計算機系統(tǒng)能力背景下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)研究

陳乃金+周鳴爭

摘要；該文分析了以計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)為背景的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，給出了嵌入式系統(tǒng)實驗課程教學(xué)的改革方案。實踐結(jié)果表明，該教學(xué)模式培養(yǎng)了理工科院校學(xué)生的實踐能力，改進了嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞；計算機系統(tǒng)能力；嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)；實驗內(nèi)容；教學(xué)方法；創(chuàng)新

中圖分類號； TP314 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0098-02

Abstract： This paper analyzes the existing problems of embedded systems experimental curriculum teaching for the background of Computer system capability. The reform program of embedded systems experimental teaching is given. The result of teaching experiments shows that this teaching pattern cultivates the practical abilities of science and engineering students and the teaching quality is improved.

Key words： computer system capability； embedded system experimental teaching； experimental content； teaching method； innovation

近年來，一方面，嵌入式系統(tǒng)芯片已經(jīng)滲透到手機、家電、汽車制造、臨床醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸控制等方方面面，并且取得了較大的成功。另一方面，從2000年開始，在高校教學(xué)層面全國各大高校電子信息類等專業(yè)均開展了嵌入式系統(tǒng)及相關(guān)課程，取得了一定的教學(xué)效果。但是，隨著IT產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，企業(yè)界對嵌入式系統(tǒng)芯片的設(shè)計、驗證和測試、編譯等軟硬件協(xié)同設(shè)計人才的需求越來越大，這些對嵌入式系統(tǒng)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。

嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性課程，涉及可重構(gòu)系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成原理、數(shù)字邏輯、系統(tǒng)芯片設(shè)計流片與驗證測試、linux操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編/C/C++/Java程序設(shè)計、Verilog和SystemVerilog模塊化設(shè)計、同構(gòu)或異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動研發(fā)等多門課程，詳細(xì)“嵌入式系統(tǒng)”課程群見文獻[1]，并且文獻[1，2]已經(jīng)對嵌入式系統(tǒng)的定義進行了很好闡述，在此不再累述。

傳統(tǒng)的計算機科學(xué)與技術(shù)理論和實驗教學(xué)已經(jīng)不能適應(yīng)計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)背景下嵌入式系統(tǒng)教學(xué)[3]，特別是計算機系統(tǒng)能力背景下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)。計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的核心是要求學(xué)生在掌握嵌入式等新型計算系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)之上，對計算機系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、工程應(yīng)用開發(fā)等提出了更高要求[4-6]。在這樣的背景下，嵌入式系統(tǒng)的實驗教學(xué)存在較多問題，對此進行探索式的改革顯得尤為重要。

1現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)還是處于一門新課的狀態(tài)，特別在實驗教學(xué)方面缺乏成熟的教學(xué)方法，實驗設(shè)備或系統(tǒng)不足，可表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1實驗內(nèi)容停留在簡單驗證階段

現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)課程的實驗大多基于實驗箱，從而導(dǎo)致學(xué)生僅僅停留在認(rèn)知和實驗箱

例子實驗驗證的層面，不少高校沒有做到對嵌入式系統(tǒng)實驗進行二次開發(fā)，更沒有結(jié)合企業(yè)工程問題的實際進行開發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸沒有融合無線傳輸

一般而言，嵌入式開發(fā)板數(shù)據(jù)下載實驗的做法是：首先把某一個應(yīng)用任務(wù)在一臺PC上的編譯完成后，第二通過數(shù)據(jù)下載器連接PC機和開發(fā)板進行數(shù)據(jù)的有線下載和傳輸，沒有通過無線終端及無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)無線下載，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸教學(xué)具有局限性。

1.3 沒有培養(yǎng)學(xué)生的硬件原理圖的設(shè)計能力

通常，實驗開發(fā)板供應(yīng)商在提供實驗設(shè)備的同時，給出了該套硬件開發(fā)板的設(shè)計電路圖及相關(guān)接口控制數(shù)據(jù)，集成開發(fā)環(huán)境IDE的安裝說明等文檔，學(xué)生大多按實驗程序去仿真，對硬件設(shè)計原理圖沒有理解或處于一知半解的狀態(tài)，從而導(dǎo)致達不到相應(yīng)的教學(xué)效果。

1.4學(xué)生對嵌入式CPU指令設(shè)計不理解

學(xué)生只會在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用一些成熟的指令進行匯編語言的編碼，具體對嵌入式CPU的指令是如何設(shè)計的不理解或完全不知。嵌入式CPU的開發(fā)一直以來是計算機等電子信息類專業(yè)的教學(xué)重點和瓶頸，特別是工程化教學(xué)和計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的大背景下，對本科生提出了更高的要求，所以對嵌入式CPU指令設(shè)計和仿真顯得特別重要。

1.5實驗指導(dǎo)教師的缺乏

一般而言，老師均具有承擔(dān)嵌入式系統(tǒng)等新課的積極性，老師在理論教學(xué)較為投入，但是配備的嵌入式系統(tǒng)實驗指導(dǎo)教師不足，導(dǎo)致任課老師一方面要積極講好理論課，一方面又要全力投入嵌入式系統(tǒng)實驗的設(shè)計，沒有精力設(shè)計出創(chuàng)新性較好的實驗教學(xué)項目。

2計算機系統(tǒng)能力背景下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)改革

2.1 實驗內(nèi)容改革

在計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的背景下，可以將嵌入式系統(tǒng)實驗內(nèi)容可分為以下四個方面：

2.1.1 基礎(chǔ)驗證實驗

具體包括硬件和軟件基礎(chǔ)實驗。硬件基礎(chǔ)實驗包括Protel 99SE版圖生成及母板的制作；全加器、乘法器數(shù)字電路的焊接與設(shè)計；數(shù)字模塊電路的Verilog波形仿真等。軟件基礎(chǔ)實驗包括熟悉COS-Ⅱ、CLinux、Vxworks、Windows CE等兩種嵌入式操作系統(tǒng)；嵌入式處理器匯編語言的編碼與測試、CLinux的任務(wù)移植、外部設(shè)備驅(qū)動實驗編寫、Bootloader引導(dǎo)程序的加載、CLinux內(nèi)核裁剪等實驗。

2.1.2 嵌入式CPU指令設(shè)計仿真實驗

基于Verilog或System Verilog等EDA工具設(shè)計5條、10條、55條CPU的MIPS指令，通過仿真讓本科生了解和掌握嵌入式CPU工程化綜合方法，根據(jù)一條指令的通路表，確定多路選擇器或控制寄存器等的邏輯表達式和控制信號的形成機制，這樣做的目的一方面是使學(xué)生初步具有設(shè)計CPU指令的能力，另一方面，可以訓(xùn)練學(xué)生閱讀不同嵌入式架構(gòu)數(shù)字及復(fù)雜電路原理能力，從而實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)實驗的二次開發(fā)。

2.1.3 綜合性實驗

綜合性實驗必須要安排3-5個，具體包括嵌入式文件系統(tǒng)有線和無線燒寫；基于無線網(wǎng)絡(luò)終端的任務(wù)可執(zhí)行文件無線傳輸；結(jié)合開源軟件miniGUI等實現(xiàn)觸摸屏用戶界面的設(shè)計與代碼移植；基于TP/TCP協(xié)議實現(xiàn)有線和無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通信等。

2.1.4 與國家大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃相融合的實驗：

任課教師鼓勵并協(xié)助大學(xué)生申請國家大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃，例如：電瓶車防盜系統(tǒng)的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸報警系統(tǒng)；嵌入式CPU編譯技術(shù)的System Verilog軟硬件仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)等。

2.2 實驗教學(xué)方式改革

2.2.1 課堂理論教學(xué)與實驗內(nèi)容相融合

任課教師在認(rèn)真完成理論教學(xué)的同時，積極配合實驗教學(xué)人員把每一個實驗設(shè)計好做到課堂理論教學(xué)與實驗內(nèi)容相融合在一起，在每次上實驗前，在課堂上把本次實驗內(nèi)容及相關(guān)的知識點講一遍，這樣做的目的是為學(xué)生實驗前期準(zhǔn)備做鋪墊。

2.2.2 考核方式

以前嵌入式系統(tǒng)實驗考核重視實驗報告的撰寫，忽視了學(xué)生實驗過程和動手能力的培養(yǎng)，實驗成績包括需要以下幾個方面：（1）實驗前期準(zhǔn)備，檢查學(xué)生本次實驗題目、實驗?zāi)康?、實驗注意事項、實驗方法是否寫在實驗報告紙上了，占實驗成績?quán)重的20%；（2）實驗過程實現(xiàn)，考查學(xué)生實驗實現(xiàn)結(jié)果，老師現(xiàn)場打分，占實驗成績權(quán)重的40%；（3）實驗拓展，每次實驗均涉及2-3個拓展問題，讓學(xué)生做完基本實驗后，現(xiàn)場完成，占實驗成績權(quán)重的30%；（4） 實驗小結(jié)，每次實驗均要寫本次實驗的收獲、本次實驗遇到的困難，占實驗成績權(quán)重的10%；（5）考勤，如果實驗缺勤超過2次，直接定為不及格。需要說明的是，如果嵌入式系統(tǒng)為專業(yè)方向課，還需要2周的課程設(shè)計，做到一人一題，題目類型主要為綜合的創(chuàng)新性實驗，還有國家、省的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃實驗。

2.2.3 融合學(xué)科競賽

積極開展學(xué)生第二課堂，并帶領(lǐng)學(xué)生組隊參加嵌入式省及國家級電子設(shè)計、嵌入式省及國家級單片機設(shè)計等大賽，讓學(xué)生把課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容應(yīng)用到比賽設(shè)計的作品當(dāng)中去，從而實現(xiàn)理論與實踐的融合。

3 實際教學(xué)效果

表1給出了我?！扒度胧较到y(tǒng)”課程體系建設(shè)前后的比較結(jié)果，并同時達到以下教學(xué)效果：

（1）學(xué)生在硬件設(shè)計及動手能力方面明顯增強。

（2）學(xué)生參加嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)國家及省大賽、安徽省及全國單片機比賽、安徽省機器人大賽、 “飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽等比賽的人數(shù)明顯增加，每年的獲獎人數(shù)和團隊達到參賽人數(shù)的30%或以上。

4 結(jié)語

近年來的嵌入式系統(tǒng)的實驗教學(xué)實踐證明，通過嵌入式系統(tǒng)的實驗的改革，培養(yǎng)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的熱情，提高了學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的就業(yè)競爭力。通過嵌入式系統(tǒng)的實驗教學(xué)實踐，我院學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)方面的設(shè)計與開發(fā)能力明顯增強，下一步我院打算進一步優(yōu)化計算機系統(tǒng)能力背景下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)體系，把嵌入式系統(tǒng)課程建設(shè)我院一個專業(yè)方向亮點，使之成為特色專業(yè)方向之一。

參考文獻：

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