嵌入式系统竞赛与课程建设如何相互促进

张 炯 牛健伟

摘要:本文首先阐述了计算机系统设计竞赛与教学工作相互促进的意义,并具体以嵌入式系统的竞赛与课程建设为着眼点,介绍了北京航空航天大学嵌入式系统课程的教学理念、教学内容和教学方法,并以具体的嵌入式系统设计竞赛实例,说明竞赛与教学这两者之间的相互支撑作用。

关键词:竞赛;嵌入式系统;课程建设

中图分类号:G642文献标识码:A

1引言

根据Intel资深院士Gene Meieran博士的看法,汽车是20世纪的工业产品代表,集成了大量的以能源密集型的工业技术;而计算机则代表了21世纪工业发展方向的集成,信息密集型技术成为关键,两者对比如图1所示。

更进一步的解读,可以发现以上的对比说明,20世纪工业效率高低依赖于能源的分发(Energy Distribution)是否高效,其效果特征是粗放式的功耗管理导致能源的浪费,典型后果是全球性的能源危机和气候变暖;21世纪工业效率高低依赖于知识和信息的传播(Knowledge Distribution)是否高效,其效果特征是计算需求剧增而同时存在大量信息浪费和分布不合理,典型后果是知识爆炸和垃圾信息的困扰。

从IT技术的角度来看,如何面对上述对比而扬长避短来迎接这种挑战现状呢?我们认为,很重要的一个原则是,要让知识和信息更高效的传播,既要提供更强的计算能力来应对信息爆炸,还要让计算所依赖的能量消耗得到更精细的控制,两者的结合点就在于并行计算和嵌入式的计算的融合,而汽车和计算机恰恰是嵌入式系统在两个不同发展阶段的典型代表。从技术进步的现实来看,汽车上的嵌入式计算系统越来越多,计算能力越来越强,可以对能源的消耗有更精细的管理和控制,现代的节能汽车依赖于计算能力的进步;另一方面,随着计算能力提高而增加的功耗可以利用多核处理器架构来相对降低。“2008年英特尔杯国际大学生嵌入式系统专题邀请赛”恰恰就是一个体现这种思想的竞赛活动,其竞赛内容对并行计算和嵌入式系统计算都有很高的要求,在具体的竞赛系统实现上则要求两者很好的融合。

近年来,中国嵌入式系统市场发展十分迅猛。在这种背景下,北京航空航天大学计算机学院于2003年初为我院本课生和研究生开设了“嵌入式系统”课程(以下简称“本课程”),在课程建设过程中得到了Intel公司的大力支持。该课程的一个重要原则是,在重视对基本专业知识的全面理解和综合运用的基础上,更加注重对学生学习兴趣的调动和创造力的培养。由于“嵌入式系统”课程是一门实践性很强的学科,因此我们在教学过程中,十分强调理论和实践相结合,突出实验课程的重要位置。

理论教学与实践相结合的方法,除了设置较高课时比例的实验课程内容,在“嵌入式系统”课程中还体现在与完整具体的实际系统设计需求相结合。更进一步地,嵌入式系统设计竞赛,由于应用需求的复杂性和多样性,往往需要结合多种硬件、软件、工具和设计方法来完成设计,对于学生能力的全面考察更具意义,故本文以嵌入式系统设计竞赛和相关教学工作相互的有益影响为着眼点,分析两者之间的相互支撑作用。本文以我院2005级本科生参加“2008年英特尔杯国际大学生嵌入式系统专题邀请赛”与本课程关系的案例,谈谈竞赛与课程建设相互支持,促进创新的几点感想。

2课程内容简介

本课程设计为:本科三年级春季学期,48学时(其中,理论24学时,实验课24学时),2学分。为配合该课程的教学需要,自主编写了《嵌入式系统设计实验教程》。课程实验依托北京航空航天大学国家级实验中心的嵌入式系统实验室,该实验室得到了美国Intel、Microsoft、Altera、Mentor Graphics等公司的支持和赞助。实验室设备先进,软硬件功能齐全,实验理念和技术水平与国际接轨,为学生提供了一个综合设计与开发的实验场所。主讲教师受到Intel高校合作计划的资助,多次参加国内外相关技术和教学研讨会。 本科生的实验课包括基本实验和综合设计实验。综合设计实验主要培养学生综合设计能力和创新意识,由学生独立提出、设计并实现,要求学生自由组合为3～5人一组,设计并实现一个嵌入式系统,鼓励学生提出原创性的内容,同时结合实验平台的特点提供部分备选题目,如POS机、游戏机(Game Machine)、ATM机、打印机等。学生可以根据自己的空闲情况,自由安排其实验时间。项目实验的题目由教师推荐和学生自选相结合,因此既可以调动学生的积极性,培养学生的创新潜能,又达到了培养学生综合创新能力的目的。

项目式的实验管理过程是本课程实验部分的一个亮点。并非所有实验小组都能取得试验资格,需要根据其对选定方向所作调查和准备工作的具体情况来进行评估,合格者方可获得实验资格。为便于上述评估,实验小组应按顺序提供下列实验文档,格式符合相应软件工程文档的规范。

(1) 实验项目申请书(Project Proposal)

实验项目申请书应该是一份描述试验计划的报告,说明实验者选择的试验方向,为何选择该方向,感兴趣的地方何在,可行性如何。该申请需要答辩通过由任课老师及助教组成的评审团的审查。该报告中应该包括如下组成部分:

 实验动机(Motivation for the project);

 设计目标(Description of what it does);

 技术路线(Description of how you plan to do it in brief);

 需要的支持(Help needed);

 概要步骤(Possible steps in brief)。

(2) 实验计划

在实验者上述的试验申请获得批准后,应该完成实验项目计划书(Experiment/Project Plan)。

实验项目计划书应该包括:

 项目需求(Requirements);

 系统结构(Architecture);

 测试方案(Testing);

 实验时间(Time estimates);

 可能的检查点(Checkpoint)。

(3) 实验的仿真验证

因为并不是所有的实验内容都可以并且需要真的完成目标系统的真实功能,所以实验者应进行实验的仿真验证,即通过在实验平台上以仿真系统的形式来验证实验计划中提出的系统结构。该仿真系统应该包括与目标系统一一对应的软件和硬件,能够完成目标系统的基本功能,并最终作为本实验的演示系统。

(4) 课程设计实验报告(The Final Report)

完成实验后,实验者应提供关于试验的课程设计实验报告(The Final Report),该报告同样必需通过最终的答辩,获得评审团的评价,以便结合实际演示给出实验成绩。具体内容应该包括:

 实验环境介绍(Environment);

 准备情况(Preparation);

 设计流程(Design Process);

 难度分析和评估(Difficulty);

 实验结论(Conclusion);

 经验体会(Experience)。

以2008年春季课程本科生第四次实验为例,共60名本科三年级学生参加并完成试验,实验中分为12组,每组5人,其中11组在课程内完成实验,完整提交了上述所有要求的文档,符合每个检查点的要求。另有一组参加“2008年英特尔杯国际大学生嵌入式系统专题邀请赛”,未能参加所有基础实验,但由于竞赛成绩突出,最终给予该小组优秀成绩。

3案例分析

2008年3月～7月,我院3506大班的沈悦雯、朱沥可、慕腾飞3名本科三年级学生组队参加了“2008年英特尔杯国际大学生嵌入式系统专题邀请赛”并获得了二等奖,参赛项目为“TransCube-基于Visual Hull算法的立体传真机”,指导教师为张炯博士。该竞赛由教育部高等教育司和信息产业部人事司共同主办,英特尔(中国)有限公司协办,上海市教委、上海交通大学承办。邀请赛邀请中国大陆,香港,马来西亚,印度及美国共72所高校,160支队伍参加。全国专家组于2008年7月15日至21日对参赛项目进行了严格的评审。

回顾竞赛的过程,我们认为有以下经验值得参考。

(1) 充分利用“嵌入式系统”课程同期开设的有利条件。由于本次比赛是属于面向嵌入式系统应用的竞赛,所以在理论课的讲授过程中,就可以进行有针对性的准备,既能锻炼参赛选手,也对未参赛的同学有所帮助。在实验课的部分,由于本课程鼓励原创性设计,并采用项目式的实验管理模式,而且同样需要进行文档整理和演示答辩等环节,与竞赛在形式和内容上都颇有相似之处,使得参赛选手非常适应这种锻炼方式。

(2) 注意分析竞赛要点从而强化参赛项目中相应的关键点。本次竞赛首先是嵌入式系统设计竞赛,但由于竞赛项目的硬件平台是Intel公司提供的双核处理器平台,所以本次竞赛与前三届的一个重要不同在于增加了多核并行编程的得分点。基于这个考虑,我们在3个参赛选手中特别安排了1名同学来专门进行这个得分点的分析、设计和编程。由于在本课程建设内容中已经包括了“多核计算架构”等课程内容,所以该同学已经初步具备了相关基础,使得这个工作得以很好地完成。

(3) 重视项目的创新性,鼓励参赛选手的主观能动性。为了竞赛的创新性和公平性,我们在得到竞赛通知后没有任何项目基础甚至项目创意的情况下组队,之后用了一周的时间由指导教师组织3名参赛选手一起进行多次头脑风暴形式的讨论会,逐步明确了项目创意,并初步进行了可行性分析。由于创意来自个人灵感和集体批判,充分体现了参赛选手的创作意愿,所以在以后的设计和实现过程中,虽然遇到了一些困难,大家都积极而乐观的去克服。几位参赛选手多次表示,由于对项目本身很有兴趣,所以积极性很高,是否得奖反而不成为关注的重点。图2是参赛选手自己动手制作“立体传真机”的“传送箱”。

(4) 注意与参赛过程的生态环境充分互动。参赛过程是动态的,有时间跨度,也有空间的转换。给参赛选手创造便利的时间和空间是必要的,所以我院各个部门的大力支持非常有帮助,前者如允许他们在“嵌入式系统”课程的实验课时间进行参赛项目的研发,后者如我院特别为他们提供了专用实验场所。

4结束语

本次竞赛参赛经历和“嵌入式系统”课程几年来的教学实践表明,与工业界和市场需求结合,面向实践的教学实验模式的建立与实施,实现了教与学的有机结合,理论教学和实践环节的高度统一,优化了学生的知识结构,培养了学生的创新意识,提高了学生的综合设计和工程实践能力,成为了在竞赛中取得好成绩的重要基础。理想的课程建设应该在满足课内授课目标的基础上,尝试从能力锻炼的角度以竞赛等形式促进创新能力的培养。

参考文献:

[1] 牛建伟,张炯. 北京航空航天大学嵌入式系统课程建设[J]. 计算机教育,2007(7):64-65.

Embedded System Designing Contest Supported Each Other with Related Curriculum

ZHANG Jiong, NIU Jian-wei

(School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China)

Abstract: We think embedded system designing contest has a good support effect with related curriculum and vice versa. This paper analyses a contest case to support this point and list some experience points after discussing the teaching concept, content and methodology of embedded system course of Beihang University.

Key words: contest; embedded system; curriculum; computer education