李　偉　門　佳　余　森

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 計算機工程系，河南南陽　473000)

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高職院校嵌入式實驗室建設(shè)研究

李偉門佳余森

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 計算機工程系，河南南陽473000)

摘要文章分析了嵌入式技術(shù)發(fā)展的特點，提出了建設(shè)嵌入式實驗室選購實驗設(shè)備時需要注意的事項。針對現(xiàn)階段高等院校嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的特點及在教學中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了一套分層次的“驗證——模仿——創(chuàng)新”嵌入式系統(tǒng)實驗課程體系建設(shè)實施方案，同時提出了幾種提高學生實踐技能的手段，培養(yǎng)學生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞嵌入式系統(tǒng)；實驗室建設(shè)；教學改革

嵌入式技術(shù)的推廣應(yīng)用是目前IT設(shè)計行業(yè)最熱門的領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用無所不在，社會對嵌入式技術(shù)人才的需求也日益高漲。據(jù)統(tǒng)計，目前我國嵌入式人才缺口每年為50萬人左右[1]。高校是培養(yǎng)高新技術(shù)人才的搖籃，推廣先進的教學內(nèi)容和教學模式，培養(yǎng)具備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力的復(fù)合型專業(yè)人才已是大勢所趨。然而，目前在各院校中，嵌入式系統(tǒng)實驗是較為薄弱的環(huán)節(jié)，存在一些問題，因此有必要對其進行研究。

高職院校嵌入式實驗室建設(shè)主要涉及實驗室基礎(chǔ)建設(shè)、實驗設(shè)備的選購、制定實驗課程體系、實驗室內(nèi)涵建設(shè)四部分。其中實驗室基礎(chǔ)建設(shè)主要包含計算機、交換機等基礎(chǔ)硬件的配置、相關(guān)軟件的購買、實驗室組網(wǎng)規(guī)劃等，已較為成熟和完善，不再贅述，下面分別對其他三個方面進行展開討論。

1嵌入式實驗設(shè)備的選購

實驗設(shè)備在嵌入式技術(shù)這種偏重于實踐的課程教學中是必不可少的，如果沒有合適的實驗平臺與之配套，其設(shè)計技術(shù)將很難掌握。然而選擇適用的實驗設(shè)備并不是一件容易的事情，近年來國內(nèi)生產(chǎn)嵌入式實驗設(shè)備的廠商不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品型號眾多，這就需要有一些適宜的準則以供參考[2]。

1.1滿足軟硬件協(xié)同實驗

實驗設(shè)備的硬件包括CPU、ROM、RAM、各種接口的齊全程度，供電電壓、走線布局的合理性。其中Nand Flash、Nor Flash和SDRAM的容量一定要特別關(guān)注。硬件實驗主要是根據(jù)自己的項目要求或者功能需求進行相應(yīng)的硬件模塊和接口、外設(shè)的設(shè)計。系統(tǒng)軟件層實驗主要涉及操作系統(tǒng)剪切移植和設(shè)備驅(qū)動程序編寫；應(yīng)用軟件層實驗主要是利用API接口函數(shù)編寫應(yīng)用程序。能夠熟練地進行嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)，對于學生找工作幫助很大。

1.2CPU模塊、操作系統(tǒng)可更換

市場上主流的嵌入式實驗平臺，基本上都是在體系結(jié)構(gòu)不變的情況下，支持多個型號的CPU芯片。比如北京博創(chuàng)公司推出的ARM9/Xscale經(jīng)典三核心教學科研平臺支持PXA270核心CPU及S3C2410、S3C2440核心CPU的全部功能，兼顧了ARM平臺的發(fā)展趨勢。在實驗時可根據(jù)教學計劃、進度需要、以及學生的基礎(chǔ)進行調(diào)換。另外大多數(shù)嵌入式實驗平臺能夠運行WindowsCE、uCLinux、uCOS-II等操作系統(tǒng)，并且在每一種操作系統(tǒng)下均能夠提供成套的教學實驗項目。這樣做的好處是節(jié)省實驗經(jīng)費，提高設(shè)備的利用率。

1.3實驗設(shè)備需開發(fā)板和實驗箱結(jié)合

嵌入式實驗箱尺寸比較大，只能在實驗室使用，不便移動；系統(tǒng)復(fù)雜，外設(shè)接口類型豐富；PCB板布局清晰，易于辨別，便于理解硬件電路，適合硬件學習，但是價格昂貴，通常在5000元以上，維護困難，很多部件接口利用率偏低，學生難于上手，往往出現(xiàn)畏懼心理。而且嵌入式系統(tǒng)實驗內(nèi)容主要為軟件實驗，基本實驗項目多，實習耗時長，實驗箱的優(yōu)點難以發(fā)揮。開發(fā)板的優(yōu)點是簡單耐用，能滿足大部分實驗需要；價格低廉；體積較小，便于隨身攜帶，可以讓學生帶出實驗室外進行相應(yīng)的學習與研究。所以，實驗室選購時建議同時結(jié)合兩者的優(yōu)點，保證開發(fā)板學生人手一臺的同時添置少量的實驗箱。另外，可根據(jù)實際需要再選購一些功能擴展模塊，以便用于創(chuàng)新實驗[3]。

1.4文檔資料、實驗手冊力求齊備

通常情況下，各廠商的設(shè)備軟硬件都比較完善，差別不大，問題較大的是提供給用戶的文檔質(zhì)量。具體表現(xiàn)是：品種不足、與軟件不配套、內(nèi)容次序顛倒、描述含糊不清、有敷衍應(yīng)付之嫌，致使學生在進行實驗時困難重重，嚴重影響教學質(zhì)量。一般而言，設(shè)備供應(yīng)商需要提供的文檔有：實驗室建設(shè)方案；實驗開發(fā)板的硬件設(shè)計原理圖；元器件的芯片手冊；操作系統(tǒng)源代碼和API的說明；主機集成開發(fā)環(huán)境IDE的系統(tǒng)安裝指導(dǎo)書；廠家提供的全套實驗項目操作指導(dǎo)書；產(chǎn)品質(zhì)量保證書；維修維護條列等。

1.5接口類型按需選購，不需求全

嵌入式軟件實驗教學的主要目標是操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)拥能浖_發(fā)，而BSP中設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計并非重點內(nèi)容，因此實驗設(shè)備不需要具備所有種類的接口和外設(shè)。如果實驗平臺上的外部接口非常齊備，除了常規(guī)的液晶屏、觸摸屏、SD卡、鍵盤、串口、USB口、以太網(wǎng)口、LED、JTAG口之外，還有攝像頭接口、各種傳感器、GPRS、GPS、3D陀螺儀等不常使用的模塊，則往往會因為利用率低而顯得浪費。我們的原則是多數(shù)學生在實驗時只要把基礎(chǔ)的設(shè)備模塊弄懂了，掌握了模塊接口設(shè)計的通用方法，其他外部接口和部件都可以觸類旁通、舉一反三。

1.6設(shè)備廠商的售后服務(wù)及時有效

高校在購買嵌入式實驗設(shè)備的時候，選擇的不僅是開發(fā)板，而且是為自己提供服務(wù)的合作伙伴，所以我們建議選擇那些比較知名的、企業(yè)信譽良好的廠商，而不要一味地貪圖價格便宜而購買技術(shù)服務(wù)力量弱的實驗設(shè)備，這樣一旦出了問題，不能及時有效地解決，會很大程度地影響教學質(zhì)量。供應(yīng)商經(jīng)營狀況良好，維修及時，能夠提供長期的技術(shù)支持服務(wù)，這是有益于嵌入式教學的。

除此之外，實驗設(shè)備還要盡量選用同一廠商的配套產(chǎn)品，避免不兼容的情況。供應(yīng)商能夠開展師資培訓，使實驗平臺在短時間發(fā)揮效益，實驗平臺效益的發(fā)揮離不開強有力的技術(shù)培訓和技術(shù)支持。

2嵌入式系統(tǒng)實驗課程體系建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)實驗實踐教學應(yīng)該成為培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新意識、合作精神的主課堂[4]。合理的實驗計劃、科學的實驗內(nèi)容可以引導(dǎo)學生學習最先進的技術(shù)，同時激發(fā)實驗激情和興趣。

針對高職院校嵌入式技術(shù)實踐教學目標，總結(jié)出一套“驗證——模仿——創(chuàng)新”嵌入式系統(tǒng)實驗課程體系建設(shè)實施方案，將嵌入式實驗分解為三個階段：教學實驗、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新實驗，其中創(chuàng)新實驗包括大學生興趣小組、各類嵌入式競賽、教師科研項目等，如圖1所示。三個階段由淺入深，循序漸進，第一階段學基礎(chǔ)，第二階段精方向，第三階段重實踐。

圖1　嵌入式實驗課程教學體系

2.1教學實驗

教學實驗是以課內(nèi)單元實驗為主的驗證實驗，這部分實驗內(nèi)容簡單，有充分的資料可以查詢，各類參考書也較為完善。涵蓋寬廣，涉及與嵌入式相關(guān)的各類課程，如圖2所示。

在硬件層面，學生要熟悉ARM原理、單片機技術(shù)、電子電路設(shè)計等；在中間層，學習BootLoader等板級支持包知識；在軟件層，學習Linux操作系統(tǒng)相關(guān)知識；在功能層，需要學習各種編程語言，如C/C++語言、匯編語言等。具體實驗項目見表1，通過對這些實驗的動手操作，學生可以掌握嵌入式編程的基本方法，熟悉ARM處理器的工作方式，了解操作系統(tǒng)控制硬件設(shè)備的原理。

圖2　嵌入式教學實驗涉及的相關(guān)課程

ARM編程ADS集成開發(fā)環(huán)境;ARM匯編指令編寫結(jié)構(gòu)化程序。Linux環(huán)境C語言編程交叉編譯工具;Makefile文件;C程序中調(diào)用匯編指令;GNUC基本規(guī)則。ARM基本接口配置ARM內(nèi)部存儲空間;中斷原理,ARM中斷編程;UDP/UART/CAN/IIC的結(jié)構(gòu)和通信原理;RTC原理及設(shè)計。操作系統(tǒng)移植嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)平臺;Linux在ARM處理器上的移植;操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯;編輯和燒寫boot-Loader。應(yīng)用程序開發(fā)嵌入式Linux應(yīng)用程序設(shè)計實驗;多進程多線程編程;文件操作編程;網(wǎng)絡(luò)編程。設(shè)備驅(qū)動開發(fā)設(shè)備驅(qū)動開發(fā)流程;編寫字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動。圖形界面開發(fā)QT實現(xiàn)人機接口。

2.2課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計

課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計以模仿實驗為主。有了前一個階段的對專業(yè)知識的基礎(chǔ)訓練和分析解決問題能力的培養(yǎng)，在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計階段采取開放模式，從系統(tǒng)層面對學生所學知識、所掌握技能的進行綜合運用，培養(yǎng)學生解決實際技術(shù)應(yīng)用問題的能力[5]。

在設(shè)計時，學生可以自行選擇一個嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用課題，也可由教師根據(jù)需要指定。學生根據(jù)課題要求獨立查閱資料、進行需求分析、方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件編程及測試，并撰寫詳細的設(shè)計說明書。通過設(shè)計，學生能夠系統(tǒng)地掌握一個完整的嵌入式項目設(shè)計的全過程，有助于學生順利地適應(yīng)將來的工作崗位。該實驗教學模式在傳統(tǒng)實驗方法的基礎(chǔ)上，極大激發(fā)了學生自主探究的興趣，拓展了學生創(chuàng)造性思維有效提高了學生自主實驗與創(chuàng)新能力。

2.3創(chuàng)新實驗

創(chuàng)新實驗通常是一個綜合型研究開發(fā)課題，要求學生以項目興趣小組為單位在一個學期時間內(nèi)團結(jié)協(xié)作完成一個完整的實際嵌入式課題開發(fā)。鼓勵學生盡可能地發(fā)散思維，結(jié)合自身的專業(yè)，根據(jù)自己的想法靈活設(shè)計或者由實驗室推薦一些實用新穎的課題，這些題目可來自大學生嵌入式設(shè)計大賽、教師承擔的省市自然科學基金計劃項目、大學生創(chuàng)新計劃項目、中小企業(yè)橫向項目等，以各專業(yè)知識為嵌入，設(shè)計出綜合實用的嵌入式系統(tǒng)，側(cè)重培養(yǎng)學生綜合運用嵌入式技術(shù)知識分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生進行系統(tǒng)的研究與設(shè)計的實踐能力、創(chuàng)新精神、合作意識，見表2。

表2　創(chuàng)新實驗列表

這些實驗更貼近實際工程項目，采用的一些技術(shù)可能超出教材范圍，研究性更強。學生可以多人結(jié)合成項目組，按照企業(yè)實際的開發(fā)模式，在軟件工程理論的指導(dǎo)下有計劃地完成項目的每一個步驟[6]，項目的實施可以采用瀑布模型或者迭代模型。對于能夠順利完成實驗且成績優(yōu)異的學生，教師可指導(dǎo)學生撰寫科技論文。

3嵌入式實驗室內(nèi)涵建設(shè)

3.1實驗室的層次定位

高職院校人才培養(yǎng)有別于本科院校，以培養(yǎng)職業(yè)崗位能力為主。所以在嵌入式實驗室的建設(shè)中要具有高職特色，可根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟特點與專業(yè)實力等學校主客觀因素，確定自身嵌入式實驗室建設(shè)的定位。

我們把我校培養(yǎng)的嵌入式人才定位在嵌入式助理工程師，主要從事的崗位有嵌入式研發(fā)助理工程師，硬件測試工程師，軟件測試工程師，硬件維修工程師和嵌入式產(chǎn)品銷售工程師，技術(shù)支持工程師等崗位。

3.2師資培養(yǎng)

嵌入式技術(shù)實踐性強，需要一支專業(yè)知識扎實、教學能力突出、項目經(jīng)驗豐富的“雙師型”師資隊伍。因此，應(yīng)當加強教師的培養(yǎng)，可以與企業(yè)合作，邀請嵌入式系統(tǒng)工程師來校指導(dǎo)，擔任部分設(shè)計課程的指導(dǎo)，彌補教師工程項目經(jīng)驗不足的缺點；為年輕教師提供更多培訓與學習交流機會，選派骨干教師到“華清遠見”等專業(yè)機構(gòu)進行培訓，或到企業(yè)中頂崗鍛煉，積累工程經(jīng)驗，掌握行業(yè)發(fā)展的動態(tài)。

3.3開展校企合作

自2010年起我校與北京中科天博軟件公司等多家優(yōu)秀企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系，在與這些企業(yè)的合作過程中，進行了多個項目的合作開發(fā)，學生的動手能力、創(chuàng)新意識和合作精神得到了很好的鍛煉，讓學生提前感受到企業(yè)文化，培養(yǎng)學生職業(yè)精神。

4結(jié)語

嵌入式技術(shù)是當今信息技術(shù)發(fā)展的一個熱點，高職院校舉辦好嵌入式課程必須依靠實踐，因而必須重視實驗室建設(shè)。結(jié)合我校嵌入式技術(shù)教學目標，探索了嵌入式技術(shù)實驗室的建設(shè)，構(gòu)建了分層次的嵌入式系統(tǒng)實踐教學體系，經(jīng)過不斷實踐，取得了較為明顯的效果。

參考文獻

1俞建新.略論嵌入式系統(tǒng)的實驗教學[J].實驗室研究與探索,2006,25(7):741-745

2賀安坤,薛進,宋長青.嵌入式系統(tǒng)專業(yè)實踐教學的研究[J].實驗室科學,2012,15(4):161-164

3黃敏,鄭斌,姜蕊輝.三強型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才培養(yǎng)研究[J].計算機教育,2013(3):10-13

4謝玲.高校開放嵌入式實驗室的探索[J].計算機教育,2010,7(4):55-57

5賴曉晨,劉文杰.高校嵌入式實驗室建設(shè)探索[J],實驗室研究與探索,2007,26(6):52-54

6謝平,何俊輝.高職院校嵌入式實驗室開放的探索[J],電子世界,2011(8):53-54

(責任編輯：譚銀元)

Research on the Construction of Embedded

Laboratory in Higher Vocational Colleges

LI Wei，MEN Jia，YU Sen

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Abstract:This essay analyzes the characteristic of embedded technology, and explains in detail the selection of experimental equipment for constructing embedded system laboratory. Based on problems existing in training of embedded system talents and the teaching process, this essay puts forward a program for constructing a classified “verification-imitation-innovation” experimental course system, and proposes several methods for improving students’ practical skills and creativity in engineering project.

Key words:Embedded System; Laboratory Construction; Teaching Reform

作者簡介：李偉，男，碩士，助教，主要研究領(lǐng)域：嵌入式技術(shù)。

收稿日期：2014-10-11

中圖分類號G712

文獻標志碼A

文章編號1671-8100(2015)02-0133-04