焦　俊，何如海，王永梅，范國華，馬慧敏

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 1.信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院2.經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

?

基于軟硬件互補(bǔ)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)

焦俊1，何如海2，王永梅1，范國華1，馬慧敏1

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 1.信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院2.經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

摘要：本文分析了當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方面存在的問題。圍繞嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容，提出了嵌入式軟硬件互補(bǔ)的教學(xué)方法。在嵌入式系統(tǒng)互補(bǔ)教學(xué)、疑難問題解決和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾方面，以具體實(shí)例闡述了軟硬件互補(bǔ)教學(xué)的具體措施。教學(xué)實(shí)踐表明，軟硬件互補(bǔ)教學(xué)方法能夠有效解決課程中的難點(diǎn)，提高學(xué)生對課程的掌握程度。

關(guān)鍵詞：軟硬件互補(bǔ)；嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是指“嵌入到對象體系中的、用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。嵌入式是目前最活躍、最具有創(chuàng)造力的技術(shù)之一，在智能儀器儀表、消費(fèi)電子、國防和工業(yè)控制等方面都有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。

國內(nèi)大部分高等院校都將嵌入式系統(tǒng)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。在2004年，IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)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)等課程。國內(nèi)開設(shè)嵌人式系統(tǒng)課程的高校是通過增設(shè)一門或幾門嵌入式相關(guān)的課程來彌補(bǔ)基礎(chǔ)的不足，顯然這是不夠的[2]。因此，如何充實(shí)學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)課程上的薄弱環(huán)節(jié)，提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出滿足社會需求的創(chuàng)新型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才，是各個(gè)開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程高校面臨的實(shí)際問題。本文以農(nóng)林院校電子信息專業(yè)學(xué)生開設(shè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)進(jìn)行研究和探討，尋求一套行之有效的教學(xué)方法。

1嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題

學(xué)習(xí)“嵌入式系統(tǒng)”課程前，需要先修“數(shù)字電子技術(shù)”，“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)”，“計(jì)算機(jī)組成原理”，“微機(jī)接口”等基礎(chǔ)課程。“嵌入式系統(tǒng)”的教學(xué)主要分為兩類：一類是硬件，以嵌入式處理器為核心；一類是操作系統(tǒng)，以嵌入式操作系統(tǒng)(比如：Linux或wince)為主[3]。由于學(xué)時(shí)數(shù)以及專業(yè)方向要求的限制，該課程的教學(xué)只能屬于其中的一類。

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)容更新很快，而且具有高度的學(xué)科交叉特點(diǎn)。因此，“嵌入式系統(tǒng)”的教學(xué)要緊跟產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，更新教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生感受和理解技術(shù)進(jìn)步的過程以及自主學(xué)習(xí)的基本能力。然而，目前的“嵌入式系統(tǒng)”的教學(xué)還沒有做到根據(jù)應(yīng)用的發(fā)展和需求的變化來調(diào)整授課內(nèi)容、授課思路和授課方式。主要體現(xiàn)在以下幾方面：①部分高校對嵌人式技術(shù)的概念理解模糊，對教學(xué)內(nèi)容了解不深入，難以將嵌入式內(nèi)容與前期課程的內(nèi)容結(jié)合起來，缺乏全局觀念。②教材在章節(jié)的安排上將硬件和軟件分裂開來，教材缺乏具有可操作性的實(shí)例，使學(xué)生感到抽象和難以理解，學(xué)習(xí)效果有限；③由于學(xué)生沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，而且現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大都是利用實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏綜合設(shè)計(jì)的思路和體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)體會不深，無法掌握嵌人式系統(tǒng)軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)方法[4]。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，采用軟硬件互補(bǔ)的方法對該課程教學(xué)。

2軟硬件互補(bǔ)教學(xué)

在嵌入式系統(tǒng)軟硬件互補(bǔ)教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)軟件知識與硬件知識的互補(bǔ)性[5]，對于難以理解的硬件或軟件知識點(diǎn)，通過結(jié)合相應(yīng)的軟件或硬件知識來闡述，由此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生深層次思考，舉一反三，提高教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

2.1軟硬件互補(bǔ)教學(xué)

現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)教材，大都將嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件知識在教材的章節(jié)編排上分開，產(chǎn)生軟硬件脫節(jié)現(xiàn)象，使學(xué)生覺得嵌入式系統(tǒng)難學(xué)難用，教學(xué)效果不理想。軟硬件互補(bǔ)教學(xué)是在硬件學(xué)習(xí)中增加軟件實(shí)現(xiàn)，軟件學(xué)習(xí)中添加硬件分析內(nèi)容，使學(xué)生同步獲得嵌入式系統(tǒng)的軟硬件知識。例如，在講解有關(guān)ARM處理器結(jié)構(gòu)中指令流水線知識時(shí)，“三級流水線結(jié)構(gòu)的R15保存的不是當(dāng)前指令地址，而是當(dāng)前指令地址+8”[5]，很多學(xué)生對此難以理解。為此，實(shí)驗(yàn)時(shí)，在ARM的IDE(Integrated Develo- pment Environment)中寫一條指令：MoV R0，PC，執(zhí)行到該語句時(shí)記下當(dāng)前PC值(假設(shè)為0x2000)，然后單步執(zhí)行該語句后觀察R0的值為0x2008，此時(shí)“[PC]=當(dāng)前指令地址+8”。

圖1　ARM的三級流水線

從圖1的ARM的三級流水線結(jié)構(gòu)可知，流水線使用3個(gè)階段，指令分3個(gè)階段執(zhí)行，其中，

取指：從存儲器裝載一條指令。

譯碼：識別將要被執(zhí)行的指令。

執(zhí)行：處理指令并將結(jié)果寫回寄存器。

上述每一操作都需要一個(gè)時(shí)鐘周期，因此一條正常的指令需要3個(gè)時(shí)鐘周期才能完成。由于流水線分為3段，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成一條指令。從圖1可見，當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行時(shí)，CPU開始對第三條指令取指，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”。

圖2　ARM的五級流水線

這樣使學(xué)生對三級流水線的指令執(zhí)行有一個(gè)感性認(rèn)識，那么學(xué)生會問五級流水線的[PC]=當(dāng)前指令地址+16？七級流水線的[PC]=當(dāng)前指令地址+24？答案是否定的。ARM9的五級流水線分為：取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回，流水線深度是五段，其中，取指、譯碼和執(zhí)行的功能與三級流水線的功能一致。

緩沖/數(shù)據(jù)：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲器，否則ALU只是簡單地緩沖一個(gè)時(shí)鐘周期，以便實(shí)現(xiàn)所有的指令具有同樣的流水線流程。

回寫：將指令產(chǎn)生的結(jié)果回寫到寄存器堆棧，包括任何從存儲器讀取的數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行時(shí)，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。

那么，流水線級數(shù)是多好還是少好呢？流水線級數(shù)越多，對硬件的要求會更高，增大指令的吞吐量，每一段所做工作會減少，處理器可以以高頻率運(yùn)行，提高運(yùn)算性能，但是帶來了增加流水線延遲的問題，所以流水線深度并不是越深越好。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。

這樣，可以使學(xué)生加深理解R15中保存當(dāng)前指令的地址與硬件關(guān)系。

2.2軟硬件互補(bǔ)解決課程難點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)涉及很多的概念理論，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)全面掌握完整的基礎(chǔ)理論知識，所以學(xué)生普遍認(rèn)為該課程較難，若能將這些理論通過軟硬件互補(bǔ)教學(xué)法進(jìn)行闡述，可以使復(fù)雜問題簡單化，抽象概念具體化，從而有效地化解教學(xué)中的疑點(diǎn)和難點(diǎn)。比如,在ARM處理器的匯編語言中，為什么會對指令語法格式中的的常數(shù)表達(dá)式做出如下規(guī)定：該常數(shù)必須對應(yīng)8位位圖[7]，即常數(shù)是由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)移偶數(shù)位得到。要理解這個(gè)問題，首先要讓學(xué)生理解ARM指令系統(tǒng)的語法格式。ARM體系結(jié)構(gòu)主要采用了RISC處理器設(shè)計(jì)中的若干特征，固定32位指令，指令的語法格式分為如下幾個(gè)部分：

〈opcode〉{}{S}

〈Rd〉,〈Rn〉{,〈op2 〉}

其中，Opcode指令助記符;Cond指令執(zhí)行條件；S是否影響CPSR寄存器的值，書寫時(shí)影響CPSR，否則不影響；Rd目標(biāo)寄存器；Rn第一個(gè)操作數(shù)的寄存器；op2第二個(gè)操作數(shù)。

指令編碼格式為：

31-2827-2524-212019-1615-1211-0cond001opcodesRnRdop2

當(dāng)?shù)趏p2的形式為#immed_8r常數(shù)表達(dá)式時(shí)，該常數(shù)必須對應(yīng)8位位圖，即常數(shù)是由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)移位偶數(shù)位得到。因?yàn)锳RM處理#immed_8r這個(gè)32位數(shù)時(shí)，它是由一個(gè)8位數(shù)(比如01011010，即0x5A)通過循環(huán)移位偶數(shù)位得到(1000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0110)，就是0x5A通過循環(huán)右移2位(偶數(shù)位)得到的。而1010 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0110，就不符合這樣的規(guī)定，編譯時(shí)會出錯(cuò)。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)不能通過將1011 0101循環(huán)右移位偶數(shù)位得到。

從指令編碼格式中的op2所占的12位數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，要用一個(gè)12位的編碼來表示任意的32位數(shù)是不可能的。因?yàn)?2位數(shù)有2^12種數(shù)，而32位數(shù)有2^32種數(shù)，要用12位的編碼來表示32位數(shù)，只有在表示數(shù)的數(shù)量上做限制。通過編碼來表示32位數(shù)，在12位的op2中8位存數(shù)據(jù)，4位存移位的次數(shù)。其中：

8位存數(shù)據(jù)：表示該常數(shù)必須對應(yīng)8位位圖。

4位存移位的次數(shù)：表明只能移偶數(shù)位。

4位只有16種可能值，而32位數(shù)可以循環(huán)移位32次(32種可能)，那就只能限制移偶數(shù)位。

這樣解決了能表示的數(shù)據(jù)是實(shí)際數(shù)據(jù)一半的矛盾。#immed_8r常數(shù)表達(dá)式的限制，是解決指令編碼的第二個(gè)操作數(shù)位數(shù)不足以表示32位操作數(shù)的有效方法。

從軟件調(diào)試上理解這個(gè)概念，在ARM的IDE中輸入指令：MOV R0，#0x0000F200

在反匯編的窗口發(fā)現(xiàn)該指令的機(jī)器碼為E3A00CF2，再查閱ARM的硬件數(shù)據(jù)表，可以發(fā)現(xiàn)0x0000F200是由0x000000F2循環(huán)右移24(0xC×2=24)位得到。

通過這樣分析，學(xué)生對8位位圖的含義有了深刻的理解，掌握了ARM指令格式及編碼格式，同時(shí)教會學(xué)生對難點(diǎn)問題的分析和解決方法。

2.3軟硬件互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力

嵌入式系統(tǒng)是一門注重實(shí)踐的課程，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、理解嵌入式基礎(chǔ)理論、操作系統(tǒng)的裁剪以及程序的設(shè)計(jì)開發(fā)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅涉及課本內(nèi)容，還涉及嵌人式領(lǐng)域當(dāng)前的最新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)向綜合設(shè)計(jì)型過渡。通過基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)平臺、開發(fā)環(huán)境和流程，掌握開發(fā)工具的使用方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示調(diào)試。通過綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)來綜合運(yùn)用嵌入式知識培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

例如，在做Web服務(wù)器實(shí)驗(yàn)時(shí)，老師要求學(xué)生熟悉PXA270RP嵌入式實(shí)驗(yàn)箱，安裝Redhat9在宿主PC機(jī)，并且配置好ARM Linux的開發(fā)環(huán)境[8-9]，學(xué)習(xí)使用socket進(jìn)行通訊編程的過程，了解一個(gè)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用程序整體設(shè)計(jì)，閱讀HTTP 協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)重要網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的使用方法。讀懂HTTPD.C源代碼。在宿主PC 機(jī)上使用瀏覽器測試嵌入式WEB 服務(wù)器的功能。

在宿主PC機(jī)端，打開一個(gè)終端Terminal，啟動(dòng)終端窗口。輸入下列5條命令：

①給PXA270-RP目標(biāo)板上電，并進(jìn)入其操作界面，輸入minicom。

②以root 身份登陸PXA270-RP目標(biāo)板。

③將宿主PC機(jī)的根目錄掛載到PXA270-RP目標(biāo)板的mnt目錄下，輸入mount -o soft，timeo=100，rsize=1024 192.168.0.100://mnt命令。

④進(jìn)入 cd /mnt/pxa270_linux/Experiment_Key/ Web文件夾

⑤運(yùn)行測試程序的目標(biāo)程序httpd，結(jié)果如圖3。再在宿主PC 機(jī)端，打開IE 瀏覽器。輸入：http://192.168.0.50 可以看到打開的百度首頁如圖4。

圖3目標(biāo)程序圖4百度首頁

經(jīng)過多次修改和調(diào)試，學(xué)生看到百度首頁時(shí)，就有種成就感和滿足感，只有親身經(jīng)歷者才能深切體會。

3結(jié)語

針對嵌入式系統(tǒng)概念多、難點(diǎn)多和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出軟硬件互補(bǔ)的教學(xué)方法，通過軟硬件互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)教、學(xué)一體，解決課程中的難點(diǎn)問題，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。這種教學(xué)方法是對嵌人式教學(xué)的有益探索。依據(jù)該教學(xué)方法，對本校電子信息工程專業(yè)的學(xué)生講授嵌人式系統(tǒng)課程的內(nèi)容，教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)方法有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 仲偉波, 包亞萍, 付躍文, 等.關(guān)于嵌人式系統(tǒng)教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2006, 12(25): 1565-1568.

[2] 孫國棟, 田萱, 張海燕. 面向物聯(lián)網(wǎng)的“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的探索[J]. 中國林業(yè)教育, 2014, 32(2): 69-71.

[3] 楊俊成.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)[J].電子科技, 2012,25(9):146-147.

[4] 聞紹飛, 張石, 鮑喜榮,等.淺談ARM7嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2009 (5):53-55.

[5] 譚會生. 基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)探討[J]. 中國電力教育, 2012 (10): 70-71.

[6] 陳志國, 傅毅, 孫俊.軟硬協(xié)同在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的探討[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,12(5): 63-66.

[7] 蔣書波, 王曉榮.嵌人式系統(tǒng)平臺課程體系方法探析[J].中國電力教育, 2013(2): 116-117.

[8] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程(二)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.

[9] 陳侃松, 劉洪波, 熊攀.基于ARM9的嵌入Web服務(wù)器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示的實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014(3): 18- 23.

Teaching of Embedded Systems Course Based on Hardware and Software in Complementary

JIAO Jun1,HE Ru-hai2,WANG Yong-mei1,FAN Guo-hua1,MA Hui-min1

(1.Information and Computer College;2.Economic and technical College,Anhui Agricultural University，Hefei 230036, China)

Abstract:This article analyzes the current existed problems for embedded systems teaching, puts forward the teaching method of embedded software and hardware complementary around the teaching content of embedded systems, expounds the concrete measures of software and hardware of complementary teaching with concrete examples in teaching, solving the problems and experimental design. The result of teaching practice indicates that the teaching method of software and hardware of complementary can solve the difficulty in the course. At the same time, student’s comprehension of course is improved.

Key words:software and hardware complementary,embedded systems, reform in education

文章編號：1007-4260(2015)03-0125-04

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.033

通訊作者：何如海，男，安徽潛山縣人，博士，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事教學(xué)研究工作。

作者簡介：焦俊，男，江蘇南京市人，博士，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，主要從事單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：安徽教育廳省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014jyxm091)和(2014tszy090)。

收稿日期：2015-02-11

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-8-25 15:40網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.033.html