嵌入式系統(tǒng)教學研究與探討

尹曉紅，王新立，林明明

(1青島科技大學 自動化與電子工程學院，山東 青島 266042;2山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250061)

隨著半導體技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)深入我們的日常生活和工作中，例如智能化家居、智能汽車、智能手機等等，當前的智能化科技都離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的支持。隨著"新工科"建設(shè)探索的逐漸深入，嵌入式系統(tǒng)的功能也將越來越豐富，操作越來越復(fù)雜，針對嵌入式系統(tǒng)的培訓和課程也變得越來越重要。然而，當前高校中現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)教學受到教學方法和實驗平臺的限制，學生只能掌握書本知識，缺乏創(chuàng)新意識和實踐能力，已經(jīng)無法滿足社會對高級應(yīng)用型人才的需求，亟需對嵌入式系統(tǒng)教學進行改革，使學生既能掌握基本嵌入式系統(tǒng)知識，又能夠舉一反三，運用所學知識自主分析和設(shè)計小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，提高學生的實踐能力。

嵌入式系統(tǒng)，是一門以應(yīng)用為中心的專用計算機系統(tǒng)。其中，它的軟件和硬件都可根據(jù)應(yīng)用的需求進行剪裁，因此，它在功能方面、成本方面、功耗方面、體積方面以及可靠性方面等都有嚴格的要求[1]。概括地說，嵌入式系統(tǒng)是一個嵌入到任意產(chǎn)品中的計算機系統(tǒng)，它涵蓋了計算機原理、微機原理、接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、編程語言程序設(shè)計等多門學科知識，是跨學科交叉性強的專業(yè)課程。要讓學生牢固掌握嵌入式系統(tǒng)基本知識，能夠獨立完成簡單的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，需要結(jié)合課堂教學環(huán)節(jié)和實驗教學環(huán)節(jié)，課堂教學中教授學生先進的系統(tǒng)知識，拓寬學生的學習視野；實驗教學中鍛煉學生的動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，學與做相輔相成，使學生對嵌入式系統(tǒng)達到真正的掌握和運用[2-3]。

嵌入式系統(tǒng)課程是一門專業(yè)性課程，同時也是工業(yè)智能化、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化等未來工業(yè)主要發(fā)展方向的基礎(chǔ)課程，因此，本文針對嵌入性系統(tǒng)的特點以及對新工科人才培養(yǎng)的理念，研究了嵌入式系統(tǒng)課堂教學、實驗教學等基礎(chǔ)問題，提高嵌入式系統(tǒng)的教學水平。

1 嵌入式系統(tǒng)的課堂教學

針對嵌入式系統(tǒng)課程的課堂教學，應(yīng)重點從三個方面向?qū)W生傳授知識：一是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)性知識，包括嵌入式系統(tǒng)的概況、軟硬件組成，使學生能夠掌握STM32系列ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)，包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，掌握硬件的外設(shè)組成及其特點，并掌握相關(guān)外設(shè)的程序設(shè)計。二是嵌入式系統(tǒng)的編程知識，讓學生能夠掌握ARM指令集和Thumb指令集，熟悉編程工具及其使用方法，能夠基于該編程工具和方法對工業(yè)過程的工程問題進行簡單的設(shè)計實驗。三是進一步介紹嵌入式操作系統(tǒng)知識[4]，包括嵌入式操作系統(tǒng)的原理和特點，并使學生能夠掌握 操作系統(tǒng)的內(nèi)核，掌握操作系統(tǒng)的基本使用方法，能夠基于操作系統(tǒng)開發(fā)簡單的嵌入式軟件，移植操作系統(tǒng)到STM32系列處理器。以上三部分內(nèi)容層層遞進，融會貫通，從而在課堂教學中讓學生掌握嵌入式系統(tǒng)的知識重點與難點。

在課堂教學過程中，由于學生接觸理論知識感到枯燥難理解，并不能達到較好的學習效果，因此建議教師在課堂教學過程中結(jié)合實驗操作，例如經(jīng)典的流水燈實驗，讓學生看到實際的流水燈實驗裝置，引起學生的興趣，然后向?qū)W生講授這一實驗過程中用到的接口、外設(shè)以及指令等，學生在這一過程中產(chǎn)

生興趣，激發(fā)好奇心，從而產(chǎn)生對知識的渴望。結(jié)合實驗的新型課堂教學更有助于學生對知識的理解和掌握。

2 嵌入式系統(tǒng)的實驗教學

嵌入式系統(tǒng)課程是一門專業(yè)性強的基礎(chǔ)課程，單純依靠課堂教學并不能達到融會貫通的效果，因此，嵌入式系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的實驗教學，既有利于學生理解嵌入式系統(tǒng)基本知識，又有助于增強學生的動手能力[5]。實驗教學是驗證、鞏固和補充課堂講授的理論知識的必要環(huán)節(jié)。結(jié)合教學環(huán)節(jié)，實驗課程的設(shè)計應(yīng)與教學內(nèi)容相輔相成。因此，實驗教學應(yīng)結(jié)合三方面的課堂教學來設(shè)計三個以上的基礎(chǔ)實驗。

第一個實驗應(yīng)讓學生熟悉實驗開發(fā)平臺，可根據(jù)課堂教學的教學內(nèi)容選取實驗開發(fā)平臺，例如基于ARM-CORTEX-M3的教學實驗開發(fā)平臺，并熟悉編譯軟件，例如KEIL軟件。在了解了實驗平臺的基礎(chǔ)上，可設(shè)計輸入輸出端口使用的實驗，設(shè)計按鍵輸入控制LED燈的簡單實驗，讓學生掌握GPIO輸入與輸出特性。第二個實驗重點要求學生掌握指令編程?？稍O(shè)計中斷系統(tǒng)及定時器的實驗，一方面讓學生熟悉程序設(shè)計方法，另一方面掌握中斷系統(tǒng)和定時器等重要外設(shè)的特性和用途。第三個設(shè)計實驗應(yīng)基于操作系統(tǒng)，例如 操作系統(tǒng)，使學生基本掌握操作系統(tǒng)的基本運行機制，并會使用操作系統(tǒng)的郵箱傳遞信息。例如，可設(shè)計基于 的GPIO使用，通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)按鍵檢測任務(wù)和LED顯示任務(wù)，并使用消息有效傳遞按鍵值給LED顯示任務(wù)。除以上三個實驗之外，教師也可根據(jù)課程安排自選實驗設(shè)計，目的是引導學生運用所學知識解決實驗問題，注重學生對程序邏輯的分析和解決問題的能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)論

隨著“新工科”建設(shè)和人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)人才的需求日益增加，對嵌入式系統(tǒng)教學的要求也越來越高。嵌入式系統(tǒng)教學亟需改革，課堂教學不僅傳授知識，更要注重啟發(fā)，引導學生開闊思路，使學生由被動接收知識變?yōu)橹鲃铀伎己徒鉀Q問題，實驗過程中注重理論聯(lián)系實際，讓學生增強動手能力，豐富理論知識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

[1] 王益涵，孫憲坤，史志才.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用:基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列微控制器[M].北京：清華大學出版社, 2016.

[2] 仲偉波，包亞萍，付躍文，等.關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學的幾點思考[J].實驗室研究與探索,2006,25(12):1565-1568.

[3] 王福剛，楊文君，葛良全.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].計算機測量與控制,2014,22(12):3843-3863.

[4] 任 哲.嵌入式實時操作系統(tǒng) 原理及應(yīng)用[M].4版.北京：北京航空航天大學出版社,2016.

[5] 宋焱翼，陳 禮，顏 芳.嵌入式系統(tǒng)實驗教學改革與實驗教學裝置開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2011,30(7):239-241.