摘 要：嵌入式系統(tǒng)實驗是嵌入式課程教學環(huán)節(jié)不可或缺的部分，該環(huán)節(jié)對設(shè)計人員要求較高，需要具有廣闊的知識面和豐富的實踐經(jīng)驗。現(xiàn)有的嵌入式實驗課程既枯燥又難以讓學生掌握設(shè)計精髓，更難以做到與社會需求相契合，本文認為，采用項目驅(qū)動是解決此問題的主要方法之一。針對系統(tǒng)理論與實踐之間的矛盾，論文利用實驗室提供的嵌入式教學平臺進行了硬件和軟件設(shè)計，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)劃分為幾個模塊，然后對每個模塊的功能進行設(shè)計和分析。通過基于系統(tǒng)設(shè)計的嵌入式實驗，使大部分學生能夠熟練掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法。英文教學實踐證明，嵌入式系統(tǒng)的教學改革能夠更好與國際先進技術(shù)和規(guī)范接軌，顯著提升學生的學習興趣和實踐

能力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)實驗；項目驅(qū)動；英文教學；數(shù)據(jù)采集；實踐能力；Linux操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-02

0 引 言

嵌入式行業(yè)是微電子技術(shù)發(fā)展的主要載體[1]，國家針對重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)出臺了支持政策，其中就包括嵌入式計算機和軟件行業(yè)[2]。近年來，隨著嵌入式行業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)也得到了極大提升，迅速從軟件配置管理（SCM）過渡到數(shù)字信號處理器（DSP）和高級精簡指令集處理器（ARM），且被廣泛應(yīng)用到手機制造、醫(yī)療設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎇3-5]，進一步促進其他行業(yè)的發(fā)展[6-7]。

與此同時，相關(guān)技術(shù)人才緊缺是亟需解決的問題，為了滿足社會各界的需求，很多高校都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。嵌入式系統(tǒng)課程的教學模式陳舊所造成的實際應(yīng)用效果較差已成為教學工作中的主要難點之一[8]。教學模式的改革采用英文教材和英文教學，將部分實驗教學內(nèi)容移植到理論部分，增加實驗教學時間。在實驗教學中，以實際項目為核心設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，在項目逐步完成的同時，訓練學生的動手能力和解決問題的能力。

嵌入式系統(tǒng)教學比較復(fù)雜，涉及的知識、理論和實踐都很廣泛[9]。學生需要通過理論、具體設(shè)計、動手實驗等過程進行學習，掌握嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識和技術(shù)。傳統(tǒng)的理論和實驗教學方法不適用于嵌入式系統(tǒng)教學，這使得嵌入式教學很容易進入誤區(qū)。因此，對嵌入式課程進行探究式教學改革尤為重要，培養(yǎng)適應(yīng)社會需要的高素質(zhì)工程人才是所有高校的首要任務(wù)。

此外，學習嵌入式系統(tǒng)需要廣泛的知識和嫻熟的操作技能，學生可以在掌握一定理論知識的基礎(chǔ)上通過實踐更有效地掌握知識點。因此，通過在實踐中解決實際問題，可以進一步鞏固知識，養(yǎng)成理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化，實際推動知識學習的良好學習新風向。

1 嵌入式系統(tǒng)實驗教學中存在的問題

1.1 實驗內(nèi)容過于單調(diào)

目前的嵌入式實驗教學多為驗證性實驗，各實驗之間幾乎無相關(guān)性。單個實驗可以增強學生對嵌入式基礎(chǔ)知識的理解，使學生容易上手操作，但不能滿足社會對嵌入式工程師的要求[10]，這種教學模式限制了學生的思維創(chuàng)造性。

1.2 學生過分依賴教師

發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)理工科實驗中，學生存在過度依賴教師的問題。大多數(shù)學生重復(fù)教師的操作，只記錄和整理所有實驗數(shù)據(jù)，對于遇到的問題通常無法找到解決辦法，甚至對實驗原理知之甚少。這種教學模式下培養(yǎng)的學生一旦遇到自己未遇見的情況，通常不知所措。

1.3 實驗室設(shè)備陳舊，缺乏良好的實驗討論環(huán)境

由于實驗室研究與社會需求嚴重脫節(jié)，使得學生畢業(yè)后無法適應(yīng)社會技術(shù)的發(fā)展。

2 嵌入式系統(tǒng)課程

本文在理論教學體系的基礎(chǔ)上，提出由簡到繁的兩級實驗設(shè)計，滿足不同階段的實驗要求。基礎(chǔ)實驗的主要目的是拓展思維，針對具體的課題，學生需要根據(jù)課題的要求抽象出主要功能，然后在理論上滿足項目需求。該方法著重于理論硬件/軟件的仿真協(xié)同設(shè)計。該方法結(jié)合工程實際和嵌入式設(shè)計理論，可逐級進行兩個層次的設(shè)計，如圖1所示。

傳統(tǒng)的實驗教學主要是基于簡單的編程語言學習和驗證模擬，沒有做嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的附加功能開發(fā)，更不會結(jié)合項目實際進行開發(fā)。采用嵌入式英語實驗教學模式，任務(wù)用英語描述，最大程度貼近語法和編程操作。

本設(shè)計完全不同于其他編程教學，將重點放在硬件系統(tǒng)的設(shè)計和綜合設(shè)計步驟上，便于學生更加深入地學習嵌入式設(shè)計的整體架構(gòu)。教學內(nèi)容圍繞基礎(chǔ)知識學習、編程語言學習和嵌入式系統(tǒng)芯片學習展開。教學目的是利用英語教學的優(yōu)勢，拓寬理論教學的內(nèi)容，更好地連接和拓展實驗教學?；A(chǔ)嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學不超過總課時的一半，然后根據(jù)項目選擇，在教師的帶領(lǐng)下，在剩余時間內(nèi)完成分組學習。在嵌入式系統(tǒng)的新課程體系中，整個系統(tǒng)可以將語言學習和硬件芯片學習融入課堂學習，將嵌入式系統(tǒng)教學與實際應(yīng)用相結(jié)合。

3 案例分析：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

3.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)備通常由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行設(shè)備組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成[11]。硬件層包括嵌入式微處理器、內(nèi)存、通用設(shè)備接口和I/O接口。在嵌入式處理器的基礎(chǔ)上，增加電源電路、時鐘電路和存儲電路，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的核心控制模塊。在硬件層和軟件層之間有中間層，也稱為硬件抽象層（HAL）或板級支持包（BSP）。中間層將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件隔離開來，系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與上層無關(guān)。上層軟件開發(fā)人員不必關(guān)心底層硬件的結(jié)構(gòu)，這取決于BSP層Develop提供的接口。這一層通常包含底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)輸入/輸出操作和硬件設(shè)備配置。系統(tǒng)軟件層由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通用組件模塊組成。

3.2 實驗課程安排

大多數(shù)高校只安排了單片機教學內(nèi)容，而直接在Linux系統(tǒng)上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)會使大多數(shù)學生望而卻步。第一節(jié)實驗課，在Windows環(huán)境下進行嵌入式ADS1.2 ARM系統(tǒng)的開發(fā)，讓學生逐漸掌握控制處理器的外圍設(shè)備、uboot移植、操作系統(tǒng)移植、文件系統(tǒng)移植、GUI移植和驅(qū)動程序開發(fā)。

實驗環(huán)節(jié)將所有學生分成三組，每組分別完成溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。通過基礎(chǔ)實驗課程，學生已經(jīng)對UART、ADC、NAND、FLASH、LED、LCD、定時中斷模塊有了較好的理解。實驗課程的目的是讓學生運用自己已有的設(shè)計知識來實現(xiàn)該系統(tǒng)。

3.3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

實驗課上，使用S3C2440模塊、Linux操作系統(tǒng)和DS18B20溫度傳感器設(shè)計溫度檢測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用S3C2440的通用I/O端口GPIO掛接多個DS18B20傳感器，完成對溫度傳感器時序的精確控制。系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。

為了使用DS18B20傳感器，必須嚴格按照DS18B20的邏輯序列圖進行控制；分別完成DS18B20的讀（寫）、函數(shù)和復(fù)位子函數(shù)的準備；參見DS18B20手冊中的時序圖，使用重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations實現(xiàn)Linux驅(qū)動程序函數(shù)。

3.4 實驗結(jié)果

本案例采用S3C2440作為單片機，實現(xiàn)基于ARM-Linux系統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)。本實驗案例具有數(shù)據(jù)處理能力強、降低主機成本等優(yōu)點。

項目教學法是一種全實踐練習，可以培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力。既體現(xiàn)了教師的主導作用，又發(fā)揮了學生的主體作用，更能體現(xiàn)高等教育的進步與社會的接軌。

4 結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)實驗教學對學生的理論和實踐能力要求很高。本課程不僅要求學生掌握多種編程語言（C語言、C++語言等）、計算機構(gòu)成原理、操作系統(tǒng)等，而且要求培養(yǎng)學生的探索精神、解決問題的能力和實踐能力。通過教學改革，初步探索基礎(chǔ)工程理論教學與實踐教學的微觀機制，同時也對教師提出了更高的要求。例如：教師需要具備較高的英語水平，教學覆蓋面廣，具有項目開發(fā)經(jīng)驗和熟練的焊接技術(shù)。從實驗結(jié)果看，該教學模式提高了學生對嵌入式系統(tǒng)的理解，使學生學會將理論知識應(yīng)用于實踐，轉(zhuǎn)化為學生解決實際問題的能力。與傳統(tǒng)的實驗教學相比，基于系統(tǒng)設(shè)計的實驗教學可以提高學生的學習興趣和積極性。

注：本文通訊作者為魏柯。

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