黎建

摘要：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)涉及多學(xué)科，應(yīng)用非常廣泛。文章針對大學(xué)計算機類專業(yè)開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”課程所存在的問題，進行了較深入地分析和研究，提出了改進教學(xué)的方法和具體措施。教學(xué)實踐表明，使用改進后的教學(xué)方法，能夠達到預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);ARM;Linux;教學(xué)方法;計算機類專業(yè)

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0271-03

Research on the Teaching Method of "Embedded System" Course for Computer Majors

LI Jian

（Guangzhou College of Technology and Business， Guangzhou 528138，China）

Abstract： Multi-disciplinary technologies are involved in the "Embedded System" Courses. The Embedded systems have applications across a wide variety of industries. This paper analyzes and researches the problems found in the teaching of Embedded System courses， which have been offered by Computer Science programs in universities. A new teaching method is described in this paper with detailed protocols to improve teaching method. The teaching practice shows that the use of improved new teaching method can achieve the expected teaching effect.

Key words： embedded systems; ARM; linux; teaching method; computer majors

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，信息技術(shù)的發(fā)展，在5G技術(shù)的推動下，以信息化、智能化、工業(yè)化及物聯(lián)網(wǎng)深度融合為方向的科技革命席卷而來，并迅速成為社會關(guān)注的焦點。嵌入式系統(tǒng)作為一種專用的計算機系統(tǒng)，在各類智能化設(shè)備中，應(yīng)用極為廣泛，如工業(yè)過程控制、數(shù)控機床、電力、石油化工系統(tǒng)等[1]。此外，在汽車電子，智能儀器，移動設(shè)備中應(yīng)用發(fā)展更為突出[2]。由于巨大的市場需求，嵌入式系統(tǒng)與技術(shù)是近年來IT領(lǐng)域發(fā)展最快的方向之一，特別是嵌入式軟件已成為我國IT產(chǎn)業(yè)中的一個重要的新興產(chǎn)業(yè)和增長點。然而，嵌入式人才培養(yǎng)由于周期長，影響了嵌入式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為此，“嵌入式系統(tǒng)”成了各大學(xué)電子類和計算機類專業(yè)的重要課程之一。但是，計算機類專業(yè)在嵌入式課程教學(xué)中，存在一些需要解決的問題。文章對這些問題，進行了較深入地分析和研究，并提出了行之有效的改進方法。

1 電子類和計算機類專業(yè)的教學(xué)差異

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[3]。從定義可以看出，嵌入式系統(tǒng)要做到軟硬件可裁剪，必須既要設(shè)計硬件，也要設(shè)計軟件。由于課時限制，不可能全面鋪開講授，那么，重點應(yīng)該是硬件還是軟件為主？對電子類專業(yè)，了解硬件結(jié)構(gòu)，并且能夠?qū)τ布眉粼O(shè)計，寫好設(shè)備驅(qū)動程序，在給定功能的情況下，能夠設(shè)計出最小系統(tǒng)板，可以達到教學(xué)要求。但是，對于計算機類專業(yè)，其所學(xué)的硬件有關(guān)課程，是不夠支撐學(xué)生對硬件進行設(shè)計的，這也是為什么一些計算機類專業(yè)沒有開設(shè)這門課程的主要原因。但在軟件設(shè)計能力方面，比電子類專業(yè)學(xué)生要強很多，這就是優(yōu)勢。當然，計算機類專業(yè)不同，所學(xué)的軟硬件課程有比較大的區(qū)別，我們一定要因地制宜，需要將學(xué)生尚未學(xué)習(xí)的硬件前置課程的知識融入教學(xué)過程中[4]。對偏軟的計算機類專業(yè)，如軟件工程專業(yè)，可能沒有開設(shè)數(shù)字電路，單片機技術(shù)等課程，教學(xué)重點應(yīng)該放在帶操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用與設(shè)計上，而這種應(yīng)用恰恰是在物聯(lián)網(wǎng)，機器人，智能設(shè)備，工業(yè)控制等領(lǐng)域不可缺少的。由于社會對嵌入式軟件開發(fā)的需求日趨上升，因而人才需求量巨大。總的來說，計算機類專業(yè)開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”課程，對提高學(xué)生的軟硬件綜合應(yīng)用能力非常有效，特別是在嵌入式操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用，優(yōu)勢超過電子類學(xué)生，為學(xué)生就業(yè)增加了機會。

2 教學(xué)內(nèi)容研究

嵌入式的概念非常廣，嵌入式計算機可以從8位51系列單片機到64位ARM系列處理器，當然，應(yīng)用場所不一樣：低端應(yīng)用由于成本原因，往往采用8位單片機，如鍵盤鼠標控制;隨著科學(xué)技術(shù)的進步，32位、64位處理器逐漸成為高端應(yīng)用主流，如機器人，無人機，移動設(shè)備等。中低端應(yīng)用，受處理器性能的限制，一般沒有操作系統(tǒng)，直接用程序控制硬件，即所謂的“裸奔”（一些32位單片機也難上操作系統(tǒng)，如STM32系列），開發(fā)者要有較深厚的硬件基礎(chǔ)，掌握計算機的底層工作原理和設(shè)計，熟悉匯編、C語言等基于底層的開發(fā)語言及方法，這是電子類學(xué)生的優(yōu)勢。對應(yīng)于高端應(yīng)用，由于處理器硬件資源既豐富又復(fù)雜，基本上不可能直接控制硬件，必須依賴于操作系統(tǒng)。這種情況下，計算機類專業(yè)由于開設(shè)了不少語言類（如C、C++、Java等），操作系統(tǒng)類（Linux，Android等）課程，特別是一些算法和數(shù)據(jù)處理課程，優(yōu)勢非常明顯：可以直接裁剪和優(yōu)化操作系統(tǒng)，對現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行清洗和挖掘及處理，能夠開發(fā)語音處理，圖像識別等人工智能設(shè)備必需的高級應(yīng)用。然而，計算機類學(xué)生花了不少時間學(xué)習(xí)C，C++，雖然編程能力很強，但要編寫設(shè)備驅(qū)動程序，還是有不少困難，主要原因是對硬件接口原理的理解不夠。一般情況下，硬件生產(chǎn)廠家都會提供設(shè)備驅(qū)動程序和API，通過調(diào)用API，可以很方便地實現(xiàn)驅(qū)動硬件設(shè)備，不影響嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)（如Android系統(tǒng)，通過API，我們可以使用移動設(shè)備上的LED燈， GPS等）。當然，在教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上與電子類專業(yè)應(yīng)有較大的區(qū)別。首先，要重點講授什么是嵌入式計算機，什么是嵌入式操作系統(tǒng)以及嵌入式軟件開發(fā)的特點，讓學(xué)生知道嵌入式就在身邊：小到U盤鼠標，大到路由器，手機;在嵌入式處理器結(jié)構(gòu)方面可以少講，畢竟，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過“計算機組成原理”，但對硬件接口可以講一些，盡管學(xué)生可能對協(xié)議不太明白，但通過實驗可以慢慢理解。接下來，教學(xué)重點要從搭建Linux環(huán)境，特別是交叉開發(fā)環(huán)境入手，掌握BootLoader的功能和作用，再根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)和內(nèi)核的特點，學(xué)習(xí)如何裁剪和優(yōu)化。然后，利用系統(tǒng)自帶的驅(qū)動程序或API，試著編寫一些簡單的硬件控制程序，再熟悉一下驅(qū)動程序的編寫規(guī)則和流程，對其進行改寫，加深理解程序是怎樣控制硬件的;當然，掌握系統(tǒng)調(diào)用方法也是必需的。最后，講授嵌入式軟件與普通軟件開發(fā)的異同點，通過布置綜合應(yīng)用項目，讓學(xué)生加深對嵌入式軟件開發(fā)的理解。如果教學(xué)課時充足，講一些Android應(yīng)用：可以讓學(xué)生通過NDK工具，設(shè)計一個可以調(diào)用自己用C（或C++）編寫的App。

3 教學(xué)方法和經(jīng)驗探索

計算機類一些專業(yè)硬件課程不多（如軟件工程專業(yè)），當學(xué)生看到嵌入式實驗箱或評估板后，可能一臉茫然，屬正常，不用擔憂。隨著教學(xué)的深入，學(xué)生開始進入狀態(tài)，有可能會喜歡這門課，但如何讓學(xué)生真正學(xué)會并掌握這門課程，是每個嵌入式課程教師的重要職責。因此，有必要對教學(xué)方法和經(jīng)驗進行探索。

3.1要真正讓學(xué)生理解嵌入式計算機與通用計算機的異同點

嵌入式計算機是計算機技術(shù)發(fā)展中的一種計算機存在的形式，是從計算機技術(shù)的發(fā)展中分離出來的，能夠嵌入到對象體系中，而嵌入式系統(tǒng)則是嵌入對象體中的專用計算機系統(tǒng)。所以，我們在講授時，重點要體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的“嵌入”“專用性”“計算機”這幾個基本特征，由此可以引出，這類應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等都有嚴格要求。還有，SoC的基本概念學(xué)生也要掌握，可以通過我們熟悉的手機為例，來闡述嵌入式與通用計算機的異同點。必須讓學(xué)生明白，絕大多數(shù)情況下，嵌入式系統(tǒng)對實時性有很高的要求，所以其軟件設(shè)計比通用軟件設(shè)計要求更高，開發(fā)工作量和難度更大。另外，還要引入?yún)f(xié)同設(shè)計的思想，讓學(xué)生知道嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計過程中，軟件設(shè)計和硬件設(shè)計是緊密結(jié)合、相互協(xié)調(diào)的。只有這樣，既可以最大限度地利用有效資源、縮短開發(fā)周期，又能取得更好的設(shè)計效果。

3.2培養(yǎng)學(xué)生良好的硬件資源使用習(xí)慣

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程一般在大三大四開設(shè)，前二年的實驗和編程課程，都是在通用PC機上進行的，對硬件資源使用沒有約束，學(xué)生也養(yǎng)成了“大手大腳”的習(xí)慣：編程時動不動就定義和申請大數(shù)組，雖然數(shù)據(jù)量并不大;可以用字節(jié)數(shù)組來存放的數(shù)據(jù)，為圖方便，經(jīng)常使用整數(shù)數(shù)組類型;放著快速分類查找數(shù)據(jù)的算法不用，卻用最原始的枚舉法，只要結(jié)果正確就行，不管CPU耗時多少。如果嵌入式設(shè)計還是這樣，可能導(dǎo)致項目失敗或成本劇增。一些計算機類專業(yè)沒有學(xué)過單片機課程，不知道有些情況下，為了節(jié)省幾個字節(jié)，或讓CPU運行快0.1秒，或為了節(jié)省1分錢的硬件價格，要花費不少精力（2019年，我國出口鼠標2.9億個，節(jié)省1分錢的硬件成本，其收益都非?？捎^。在這方面，電子類學(xué)生編程習(xí)慣要好很多）。如何培養(yǎng)學(xué)生良好的硬件資源使用習(xí)慣呢？教師先要講解嵌入式系統(tǒng)資源的組成，不同芯片有不同資源;不同功能需求，使用不同的芯片;不同資源，有不同成本價格?？梢越o出一些項目需求和嵌入式CPU列表，讓學(xué)生自己選擇嵌入式芯片，按項目編程，以能夠滿足項目功能要求的最小系統(tǒng)為優(yōu)勝者。或者，教師設(shè)定項目需求和CPU類型，讓學(xué)生編程實現(xiàn)，通過檢查學(xué)生的程序，了解他們對資源的使用情況，程序優(yōu)化情況以及運行情況。通過這樣反復(fù)訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的編程習(xí)慣以及嵌入式軟件編程風(fēng)格。

3.3 怎樣讓學(xué)生喜愛嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

對一些硬件課程開設(shè)比較少的計算機類專業(yè)，學(xué)生剛開始感覺新鮮，都在認真聽課，但隨著課程的深入，部分學(xué)生感到實驗和調(diào)試環(huán)境與之前不同，不習(xí)慣，硬件工作原理不好理解，調(diào)試也不方便，逐漸失去興趣。因此，教師應(yīng)該從下面幾個方面來提高學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式課程的積極性：

3.3.1實驗和調(diào)試環(huán)境的選擇

嵌入式教學(xué)設(shè)備有很多廠家生產(chǎn)，提供的實驗和調(diào)試環(huán)境五花八門。如果從學(xué)生經(jīng)常使用的IDE開發(fā)環(huán)境和工具來說， Eclipse+JLink調(diào)試工具是不錯的選擇。Eclipse集成環(huán)境，計算機類學(xué)生非常熟悉，C、C++、Java、Web等課程的學(xué)習(xí)一般都會使用它，非常方便，當然，廠家要提供相應(yīng)的插件來支持嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試。這樣，在學(xué)習(xí)中，不會為搭建環(huán)境而浪費時間，而且運行和調(diào)試程序的方法基本沒有改變，學(xué)生更容易上手。多年的教學(xué)經(jīng)驗表明，學(xué)生使用Eclipse來完成實驗編程和調(diào)試任務(wù)，都不會有什么困難。

3.3.2 I/O口編程應(yīng)該注意的問題

I/O控制技術(shù)是硬件接口技術(shù)中最簡單的一種，嵌入式編程教學(xué)都是從控制I/O口開始。在I/O口上，接上LED燈，電機或蜂鳴器等硬件模塊，通過程序來控制它們動作，這是必做的實驗，也是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的入門實驗。如果學(xué)生能夠理解I/O口的基本原理，并能成功控制硬件的運行，他們一定很有成就感，就會對嵌入式軟件開發(fā)開始感興趣。但是，如果學(xué)生不理解I/O口的工作原理，控制硬件失敗，就會遭到挫折，失去對嵌入式軟件開發(fā)的興趣。因此，I/O口編程實驗在嵌入式教學(xué)中非常重要。當然，對于電子類專業(yè)學(xué)生，上過很多硬件有關(guān)課程， I/O口編程就比較簡單了，但對于計算機類專業(yè)，特別是一些數(shù)字電路都沒有學(xué)過的學(xué)生，掌握I/O口編程有點困難。教師在講授時，重點應(yīng)該讓學(xué)生多理解高低電平，拉電流，灌電流等基本概念，還有上拉電阻下拉電阻的作用。控制寄存器的設(shè)置比較難，學(xué)生一般掌握不好，最后導(dǎo)致程序運行失敗。所以，對控制寄存器的設(shè)置方法，教師也要作為重點，多花費些時間講授，消除計算機類專業(yè)學(xué)生對硬件的排斥[5]。需要注意的是，常見的嵌入式芯片，一般都是RISC指令集（如應(yīng)用最為廣泛的ARM系列芯片），不能直接對寄存器某位設(shè)置，需要通過移位和與或非組合操作，使用C語言編程時，學(xué)生很容易犯錯，教師要循循善誘、科學(xué)指導(dǎo)，把方法講透，使設(shè)置變得容易。

3.3.3設(shè)計讓學(xué)生感興趣的實驗項目

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程，理論性和實踐性都較強，特別注重理論與實踐相結(jié)合。實驗課的目的是，幫助學(xué)生鞏固和加深理解所學(xué)的理論知識，訓(xùn)練他們的實驗技能、工程實踐觀點和嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)[6]。通過實驗，學(xué)生可以對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)過程有更深的體會，因此，在教學(xué)方法上，要圍繞著提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力、綜合開發(fā)能力、團隊作戰(zhàn)能力而展開。為了上好實驗課，要設(shè)計一些讓學(xué)生感興趣的實驗項目：I/O口編程除了經(jīng)典的走馬燈實驗外，還可以讓學(xué)生通過不同的順序來控制燈的顯示，從中得到編程的樂趣;通過控制蜂鳴器，實現(xiàn)莫爾斯電碼實驗，要求學(xué)生編程發(fā)出SOS電碼聲音，學(xué)生對這樣的實驗非常有興趣;利用Linux下系統(tǒng)調(diào)用和多線程技術(shù)，操作LCD顯示屏[7]、觸摸屏、音頻設(shè)備等設(shè)備，實現(xiàn)音樂和動畫播放實驗和對弈游戲?qū)嶒灒ū热纾贺澇陨咝∮螒騕8]），使學(xué)生對嵌入式軟件開發(fā)方法，有了更進一步的認識，并且在“玩”中學(xué)會不少編程技巧?？傊處熞獙嶒烅椖空J真對待，好好設(shè)計，是保證學(xué)生能夠?qū)W好嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的條件之一。另外，學(xué)生分組實驗也很有必要。不建議實驗課一人一組，盡管有些學(xué)校設(shè)備充足。做嵌入式實驗，學(xué)生從搭建環(huán)境，到編程，調(diào)試都是很費時間的，對復(fù)雜一點的實驗，要保證在有限的課時內(nèi)完成，不提倡個人英雄主義，要體現(xiàn)團隊作戰(zhàn)能力，學(xué)生分工協(xié)作共同完成，這也是為將來學(xué)生走向社會打下一定的基礎(chǔ)。如果學(xué)生經(jīng)常完不成實驗，會有很大的失落感，久而久之失去對嵌入式課程的興趣。所以，編寫實驗指導(dǎo)書，讓學(xué)生快速上手，是教師的職責所在。

4結(jié)束語

隨著信息化、智能化、工業(yè)化及物聯(lián)網(wǎng)深度融合，計算機類專業(yè)開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”課程是很有必要的。但是，不同的計算機類專業(yè)，所學(xué)的軟硬件課程有較大的區(qū)別，所要求的先修課程也可能難以滿足，因此，我們一定要因地制宜，取長補短，充分發(fā)揮本專業(yè)優(yōu)勢，讓學(xué)生真正掌握好“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐證明，計算機類專業(yè)學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計方面，能夠做得很好。

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【通聯(lián)編輯：王力】