學(xué)生主動參與到學(xué)習(xí)中來。軟硬協(xié)同教學(xué)法能充分化解課程中的難點(diǎn)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)挫敗感，加深對嵌入式系統(tǒng)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)造力，融會貫通以往的學(xué)習(xí)知識，掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識來分析問題、解決問題的能力。

2.1 通過軟硬協(xié)同教學(xué)實(shí)現(xiàn)教學(xué)做合一

陶行知先生說過：“教學(xué)做是一件事，不是三件事。我們要在做上教，在做上學(xué)。不在做上用功夫，教固不成為教，學(xué)也不成為學(xué)”[5]?？梢哉f，陶行知先生的這句話道出了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的精髓，也體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)高度軟硬結(jié)合的特征，我們的軟硬協(xié)同教學(xué)法也正是遵循這一教學(xué)原則來開展。

現(xiàn)在很多的嵌入式系統(tǒng)教材都將硬件和軟件方面的知識在組織上分開，而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)又不能很好地將軟硬件知識結(jié)合起來，如果不在教學(xué)方法上下工夫，教學(xué)效果就可想而知。軟硬協(xié)同教學(xué)法強(qiáng)調(diào)在硬件學(xué)習(xí)中加入軟件實(shí)現(xiàn)，在軟件學(xué)習(xí)中加入硬件分析，并將各種相關(guān)知識有效融合，形成一種發(fā)散型思維模式。

例如，在講述“ARM處理器結(jié)構(gòu)”時(shí)，有一個軟硬關(guān)聯(lián)的知識點(diǎn)：“三級流水線時(shí)R15保存的不是當(dāng)前指令地址，而是當(dāng)前指令地址+8。”。

這個問題從理論上解釋比較抽象，學(xué)生也似懂非懂，所以建議暫時(shí)將該問題放下，等到實(shí)驗(yàn)課時(shí)在ARM的IDE(Integrated Development Environment)中寫一條簡單指令：

MOV R0,PC

執(zhí)行到該語句時(shí)記下當(dāng)前PC值(假設(shè)為0x8000)，然后單步執(zhí)行該語句后觀察R0的值(應(yīng)為0x8008)，此時(shí)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“[PC]=當(dāng)前指令地址+8”。然后再回到硬件上分析ARM的三級流水線結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 ARM7三級流水線

從圖1中可見，當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行時(shí)，CPU已經(jīng)在對第三條指令取指，即在三級流水線中，R15(PC)總是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在執(zhí)行”的指令，因此“[PC]=當(dāng)前指令地址+8”。

通過上述解釋，學(xué)生對流水線的概念有了一個基本理解，但有學(xué)生會問：從三級流水線推斷，ARM9的五級流水線，[PC]=當(dāng)前指令地址+16嗎？答案是否定的。因?yàn)锳RM9的五級流水線分為：取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回，雖然流水線深度是五級，但是當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行時(shí)，是第三條指令正在取指，所以ARM9與ARM7一樣：[PC]=當(dāng)前指令地址+8。

此時(shí)，學(xué)生會問：既然如此，五級流水線和三級流水線有什么區(qū)別，哪個更好呢？該問題要辯證看待，流水線深度越深，指令的吞吐量越高，每一段的工作量越少，處理器就可以運(yùn)行在更高的頻率，運(yùn)算性能也更好，但也增加了流水線延遲(內(nèi)核需要更多周期填充流水線)，對硬件設(shè)計(jì)的要求也更高，所以流水線深度并不是越深越好。至于五級流水線和三級流水線哪個好，需要引導(dǎo)學(xué)生回顧“ARM體系結(jié)構(gòu)”的知識。從ARM9開始，流水線就變成了哈弗結(jié)構(gòu)，而ARM7還是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)單一存儲，統(tǒng)一編址，指令和數(shù)據(jù)不能同時(shí)存取，所以儲存器訪存指令(LDR、STR)會嚴(yán)重阻塞流水線，造成效率下降；哈弗結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)分開存儲，獨(dú)立編址，流水線上的“取指”和“訪存”可以并行，執(zhí)行效率更高。

然后再引導(dǎo)學(xué)生回到軟件上來：在ARM的IDE中下載一段程序，打開Memory窗口，輸入下載地址，便能清楚看到ARM7的指令和數(shù)據(jù)存放在統(tǒng)一編址的同一存儲區(qū)；而ARM9的指令和數(shù)據(jù)分別存放在兩個獨(dú)立編址的存儲區(qū)。

正是通過上面的這種從硬件到軟件，再從軟件到硬件的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了在做上教，在做上學(xué)，讓學(xué)生深刻理解所學(xué)知識，并能舉一反三，也體現(xiàn)了陶行知先生的“教學(xué)做合一”的教學(xué)理念。

2.2 通過軟硬協(xié)同教學(xué)化解課程中的難點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)這門課程由于涉及很多的抽象概念和理論，很多同學(xué)又缺乏相應(yīng)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，所以導(dǎo)致學(xué)習(xí)該課程時(shí)存在較高的難度。此時(shí)如果能將那些抽象概念和晦澀的理論通過軟硬協(xié)同教學(xué)法進(jìn)行闡述，就能使復(fù)雜問題簡單化，抽象概念具體化，從而有效化解教學(xué)中的難點(diǎn)，幫助學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的掌握。

比如“指令系統(tǒng)”的章節(jié)中有一個“合法立即數(shù)”的概念，很多同學(xué)不是很明白，因?yàn)橐郧皩W(xué)習(xí)的x86 CPU中沒有這個概念，此時(shí)如果一味地照搬教材中的說法給學(xué)生講解如何通過計(jì)算和循環(huán)移位得到合法立即數(shù)，學(xué)生肯定還是一頭霧水，不知所云，從而從內(nèi)心產(chǎn)生畏懼感，喪失學(xué)好這些知識的信心。如果這個知識難點(diǎn)采用軟硬協(xié)同教學(xué)法進(jìn)行解釋就會事半功倍，學(xué)生也會很容易接受。

要理解什么是“合法立即數(shù)”，首先要讓學(xué)生理解ARM的指令編碼格式，很多教材上都沒有相應(yīng)的實(shí)例，更沒有軟硬結(jié)合的分析過程，學(xué)生看到的只是枯燥的概念和表格，因此難以理解。ARM的指令編碼格式和ARM的體系結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，因?yàn)锳RM體系結(jié)構(gòu)主要采用了Berkeley RISC處理器設(shè)計(jì)中的若干特征：Load/Store體系結(jié)構(gòu)；固定32位指令；3地址指令格式。由于ARM采用“固定32位指令”，所以指令編碼中用來存放“立即數(shù)”的位數(shù)就受到限制：只有最低12位，而且進(jìn)行了編碼，這個“立即數(shù)”=“低8位0擴(kuò)展到32位”再循環(huán)右移“高4位乘以2”位得到，這和x86這種CISC處理器有很大區(qū)別，所以學(xué)生不容易理解。

為了理解這個“合法立即數(shù)”的概念，我們再從軟件上入手，在ARM的IDE中輸入一條指令：

MOV R0,#0x0000F200 ; 0x代表16進(jìn)制數(shù)

然后在反匯編的窗口觀察該指令的機(jī)器碼為：E3A00CF2。然后引導(dǎo)學(xué)生去查閱ARM的硬件數(shù)據(jù)表(datasheet)[6]，并分析該機(jī)器碼的組成，如表1所示，其中Operand2為“CF2”，代表立即數(shù)“0x0000F200”，因?yàn)?x0000F200是由0x000000F2循環(huán)右移24(0xC×2=24)位得到。

通過這種軟硬協(xié)同分析，學(xué)生對“合法立即數(shù)”有了確切的理解，也明白了ARM的指令編碼。通過這種軟硬協(xié)同教學(xué)法，可以讓學(xué)生更清晰了解知識的來龍去脈，并學(xué)會如何查閱相關(guān)技術(shù)手冊和文檔，對以后走上工作崗位也是一種很好的鍛煉。

2.3 通過軟硬協(xié)同教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力

嵌入式系統(tǒng)是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，所以實(shí)驗(yàn)顯得尤為重要。但現(xiàn)行的很多實(shí)驗(yàn)課程都是實(shí)驗(yàn)箱形式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對提高學(xué)生的動手能力幫助不大。如果能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中適當(dāng)加入一些需要軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能提高學(xué)生的實(shí)際動手能力。

例如，在做“液晶顯示實(shí)驗(yàn)”的時(shí)候，我們設(shè)計(jì)了一個“將自己頭像顯示在液晶屏上”的實(shí)驗(yàn)，通過這個實(shí)驗(yàn)的分析和討論，同學(xué)們不僅明白了ARM的LCD控制器的8位彩色編碼格式和屏幕分辨率等硬件知識，而且學(xué)會了如何編程將24位圖片的像素點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換為ARM的顯示數(shù)組。當(dāng)程序經(jīng)過多次修改和調(diào)試，有同學(xué)看到自己的頭像通過自己編寫的程序顯示在液晶屏上時(shí)，那種成就感和滿足感只有親身經(jīng)歷者才能體會。

當(dāng)然，這種軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)需要根據(jù)教學(xué)特點(diǎn)來開展，最好能夠因勢利導(dǎo)并結(jié)合學(xué)生的興趣愛好，給學(xué)生留有足夠的思考空間和適當(dāng)?shù)木幊屉y度，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

2.4 通過軟硬協(xié)同教學(xué)貫通整門課程所學(xué)的知識

每當(dāng)嵌入式系統(tǒng)課程快結(jié)束時(shí)，很多學(xué)生都覺得自己學(xué)到的都是一些相對零散的知識，缺乏一條主線將這些散落的知識點(diǎn)串起來，既不能從全局的角度來看待問題，也不能靈活運(yùn)用這些知識。此時(shí)，很需要一個軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的綜合系統(tǒng)來貫通整門課程的各個知識點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的整體把握，提高學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力和分析問題、解決問題的能力。

例如，在學(xué)習(xí)完“嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)”課程后，我們布置了一個需要軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的綜合系統(tǒng)“局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)既涉及嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)硬件資源，如鍵盤、LCD液晶屏、LED發(fā)光二極管、以太網(wǎng)、IIS總線等，又涉及嵌入式操作系統(tǒng)和相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。通過這樣一個綜合系統(tǒng)的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)，既能將嵌入式系統(tǒng)的軟硬件知識結(jié)合起來，又可以讓學(xué)生初步掌握實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程和技巧，為以后從事相關(guān)行業(yè)打好基礎(chǔ)。

2.5 通過軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)為課程考核提供思路

嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的試卷考核方式已經(jīng)非常不適合用于這種高度軟硬結(jié)合的課程。為了更好地考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用水平，我們采用綜合課程設(shè)計(jì)對該課程進(jìn)行考核。設(shè)計(jì)的題目應(yīng)該緊扣教學(xué)內(nèi)容的核心知識，從軟件和硬件兩方面進(jìn)行考慮，同時(shí)為學(xué)生提供必要的啟發(fā)和提示，并預(yù)留一定的擴(kuò)展空間。例如，綜合課程設(shè)計(jì)的題目可以是“液位控制系統(tǒng)”、“溫度檢測裝置”、“遙控電動小車”、“簡易錄音筆”等，甚至可以是學(xué)生的自主創(chuàng)新項(xiàng)目。

3 嵌入式系統(tǒng)軟硬協(xié)同教學(xué)中應(yīng)注意的問題

1) 軟硬協(xié)同教學(xué)應(yīng)當(dāng)緊扣課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)大綱。

2) 軟硬協(xié)同教學(xué)應(yīng)遵循“教學(xué)做合一”的原則。

3) 軟硬協(xié)同教學(xué)應(yīng)當(dāng)為學(xué)生提供必要的想象空間，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

表1 ARM指令編碼格式

4) 軟硬協(xié)同教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)、開放，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動參與。

4 結(jié)語

教學(xué)是一門科學(xué)，也是一門藝術(shù)，是科學(xué)與藝術(shù)的統(tǒng)一，也是“教”、“學(xué)”、“做”的統(tǒng)一。嵌入式系統(tǒng)作為一門應(yīng)用性強(qiáng)、發(fā)展快、知識面廣的課程，其教學(xué)改革是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。

軟硬協(xié)同教學(xué)法在激發(fā)學(xué)生興趣、提高教學(xué)效果方面發(fā)揮了較好的作用，但與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，還沒有形成統(tǒng)一的教學(xué)規(guī)律，教師需要花更多精力去探尋知識點(diǎn)的軟硬協(xié)同切入點(diǎn)，在課后輔導(dǎo)上也需要投入更多心血。這一切都需要任課教師更多無私的付出和努力，但作為一種能提升教學(xué)效果、增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)模式，還是非常值得我們?nèi)ミM(jìn)一步的嘗試和探索。

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