北京理工大學(xué) 馬忠梅

淺談嵌入式人才培養(yǎng)

北京理工大學(xué) 馬忠梅

從1985年初接觸單片機(jī)到現(xiàn)在已有30年，筆者親歷了我國嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展（從單片機(jī)到嵌入式系統(tǒng)，又回歸微控制器），一直從事嵌入式教學(xué)和研究。

1997年，在北京航空航天大學(xué)出版社出版的《單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》是國內(nèi)第一本單片機(jī)C語言書，推廣單片機(jī)編程以C語言為主、匯編語言為輔，采用模塊化的編程方法。為了能運(yùn)行操作系統(tǒng)、連網(wǎng)，由8/16位單片機(jī)發(fā)展到32位ARM嵌入式處理器。2002年，根據(jù)ARM公司提供的資料，筆者組織編寫了國內(nèi)第一本關(guān)于ARM的書——《ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)》。

由8/16位單片機(jī)升級到32位嵌入式處理器，一方面是由于互聯(lián)網(wǎng)的普及和高端應(yīng)用的需求刺激，另一方面是因?yàn)?位單片機(jī)帶給半導(dǎo)體公司的利潤空間已經(jīng)十分有限。2002年起，由全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì)主辦、Intel公司協(xié)辦的“全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽——嵌入式系統(tǒng)專題競賽”，進(jìn)一步豐富了全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的形式和內(nèi)容，推動(dòng)了高校信息電子類專業(yè)教學(xué)改革、課程體系及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，各高校紛紛開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。2003年起，筆者所在學(xué)校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，2004年筆者撰寫了《ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程》，并在本科教學(xué)中使用。

Linux的教學(xué)難度很大，一般要求學(xué)生學(xué)過操作系統(tǒng)。早期教授嵌入式系統(tǒng)課，很大精力耗費(fèi)在教學(xué)生怎么用Linux，直到計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程增加了Linux上機(jī)實(shí)驗(yàn)情況才有所好轉(zhuǎn)，但由于理論課時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，軟硬件很難兼顧。研究生教學(xué)一直沒有放棄單片機(jī)，從研究生教學(xué)調(diào)查來看，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用還是以微控制器為主，因?yàn)槲⒖刂破魇褂昧看?，?yīng)用面廣，已有很好的應(yīng)用基礎(chǔ)。一個(gè)MCU設(shè)計(jì)可以改造一個(gè)舊產(chǎn)品，也可以創(chuàng)造一個(gè)新產(chǎn)品。MCU對于大學(xué)生和研究生來說不僅容易上手，更重要的是集成度高，學(xué)生既方便做電路板，能夠?qū)W習(xí)硬件接口技術(shù)和直接面向硬件的軟件編程技術(shù)，從而對嵌入式軟硬件有深入的理解。

現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)在很大程度上不是由應(yīng)用來推動(dòng)的，而是針對實(shí)驗(yàn)箱廠家提供的內(nèi)容來規(guī)劃授課內(nèi)容。很多內(nèi)容是接口技術(shù)、匯編編程、C語言編程、操作系統(tǒng)移植，甚至只要ARM+Linux就是嵌入式系統(tǒng)。Linux的優(yōu)點(diǎn)是開放源代碼，但存在的問題是沒有固定的團(tuán)隊(duì)支持。一旦碰到難點(diǎn)只能網(wǎng)上求援。很多小公司吃了苦頭，不敢再用Linux做產(chǎn)品，因?yàn)樗麄儫o法把握產(chǎn)品的開發(fā)周期，人員耗費(fèi)的成本巨大。此外，雖然Linux可以免費(fèi)得到，但是其上流行的圖形用戶界面GUI卻是收費(fèi)的，按照GPL協(xié)議還需公開自己的源碼。

從Intel大學(xué)計(jì)劃送給高校教學(xué)用的PDA參考設(shè)計(jì)SitSang開發(fā)板的培訓(xùn)教師角度看，硬件部分的培訓(xùn)教師是開發(fā)板的設(shè)計(jì)者，學(xué)電子技術(shù)的講授硬件原理，軟件只是用C語言編寫測試程序來測試開發(fā)板各個(gè)部件是否工作正常。軟件部分的培訓(xùn)教師是學(xué)計(jì)算機(jī)的，講如何移植Linux、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，可見大公司軟硬件人才的分工是很明確的。反觀我們的嵌入式Linux，還陷在移植和底層接口模塊的使用上，這些適合偏硬件的人員來做，離開發(fā)出產(chǎn)品還相去甚遠(yuǎn)。

半導(dǎo)體廠商偏愛Linux是因?yàn)樗赓M(fèi)，只要移植到評估板上就能證明它的處理器是正常工作的，而真正想要開發(fā)出產(chǎn)品還得搭建應(yīng)用平臺(tái)，目前大廠商都有手機(jī)平臺(tái)或汽車電子平臺(tái)。軟件類嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與硬件類嵌入式系統(tǒng)教學(xué)有所不同，應(yīng)側(cè)重平臺(tái)搭建、GUI應(yīng)用開發(fā)，讓學(xué)生能把自己的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)出來。至于編程，應(yīng)以C語言為主、匯編語言為輔，需優(yōu)化時(shí)采用模塊化混合編程。嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，若成為了理論課就失去了它的意義。

各個(gè)專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)有所側(cè)重，不能千篇一律，只有把國內(nèi)的嵌入式應(yīng)用推動(dòng)起來，培養(yǎng)的學(xué)生才能滿足工作需要。這樣看來，本科教學(xué)電子技術(shù)專業(yè)應(yīng)側(cè)重講接口技術(shù)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，非電類的對象應(yīng)用專業(yè)應(yīng)側(cè)重單片機(jī)接口和C語言編程技術(shù)，計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)側(cè)重GUI應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序。

現(xiàn)在安卓（Android）的開發(fā)板更加方便了應(yīng)用的編程，學(xué)生可在手機(jī)上開發(fā)，完成后再移植到實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)板上。操作系統(tǒng)移植并非一般教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)安排在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)或研究生階段，實(shí)際教學(xué)能做到“師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個(gè)人”即可，主要是培養(yǎng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的興趣，而不是由于涉及面太廣、難度太大，使學(xué)生們望而生畏。各高校嵌入式系統(tǒng)課程多為選修課，學(xué)時(shí)有限，規(guī)劃主要教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)是教師的首要任務(wù)。

ARM公司推出專門針對微控制器市場Cortex-M內(nèi)核后，微控制器的選型不再以8位、16位和32位來區(qū)分，而是以高、中、低檔芯片來劃分。因?yàn)檫@些微控制器都有統(tǒng)一的機(jī)“芯”，區(qū)別只是它們的外圍部件和廠商的技術(shù)支持不同。這樣，工具和軟件都可以重復(fù)使用，不用購置各種開發(fā)工具。事實(shí)上，在芯片的整個(gè)成本中CPU只占很少的一部分，芯片的價(jià)格不是由CPU核來定的，再按位數(shù)來評價(jià)MCU已經(jīng)沒有意義，應(yīng)按外圍部件和Flash容量等來定。這顯現(xiàn)出通用的內(nèi)核、廣泛的支持、一致的開發(fā)環(huán)境是未來的發(fā)展趨勢，也是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的新曙光。

2010年筆者撰寫了《ARM Cortex微控制器教程》，包括4家公司的MCU，主要涉及GPIO、中斷和定時(shí)器的片上資源基本編程，力圖比較各家的編程方式。主要目的有兩個(gè)：一個(gè)是推動(dòng)高端MCU不要再面向寄存器編程，而要使用庫函數(shù)；另一個(gè)是體現(xiàn)Cortex MCU有很好的生態(tài)環(huán)境，獲得多家廠商支持。還有一點(diǎn)是，盡量給出寄存器名、指令等的英文原義，而這是國內(nèi)翻譯資料沒有注意到的。通過LM3S競賽看到，優(yōu)秀的大三學(xué)生一個(gè)月就能上手Cortex微控制器。這種32位MCU完全可用C語言編程，不涉及匯編語言。片上外設(shè)的寄存器配置更加復(fù)雜，支持的工作方式也更多。廠家紛紛都提供了庫函數(shù)，只要用戶依據(jù)參數(shù)配置外設(shè)，使用庫函數(shù)就能方便地操作外設(shè)，不必再記住寄存器名、寄存器位定義去使用匯編語言了，而這也是學(xué)習(xí)單片機(jī)難度最大的地方?，F(xiàn)在編程只需關(guān)注外設(shè)的工作方式，了解有哪些操作即可，大大降低了學(xué)習(xí)門檻。只要學(xué)會(huì)C語言，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中許多樣例程序就可直接使用。

總之，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)所用的處理器應(yīng)選用主流芯片，如有廠家大學(xué)計(jì)劃支持更好。如果教學(xué)偏重硬件設(shè)計(jì)，要教會(huì)學(xué)生制板、做硬件應(yīng)用系統(tǒng)，最好是選擇8/16位芯片、Cortex-M芯片。200MHz以上的Cortex-A芯片對布線的要求較高，而且表面貼裝引腳多的芯片也需要專門的焊接設(shè)備。如果沒有編程基礎(chǔ)，則可以從8051單片機(jī)入手，畢竟用匯編語言的寄存器和存儲(chǔ)器的傳送指令，感覺更直觀些。況且，8051單片機(jī)教材是經(jīng)過多年摸索，消化了國外手冊的內(nèi)容編寫出來的。不同基礎(chǔ)、不同專業(yè)背景的人應(yīng)根據(jù)自己的情況酌情選擇，傾向哪家的處理器也是需要考慮的內(nèi)容。

興趣是最好的老師，一通百通，大可先專注一家的產(chǎn)品，諸如價(jià)廉物美的口袋實(shí)驗(yàn)室開發(fā)板和廠家評估板等。

馬忠梅，北京理工大學(xué)副教授，多年來一直從事嵌入式教學(xué)和研究工作，編寫的教材有：《單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》、《ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)》、《ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程》、《ARM Cortex微控制器教程》等。

??薛士然

2015-06-02）