陳乃金，周鳴爭(zhēng)

(安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

隨著國(guó)際上深亞微米超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，各種具有集成度高、低功耗、高可靠性、高性能等特點(diǎn)的微處理器系統(tǒng)芯片被相繼研發(fā)成功，從而使得架構(gòu)嵌入式智能控制計(jì)算系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)的融合成為可能，而且各種微型嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷?，例如，個(gè)人手機(jī)、智能家電、汽車(chē)電子、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)也是一門(mén)綜合性課程，它涉及數(shù)字與模擬電路、系統(tǒng)芯片版圖設(shè)計(jì)與流片、門(mén)級(jí)、寄存器級(jí)、linux等操作系統(tǒng)、微機(jī)接口技術(shù)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的嵌入與融合等諸多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，這就對(duì)“嵌入式計(jì)算系統(tǒng)”課程群的設(shè)計(jì)與教學(xué)提出了一定的挑戰(zhàn)。“嵌入式系統(tǒng)”課程群融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與電子信息工程、通信工程、應(yīng)用與計(jì)算數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的課程群和教學(xué)理念已不能適應(yīng)“嵌入式計(jì)算控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)。故以“嵌入式計(jì)算控制系統(tǒng)”課程群為中心開(kāi)展研究性和創(chuàng)新性教學(xué)，激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的解決分析問(wèn)題能力、善于思考問(wèn)題的能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力等是現(xiàn)代高等教育迫切解決的問(wèn)題之一。［1］

1 嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是以設(shè)計(jì)、應(yīng)用、開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)多指標(biāo)評(píng)測(cè)等為中心，以微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為基礎(chǔ)，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相融合，軟硬件可裁剪，要求系統(tǒng)功能強(qiáng)，可靠性高，安全性好，成本和體積小，功耗低，具備智能性、可計(jì)算性、可控制性的計(jì)算系統(tǒng)，它屬于并沒(méi)有脫離計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)范疇，可有計(jì)算與存儲(chǔ)功能，可與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算相融合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):①具有控制與計(jì)算功能。②具有高可靠性、低功耗等功能。③具有可裁剪、擴(kuò)展和融合的功能。

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的課程體系

通過(guò)對(duì)本科生教學(xué)及結(jié)合嵌入式領(lǐng)域相關(guān)項(xiàng)目研究的實(shí)際，加深了對(duì)嵌入式計(jì)算控制系統(tǒng)了解，圖1給出了大致的嵌入式計(jì)算控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用、開(kāi)發(fā)的課程體系，僅僅是給不同辦學(xué)定位的大學(xué)教學(xué)科研人員參考。

因?yàn)橛蓤D1可知嵌入式系統(tǒng)涉及了軟、硬件、微電子、數(shù)學(xué)等諸多知識(shí)，所以?xún)H僅通過(guò)增加二、三門(mén)嵌入式的課程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于不同大學(xué)的辦學(xué)定位、不同學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)背景、嵌入式計(jì)算控制系統(tǒng)課程群涉及的課程多、課時(shí)少的實(shí)際情況，所以設(shè)置相應(yīng)的嵌入式課程群差別較大。

我校的辦學(xué)定位是面向應(yīng)用的，所以在嵌入式課程體系設(shè)計(jì)上，我們規(guī)劃了2門(mén)課程:《嵌入式操作系統(tǒng)(以μCOS/Ⅱ和μCLinux為主)》、《嵌入式指令系統(tǒng)及C/C++開(kāi)發(fā)》，由于WinCE、VxWorks等嵌入式操作系統(tǒng)不開(kāi)源，需要購(gòu)買(mǎi)，所以沒(méi)有考慮，而且我們正在規(guī)劃《嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)概論》、《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用》2門(mén)課程，因?yàn)樵搩砷T(mén)課程與嵌入式在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸及開(kāi)發(fā)方面有較為緊密的聯(lián)系。

圖1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)課程體系(包括設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā))

3 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)探討

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

我們采用嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)包括兩種類(lèi)型:①博創(chuàng)UP-NETARM3000(ARM7 TDMI處理器)實(shí)驗(yàn)箱30套，其包括主板、JTAG實(shí)時(shí)仿真器接口(14pin和10pin兩種標(biāo)準(zhǔn))、PC機(jī)、相關(guān)的串口、并口線、以太網(wǎng)線、CAN總線等。采用的操作系統(tǒng)是μCOS/Ⅱ，理由是該操作系統(tǒng)免費(fèi)且覆蓋了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的功能，簡(jiǎn)單易學(xué)，特別適合初學(xué)者。②S3C2410(ARM9處理器)實(shí)驗(yàn)箱10套，實(shí)驗(yàn)采用的操作系統(tǒng)是μCLinux，目的是結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使本科生或研究生對(duì)基于流水線架構(gòu)的哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有實(shí)物上的理解，同時(shí)開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用工程軟件。

3.2 理論教學(xué)

我們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)教學(xué)方面參考了文獻(xiàn)［4-6］，并且在文獻(xiàn)［7］約定的內(nèi)容教學(xué)之上，我們?cè)黾恿艘韵陆虒W(xué)內(nèi)容:

(1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模探討;

(2)基于嵌入式系統(tǒng)寄存器級(jí)和系統(tǒng)級(jí)軟件仿真評(píng)測(cè)的開(kāi)發(fā)。

(3)嵌入GPRS和GSM等構(gòu)成移動(dòng)通信終端，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)，短消息收發(fā)等講解，并增加了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)的串講。

(4)加強(qiáng)了linux操作系統(tǒng)的命令講解、在linux軟件開(kāi)發(fā)、內(nèi)核調(diào)度算法等方面做到精講精練。

(5)嵌入式多核處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹及l(fā)inux多核多線程技術(shù)的講解。

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在文獻(xiàn)［7］約定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)之上，我們重點(diǎn)對(duì)以下幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了加強(qiáng):

(1)各個(gè)API接口函數(shù)的熟悉使用。

(2)基于μCOS/Ⅱ操作系統(tǒng)的音視頻采集播放實(shí)驗(yàn)、基于嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的數(shù)字圖像處理及人臉、指紋識(shí)別模塊實(shí)驗(yàn)，Web服務(wù)器實(shí)驗(yàn)等較大適用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

(3)嘗試難度較大硬件擴(kuò)展模塊實(shí)驗(yàn)例如:語(yǔ)音匹配的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等。

(4)進(jìn)一步熟練掌握程序裝載(Bootloader)、內(nèi)核移植和編譯實(shí)驗(yàn)，內(nèi)核、根文件系統(tǒng)燒寫(xiě)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)在下載出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行分析并給予解決。

(5)增加嵌入式系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)，如進(jìn)行機(jī)器人搬運(yùn)賽課程設(shè)計(jì)等。

學(xué)生的本門(mén)課的成績(jī)構(gòu)成為:期末考試(40%)+平時(shí)實(shí)驗(yàn)(20%，包括考勤+提問(wèn)+作業(yè)等)+課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(40%)，從而真正做到了提高學(xué)生動(dòng)手能力成績(jī)的比重。

4 實(shí)際教學(xué)效果

表1給出了我?！扒度胧较到y(tǒng)”課程體系建設(shè)前后的比較結(jié)果，并同時(shí)達(dá)到以下教學(xué)效果:

(1)學(xué)生不但了解嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，而且可以通過(guò)編譯好的程序下載到開(kāi)發(fā)版，實(shí)現(xiàn)脫離PC運(yùn)行的實(shí)際效果。

(2)學(xué)生動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)，例如在專(zhuān)業(yè)老師的指導(dǎo)下，我院學(xué)生分別在“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽安徽賽區(qū)，“紫光優(yōu)藍(lán)”杯2012年安徽省第四屆機(jī)器人大賽暨全國(guó)機(jī)器人邀請(qǐng)賽機(jī)器人搬運(yùn)等大賽中獲獎(jiǎng)。

表1 “嵌入式系統(tǒng)”課程建設(shè)前后的比較

5 結(jié)語(yǔ)

5年來(lái)的嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐證明，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)、研發(fā)嵌入式系統(tǒng)的主動(dòng)性，提高了學(xué)生解決問(wèn)題和獨(dú)立思考的能力。目前我院嵌入式系統(tǒng)的改革仍然在進(jìn)行中，例如我院已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)一套與嵌入式系統(tǒng)相融合的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，建立了本科生嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)滲透綜合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、互動(dòng)交流、勤于思考，敢于創(chuàng)新等理念來(lái)進(jìn)一步完善和優(yōu)化我院嵌入式系統(tǒng)課程群建設(shè)。

［1］ 張福炎，俞建新.漫談當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)［C］∥全國(guó)第五屆嵌入式系統(tǒng)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，北京:北航出版社，2004:82-84.

［2］ 何立民.嵌入式系統(tǒng)定義域發(fā)展歷史［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(1):6-8.

［3］ 何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(10):5-7.

［4］ 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā):基于ARM微處理器與μCOS/Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］ 李駒光.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)詳解:基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計(jì):第2版［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［6］ 凌明，王學(xué)香，鐘銳.電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)探索［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(5):4-6.

［7］ 陳乃金，周鳴爭(zhēng).“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)的設(shè)計(jì)［J］.合肥學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，18(4):82-89.