嵌入式課程的理論教學(xué)改革與實(shí)踐

胡青　余嘉　蘇玉剛

摘 要：針對(duì)51單片機(jī)課程無(wú)法滿足人才培養(yǎng)要求的現(xiàn)狀，配合卓越工程師計(jì)劃對(duì)工程實(shí)踐能力的較強(qiáng)要求，提出建設(shè)全新的32位嵌入式課程，具體說(shuō)明課程以Cortex_M3內(nèi)核的單片機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，講解在CMSIS函數(shù)庫(kù)基礎(chǔ)上，以C語(yǔ)言編程完成嵌入式開(kāi)發(fā)的方法，最后指出改革后的課程能夠很好地實(shí)現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：Cortex-M3內(nèi)核；嵌入式課程；課程改革

0 引 言

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，深入人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹姆椒矫婷?，采用嵌入式技術(shù)的家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備日益增加，也使嵌入式硬件和軟件研發(fā)工程師成為近年來(lái)較為熱門(mén)的職業(yè)之一。然而，高校嵌入式相關(guān)課程的內(nèi)容與實(shí)際開(kāi)發(fā)脫節(jié)嚴(yán)重，傳統(tǒng)教學(xué)模式所培養(yǎng)的人才不能滿足企業(yè)的實(shí)際需求，尤其是職業(yè)素質(zhì)和實(shí)際動(dòng)手能力與企業(yè)的要求差距大，嵌入式課程亟需進(jìn)行全面深入的改革[1-3]。

1 嵌入式課程的現(xiàn)狀

過(guò)去10多年中，大多數(shù)高校都開(kāi)設(shè)了嵌入式技術(shù)的相關(guān)課程，51系列單片機(jī)以低價(jià)、易操作的特點(diǎn)成為市場(chǎng)主流，很多嵌入式課程以51系列單片機(jī)為對(duì)象介紹匯編語(yǔ)言，講解如何進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[4-5]。

51系列單片機(jī)內(nèi)部硬件資源較少，單片機(jī)內(nèi)部集成的硬件模塊總共只有21個(gè)寄存器，在課程內(nèi)容方面偏重于硬件底層寄存器級(jí)的操作。由于學(xué)生在先修課程微機(jī)原理中學(xué)習(xí)過(guò)x86匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，而51單片機(jī)的匯編語(yǔ)言與x86微處理器的匯編語(yǔ)言比較相似，因此課程實(shí)驗(yàn)往往要求以匯編的語(yǔ)言完成。

但是，經(jīng)過(guò)課程學(xué)習(xí)，絕大多數(shù)學(xué)生的嵌入式開(kāi)發(fā)水平都不高，沒(méi)有項(xiàng)目管理和工程開(kāi)發(fā)的思維意識(shí)，也沒(méi)有信心應(yīng)用它解決實(shí)際問(wèn)題，究其原因主要有以下幾個(gè)方面。

（1）培養(yǎng)方式方法較為落后單一，不強(qiáng)調(diào)自主持續(xù)學(xué)習(xí)，缺乏延續(xù)性。

（2）相關(guān)課程內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)方式及內(nèi)容設(shè)置不合理，與工程實(shí)踐差距甚遠(yuǎn)。

（3）教學(xué)輔助材料匱乏，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，在32位單片機(jī)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用的今天，還繼續(xù)以8位的51單片機(jī)作為對(duì)象來(lái)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，已經(jīng)嚴(yán)重與工程實(shí)際脫節(jié)。32位單片機(jī)的復(fù)雜度和開(kāi)發(fā)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于8位的51單片機(jī)，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)后自學(xué)相關(guān)內(nèi)容會(huì)比較困難，無(wú)法滿足用人單位的要求，表1是兩種嵌入式課程培養(yǎng)現(xiàn)狀的對(duì)比。

2 32位嵌入式課程目標(biāo)分析

在各類32位嵌入式微處理器中，基于ARM內(nèi)核構(gòu)架的嵌入式RISC 微處理器以其高性能、低功耗、高可靠性等突出特征在32 位嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了大部分份額[6]。課程組選擇ARM Cortex-M3內(nèi)核的stm32系列單片機(jī)為目標(biāo)機(jī)型，對(duì)嵌入式課程進(jìn)行全面深入的改革。

與51系列單片機(jī)相比，基于stm32F10x系列單片機(jī)具有以下特點(diǎn)。

（1）單片機(jī)內(nèi)部集成的硬件資源很多，各硬件模塊的功能復(fù)雜，寄存器較多。

（2）采用32位的thumb2匯編指令集，雖然指令條數(shù)不多，但是每條指令的使用都比較復(fù)雜，且與x86匯編指令有較大差異。

（3）大多數(shù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)都是基于CMSIS庫(kù)函數(shù)，而不是完全自己開(kāi)發(fā)底層接口。

CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是由ARM提出，專門(mén)針對(duì)CORTEX-M系列芯片的API接口標(biāo)準(zhǔn)?；贑MSIS的開(kāi)發(fā)可以減少更換芯片及開(kāi)發(fā)工具等移植工作所帶來(lái)的金錢(qián)以及時(shí)間上的消耗，這也是現(xiàn)在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)。

32位嵌入式課程應(yīng)該順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，同時(shí)保留8位嵌入式課程深入硬件底層的特點(diǎn)。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該不僅僅能夠調(diào)用CMSIS庫(kù)函數(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，還應(yīng)該具備開(kāi)發(fā)接口庫(kù)函數(shù)的能力。

嵌入式開(kāi)發(fā)不僅僅是單片機(jī)本身，還包括片外硬件模塊，而片外硬件模塊的選擇是根據(jù)項(xiàng)目需求決定的，不可能通過(guò)一門(mén)課程的學(xué)習(xí)掌握所有常用片外硬件模塊的使用，并且硬件技術(shù)還在持續(xù)快速發(fā)展中，我們更希望教會(huì)學(xué)生一種學(xué)習(xí)方法，期望學(xué)生具備自我提升能力。

最終確定嵌入式課程的培養(yǎng)目標(biāo)分成了以下3個(gè)層次。

層次1：了解嵌入式開(kāi)發(fā)的基本常識(shí)，能夠根據(jù)課程所學(xué)內(nèi)容，調(diào)用CMSIS庫(kù)函數(shù)完成簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

層次2：能夠讀懂CMSIS庫(kù)函數(shù)，掌握寄存器級(jí)的編程操作和程序調(diào)試，并能夠參考庫(kù)函數(shù)的規(guī)范編寫(xiě)自己的硬件模塊接口函數(shù)。

層次3：具備學(xué)習(xí)和自我提高的能力，掌握查找和學(xué)習(xí)硬件模塊資料的方法，能夠?qū)W習(xí)了解新的硬件模塊，并成功應(yīng)用到自己的項(xiàng)目中。

3 教學(xué)內(nèi)容及教材

3.1 教學(xué)內(nèi)容

明確課程培養(yǎng)目標(biāo)后，下一個(gè)面臨的問(wèn)題是以下幾個(gè)方面。

（1）單片機(jī)內(nèi)部集成的硬件模塊較多，應(yīng)明確選擇哪些模塊作為課程內(nèi)容，并且CMSIS為每種硬件模塊提供了豐富的接口函數(shù)，需要講解哪些庫(kù)函數(shù)以及如何講解。

（2）不清楚學(xué)生的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)水平，并且嵌入式開(kāi)發(fā)中的C語(yǔ)言編程與普通的C程側(cè)重點(diǎn)不同，需要補(bǔ)充一些C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

（3）層次3的目標(biāo)該如何實(shí)現(xiàn)，怎樣判定學(xué)生是否具備了學(xué)習(xí)和自我提高的能力。

我們通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、座談等方式了解學(xué)生的情況和期望，結(jié)合課程組教師指導(dǎo)本科生SRTP中積累的經(jīng)驗(yàn)，最終確定將32學(xué)時(shí)的理論課內(nèi)容分為三大部分。

1）基礎(chǔ)篇 ：引導(dǎo)學(xué)生入門(mén)。

所有嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)都必須了解的內(nèi)容劃歸為基礎(chǔ)部分，包括單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、CMSIS庫(kù)函數(shù)簡(jiǎn)介、中斷基本概念和中斷響應(yīng)機(jī)制，單片機(jī)內(nèi)部硬件模塊包括RCC、GPIO、NVIC、EXTI和基本定時(shí)器。

2）進(jìn)階篇：以智能車(chē)設(shè)計(jì)為主線，培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力。

嵌入式課程要培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力，為此課程組在組織課程內(nèi)容時(shí)以項(xiàng)目為載體，以能力提升為目標(biāo)，讓學(xué)生在推進(jìn)項(xiàng)目的同時(shí)掌握知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)，鍛煉學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中自主應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力[7]。

課程組以可擴(kuò)展的智能小車(chē)設(shè)計(jì)為主線，分析小車(chē)功能，進(jìn)而引出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。除了基本功能以外，小車(chē)還應(yīng)該具備一定的可擴(kuò)展性，如可通過(guò)藍(lán)牙或無(wú)線實(shí)現(xiàn)遙控，可通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)定位等。這些外部硬件模塊基本都采用串行總線與單片機(jī)通信，先通過(guò)具體的實(shí)例讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到串行總線的廣泛用途，再講解串行總線接口。在介紹串行通信基本常識(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)講解SPI接口，最后以8×8點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219的編程控制，講解如何通過(guò)SPI接口編程控制外設(shè)。

3）拓展篇：開(kāi)闊視野，培養(yǎng)興趣，自我提升能力。

這部分內(nèi)容的目的是開(kāi)闊眼界，激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。目前設(shè)置的內(nèi)容為彩色液晶顯示控制和WAV音樂(lè)的播放。任課教師可以調(diào)查學(xué)生的興趣，結(jié)合自己的科研，靈活調(diào)整這部分的內(nèi)容。表2為32位嵌入式課程理論課的內(nèi)容安排及授課學(xué)時(shí)數(shù)。

3.2 教學(xué)材料

長(zhǎng)期以來(lái)，教科書(shū)統(tǒng)治大學(xué)教學(xué)的局面廣泛存在，師生都以課程指定教材作為“教”和“學(xué)”的主線[8]。大學(xué)本科課程基本上都是根據(jù)指定的課程教材的章節(jié)來(lái)設(shè)置課程內(nèi)容、組織教學(xué)活動(dòng)，可以說(shuō)教材為整個(gè)課程的教學(xué)活動(dòng)定下了主基調(diào)。然而學(xué)生對(duì)于教材的不滿也由來(lái)已久，認(rèn)為教材內(nèi)容過(guò)時(shí)陳舊，僅僅是為了課程考試才閱讀學(xué)習(xí)教材。

對(duì)教材的使用應(yīng)該從“強(qiáng)教材”向“弱教材”轉(zhuǎn)變，從“死教材”向“活教材”轉(zhuǎn)變[8]。教材應(yīng)該是教學(xué)材料的統(tǒng)稱，一門(mén)課程的教學(xué)材料應(yīng)該是立體、多樣、活泛的，而不應(yīng)該是孤立狹隘的一本教科書(shū)。

嵌入式開(kāi)發(fā)具有技術(shù)更新快、工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，為此課程組在組織教學(xué)材料時(shí)以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為主線，所有的教學(xué)材料均為該主線服務(wù)。材料來(lái)源多種多樣，包括教科書(shū)、單片機(jī)的各種手冊(cè)、芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)、硬件模塊資料、網(wǎng)絡(luò)資料以及教師自己編寫(xiě)的課件和補(bǔ)充材料等，教科書(shū)只覆蓋課程內(nèi)容的一部分。

不以教科書(shū)為主線安排教學(xué)內(nèi)容，也為課程內(nèi)容調(diào)整提供了很大的靈活性。尤其是課程拓展部分的內(nèi)容由主講教師決定，不同教師可以選擇不同的拓展模塊。在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中，有教師選擇講授陀螺儀和步進(jìn)電機(jī)控制作為拓展模塊。

嵌入式課程的教學(xué)材料適宜采用“教材+手冊(cè)+參考資料”這樣貼近工程實(shí)踐又具有一定彈性的方式來(lái)組織。

4 結(jié) 語(yǔ)

改革后的32位嵌入式課程經(jīng)過(guò)一屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生反映良好。在問(wèn)卷調(diào)查中有82.1%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)本課程提升了嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力，85.7%的學(xué)生認(rèn)為課程中相關(guān)手冊(cè)的應(yīng)用教學(xué)有助于提升項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力，而82.1%的學(xué)生認(rèn)為他們已經(jīng)具備了用C語(yǔ)言完成嵌入式開(kāi)發(fā)的能力，調(diào)查結(jié)果表明改革后的課程較好地實(shí)現(xiàn)了課程培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐文超， 耿艷香， 陳雷， 等. 嵌入式系統(tǒng)原理課程創(chuàng)新型教學(xué)改革研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2015（8）： 55-57.

[2] 吳強(qiáng)， 楊全勝， 王曉蔚. 用Cortex-M0 ARM 代替8051 系列單片機(jī)的嵌入式教學(xué)[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2015（8）： 52-54， 61.

[3] 吳銀琴， 陳錕. 電子類本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2015（9）： 61-63.

[4] 汪小會(huì). 基于HS1101的濕度測(cè)量系統(tǒng)的教學(xué)課題設(shè)計(jì)[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 37（1）： 52-54， 95.

[5] 蔡逢煌， 王武. 嵌入式類課程教學(xué)的思考和實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 37（1）： 24-25， 28.

[6] 王博， 嵇小輔， 賈好來(lái).“ARM嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 37（3）： 18-20， 23.

[7] 張其亮， 王愛(ài)春， 陳永生. 能力遞進(jìn)式項(xiàng)目教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)課程中的實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2014， 33（8）： 185-189.

[8] 陸國(guó)棟， 張力躍， 孫健. 終結(jié)一本教科書(shū)統(tǒng)治下的教學(xué)[J]. 高等工程教育研究， 2015（1）： 17-24.

（編輯：孫怡銘）