“嵌入式系统”课程群的改革与实践

陈乃金，周鸣争

(安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000)

随着国际上深亚微米超大规模集成电路技术的迅速发展，各种具有集成度高、低功耗、高可靠性、高性能等特点的微处理器系统芯片被相继研发成功，从而使得架构嵌入式智能控制计算系统及物联网的融合成为可能，而且各种微型嵌入式系统产品已经渗透到人们日常生活中的方方面面，例如，个人手机、智能家电、汽车电子、无线传感器网络传输等多个领域，嵌入式系统也是一门综合性课程，它涉及数字与模拟电路、系统芯片版图设计与流片、门级、寄存器级、linux等操作系统、微机接口技术等无线网络的嵌入与融合等诸多专业知识，这就对“嵌入式计算系统”课程群的设计与教学提出了一定的挑战。“嵌入式系统”课程群融合了计算机科学与技术、微电子科学与电子信息工程、通信工程、应用与计算数学等多个学科，传统的计算机科学与技术的课程群和教学理念已不能适应“嵌入式计算控制系统”课程的教学。故以“嵌入式计算控制系统”课程群为中心开展研究性和创新性教学，激发培养学生的解决分析问题能力、善于思考问题的能力、理论联系实际的能力等是现代高等教育迫切解决的问题之一。［1］

1 嵌入式系统的定义及特点

嵌入式系统是以设计、应用、开发、系统多指标评测等为中心，以微电子技术、计算机技术等为基础，与无线传感器网络相融合，软硬件可裁剪，要求系统功能强，可靠性高，安全性好，成本和体积小，功耗低，具备智能性、可计算性、可控制性的计算系统，它属于并没有脱离计算机系统结构范畴，可有计算与存储功能，可与物联网、云计算相融合的计算机系统。

嵌入式系统具有以下特点:①具有控制与计算功能。②具有高可靠性、低功耗等功能。③具有可裁剪、扩展和融合的功能。

2 嵌入式系统教学的课程体系

通过对本科生教学及结合嵌入式领域相关项目研究的实际，加深了对嵌入式计算控制系统了解，图1给出了大致的嵌入式计算控制系统结构设计、应用、开发的课程体系，仅仅是给不同办学定位的大学教学科研人员参考。

因为由图1可知嵌入式系统涉及了软、硬件、微电子、数学等诸多知识，所以仅仅通过增加二、三门嵌入式的课程远远不够的。由于不同大学的办学定位、不同学生的专业知识背景、嵌入式计算控制系统课程群涉及的课程多、课时少的实际情况，所以设置相应的嵌入式课程群差别较大。

我校的办学定位是面向应用的，所以在嵌入式课程体系设计上，我们规划了2门课程:《嵌入式操作系统(以μCOS/Ⅱ和μCLinux为主)》、《嵌入式指令系统及C/C++开发》，由于WinCE、VxWorks等嵌入式操作系统不开源，需要购买，所以没有考虑，而且我们正在规划《嵌入式与物联网概论》、《无线传感器网络原理及应用》2门课程，因为该两门课程与嵌入式在无线网络传输及开发方面有较为紧密的联系。

图1 嵌入式系统教学课程体系(包括设计和应用开发)

3 嵌入式系统的实验教学平台及理论、实验教学设计探讨

3.1 实验教学平台

我们采用嵌入式实验系统平台包括两种类型:①博创UP-NETARM3000(ARM7 TDMI处理器)实验箱30套，其包括主板、JTAG实时仿真器接口(14pin和10pin两种标准)、PC机、相关的串口、并口线、以太网线、CAN总线等。采用的操作系统是μCOS/Ⅱ，理由是该操作系统免费且覆盖了嵌入式实时操作系统的功能，简单易学，特别适合初学者。②S3C2410(ARM9处理器)实验箱10套，实验采用的操作系统是μCLinux，目的是结合计算机系统系统结构使本科生或研究生对基于流水线架构的哈佛结构的计算机系统有实物上的理解，同时开发一些应用工程软件。

3.2 理论教学

我们在理论和实验教学方面参考了文献［4-6］，并且在文献［7］约定的内容教学之上，我们增加了以下教学内容:

(1)计算机系统结构数学建模探讨;

(2)基于嵌入式系统寄存器级和系统级软件仿真评测的开发。

(3)嵌入GPRS和GSM等构成移动通信终端，实现无线网络检测，短消息收发等讲解，并增加了物联网相关知识的串讲。

(4)加强了linux操作系统的命令讲解、在linux软件开发、内核调度算法等方面做到精讲精练。

(5)嵌入式多核处理机系统结构的介绍及linux多核多线程技术的讲解。

3.3 实验教学

在文献［7］约定的实验教学之上，我们重点对以下几个方面的实验进行了加强:

(1)各个API接口函数的熟悉使用。

(2)基于μCOS/Ⅱ操作系统的音视频采集播放实验、基于嵌入式开发平台的数字图像处理及人脸、指纹识别模块实验，Web服务器实验等较大适用系统的开发。

(3)尝试难度较大硬件扩展模块实验例如:语音匹配的无线点菜系统的设计与开发等。

(4)进一步熟练掌握程序装载(Bootloader)、内核移植和编译实验，内核、根文件系统烧写实验，并对在下载出现的各种故障进行分析并给予解决。

(5)增加嵌入式系统综合课程设计，如进行机器人搬运赛课程设计等。

学生的本门课的成绩构成为:期末考试(40%)+平时实验(20%，包括考勤+提问+作业等)+课程设计实验(40%)，从而真正做到了提高学生动手能力成绩的比重。

4 实际教学效果

表1给出了我校“嵌入式系统”课程体系建设前后的比较结果，并同时达到以下教学效果:

(1)学生不但了解嵌入式计算机系统架构，而且可以通过编译好的程序下载到开发版，实现脱离PC运行的实际效果。

(2)学生动手能力明显增强，例如在专业老师的指导下，我院学生分别在“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛安徽赛区，“紫光优蓝”杯2012年安徽省第四届机器人大赛暨全国机器人邀请赛机器人搬运等大赛中获奖。

表1 “嵌入式系统”课程建设前后的比较

5 结语

5年来的嵌入式系统的教学实践证明，培养了学生学习、研发嵌入式系统的主动性，提高了学生解决问题和独立思考的能力。目前我院嵌入式系统的改革仍然在进行中，例如我院已经购买一套与嵌入式系统相融合的基于无线传感器网的物联网平台，建立了本科生嵌入式系统创新性实验室，通过渗透综合设计开发、互动交流、勤于思考，敢于创新等理念来进一步完善和优化我院嵌入式系统课程群建设。

［1］ 张福炎，俞建新.漫谈当前的嵌入式系统教学［C］∥全国第五届嵌入式系统学术交流会论文集，北京:北航出版社，2004:82-84.

［2］ 何立民.嵌入式系统定义域发展历史［J］.单片机与嵌入式系统应用，2004(1):6-8.

［3］ 何立民.从嵌入式系统视角看物联网［J］.单片机与嵌入式系统应用，2010(10):5-7.

［4］ 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发:基于ARM微处理器与μCOS/Ⅱ实时操作系统［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［5］ 李驹光.ARM应用系统开发详解:基于S3C4510B的系统设计:第2版［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［6］ 凌明，王学香，钟锐.电子类专业嵌入式系统课程体系建设探索［J］.电气电子教学学报，2007，29(5):4-6.

［7］ 陈乃金，周鸣争.“嵌入式系统”课程教学的设计［J］.合肥学院学报:自然科学版，2008，18(4):82-89.