嵌入式实验教学体系研究

2011-08-15田浩

湖北经济学院学报·人文社科版 2011年11期

关键词：嵌入式操作系统嵌入式实验教学

田浩

（1.湖北经济学院法商学院，湖北武汉430205；2.湖北经济学院电子工程系，湖北武汉430205）

嵌入式实验教学体系研究

田浩1，2

（1.湖北经济学院法商学院，湖北武汉430205；2.湖北经济学院电子工程系，湖北武汉430205）

实验教学是嵌入式教学体系中的重要组成部分，为达到良好的教学效果，需要建立合理的嵌入式实验教学体系。分析了嵌入式实验教学的特点，从嵌入式实验中课程的衔接关系、嵌入式实验环境的设计、嵌入式系实验内容的设置等方面提出了建立嵌入式实验教学体系的思路与方法。

嵌入式技术；实验教学；特点；实验内容；方法

随着嵌入式技术在各个领域来越广泛的应用，嵌入式系统的市场快速增长，嵌入式人才需求正逐渐在增大，越来越多的高校开始专门培养嵌入式技术人才。对这些高校来说，如何接受嵌入式技术带来的挑战，尽快合理开设嵌入式系统的相关理论与实验课程，并通过对其研究、探讨与实践，逐渐形成较规范的教学体系已成为一个重要的研究课题。

一、嵌入式实验教学的特点

实验教学在整个嵌入式系统教学中占据重要的地位，是学生掌握嵌入式系统设计技术的关键，相比传统的专业教学，嵌入式教学中的实验教学比重更大。但由于实验教学课时数有限，如何在这短短的实验学时内让学生能够全面理解嵌入式相关技术，对嵌入式系统的开发过程有一个系统的认识，掌握基本的嵌入式系统开发方法和工具，建立规范的嵌入式系统开发思维，是嵌入式实验教学成败的关键。要达到这些目标，就必须先熟悉嵌入式实验教学的特点。总的来说，嵌入式实验教学的特点可以概括为以下两点：

（一）实验涉及的知识面广，内容多

按照普遍被认同的定义，嵌入式系统是一个以应用为中心，以计算技术为基础，软硬件可剪裁的，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格综合性要求的专用计算机系统。从其中可以看出，嵌入式技术涵盖了计算机、电子、自动控制等多个学科专业的知识，具有很强的应用性和创新性。嵌入式技术开发是软件、硬件的结合，其实验内容既有硬件电路与系统设计，也包含应用软件的开发。

（二）实验针对性强，更新快

嵌入式技术的应用面广，更新速度快，新技术推出周期短，这就需要教师在日常教学中紧密关注嵌入式技术的发展动态，把握嵌入式技术的发展趋势，熟悉嵌入式新技术，并且能将新的嵌入式应用技术引入到日常教学活动中，及时调整实验教学计划，推陈出新，根据市场主流技术设计出新的实验项目。此外，嵌入式系统的开发主要属于定制开发，所开发的内容往往取决于用户的需求，针对性强。这就要求嵌入式开发人员对计算机、电子、软件等技术的掌握更加完整。如果不通过实际动手开发一个简单的应用系统，将会很难了解嵌入式开发的基本过程和基本特点。所以说，实验是掌握嵌入式技术最直接有效的办法。

从以上描述可以看出，嵌入式教学除了要重视理论教学外，更加要注重实践环节，特别要强化实验过程。在实际的实验教学中，教师应以市场需求为导向，注重培养学生的实践动手能力，所设计的实验内容应紧抓住以上两个特点，要为学生日后从事嵌入式系统的研究和设计工作打下坚实的基础。

二、嵌入式实验中课程衔接关系

嵌入式实验会涉及到多门课程的知识，在这些课程中学生会使用多种工具，接触到不同的软硬件系统，进行不同层次的软硬件开发和设计。处理好这些课程之间的衔接关系，合理确定课程实验的开设计划是建立嵌入式实验教学体系首要考虑的问题。正如在前期研究工作中提出的，嵌入式实验教学应该坚持“熟悉、尝试、开发”的实验教学层次[1]。“熟悉”阶段的目的是使学生了解开发环境和开发流程，掌握实验开发工具的使用方法，熟悉产品的特点，从而激发学生的学习兴趣；“尝试”阶段的目的是使学生掌握软、硬件平台的设计方法，锻炼他们的实践能力，从而达到“软硬兼施”的教学目的；“开发”阶段的目的是使学生能够综合运用所学课程知识进行初步的系统级设计，从而培养学生独立思考与设计的创新能力和相互协作的团队精神。按照这个思路，嵌入式实验中的课程可以按照“由浅到深”的衔接关系分为以下三个部分：

（一）含基础实验的课程

这个部分的课程在嵌入式教学体系中应该属于学科基础知识，学生主要学习与本学科相关的电学、计算机等基础课程，如嵌入式程序设计、电路分析基础、普通物理、模拟电子技术、数字电子技术和工程制图等，学习这些课程的目的是为后续专业知识的学习打下基础。这个部分的实验也由这些课程的常规实验组成，如C语言程序设计实验、简单电子系统设计实验等。电学和计算机的实验课程可以平行开设，但电学中的实验需要注意电路分析基础与电子技术等的先后关系。

（二）含专业实验的课程

此部分的课程学习目的是使学生掌握嵌入式系统设计的基本理论、基本工具和基本方法。这个阶段的课程可分为三个类别，即工具类，包括EDA技术等；信号与通信类，包括信号与系统、数字信号处理和通信原理等；计算机类，包括嵌入式操作系统、计算机组成与结构、单片机原理与应用和嵌入式微处理器等。这些课程的实验按照由先到后的次序依次开设为：信号与系统→数字信号处理→通信原理；计算机组成与结构→单片机原理与应用→嵌入式微处理器→嵌入式操作系统。

（三）含综合实验的课程

对于嵌入式教学来说，这个部分的课程应该有较强的应用性、综合性和设计性，主要包括嵌入式系统设计、嵌入式应用软件开发、嵌入式中间件开发等。由于这些课程基本上都是建立在前阶段课程的基础上，彼此之间约束性不强，因此对于这些课程的实验来说可以平行开设。

三、嵌入式实验环境的设计

嵌入式实验体系应该按照从底层到高层，从硬件到软件，从平台到应用[2]的思路来建设。因此在设计嵌入式实验环境时应该考虑嵌入式实验教学硬件平台的选择、嵌入式操作系统的选择以及嵌入式应用平台的选择等多个方面的内容。

（一）嵌入式实验教学硬件平台的选择

嵌入式技术的应用性强，其发展与市场需求联系紧密，嵌入式微处理器往往很大程度上决定了整个嵌入式系统的性能。因此，选择嵌入式实验教学硬件平台的首要原则是“选用主流的微处理器”。目前市场常见的微处理器很多，比如ARM、Rambus、MIPS等。其中以ARM为代表的32位处理器功能强大，应用灵活，是嵌入式技术发展的主流，目前ARM的市场占有率居第一位，被广泛应用于智能家电、手机、汽车电子、机顶盒等方面。市场上以ARM芯片为核心的实验设备很多，不仅价格上可以满足学校的要求，还可以得到厂商较好的技术支持，所以当前选择嵌入式实验教学硬件平台应以ARM微处理器为主，辅以其他芯片。其次，由于嵌入式系统的应用领域广，选择一款合适的实验平台，除了看其所使用的微处理器外，重要的就是该平台所支持的功能模块多少以及它的可扩展性。为了让学生能接触更多的嵌入式应用场合，所选择的实验平台要能够提供尽可能多的硬件资源[3]。

（二）嵌入式操作系统的选择

嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它决定了嵌入式产品的生命周期与特点。常用的嵌入式操作系统有μC/OSII、WinCE、Linux和VxWorks等，其中μC/OS-II、Linux属于开放源代码的操作系统，应用较广；而VxWorks、WinCE则是商业性的嵌入式操作系统。由于其开源性，目前许多高校的嵌入式理论教学中讲授内容以Linux为主，对应地，也都选择Linux作为实验对象，设计了比较典型的Linux环境下实验项目。为拓宽学生的知识面，也可以配套选择μC/OS-II操作系统。μC/OS-II同样也是一个开放源代码的实时操作系统，它采用C语言和汇编语言编写而成，结构简洁，适合实验教学。两者相互配合构成的实验软件平台可以完成大部分日常教学实验，能使学生了解操作系统的基本结构和基本概念，掌握嵌入式系统软件开发的技巧和方法。

（三）嵌入式应用平台的选择

“应用”是嵌入式系统的最终目标，因此在嵌入式实验环境的设计中应该考虑嵌入式应用平台的选择。就目前的嵌入式实验教学实际情况而言，最好的应用平台应该是各种大型的嵌入式学科竞赛活动。学生可以在这些大赛中锻炼实际应用能力，拓宽专业视野，发现不足。同时这些嵌入式大赛还可以让高校学生了解和掌握市场的最新技术，为他们走入社会做好准备[4]。

四、嵌入式系实验内容的设置

嵌入式教学中应该科学设置实验和项目内容。实验内容的选择应该由浅入深，首先应该安排基本技能训练实验。目的是锻炼学生的基本技能、基本设计思路，使他们掌握系统设计与测试的基本方法，熟悉基本设备和软件的使用方法，为后续实验和设计打下基础。特别要注意的是，这一阶段的实验内容设定应该遵循由浅入深的原则，先给学生安排一些任务较小，实验原理不太复杂，实验过程比较直观，同时又比较容易实现的实验，这样做的目的是为了激发学生学习的兴趣，避免在整个嵌入式实验初期使学生产生畏难心理和抵触心理。这个阶段比较典型的实验主要包括典型的电子技术实验、常见C语言实验、常用命令实验、嵌入式操作系统下编程环境实验、进程通信实验、ARM指令实验等。这些实验相对简单，属于验证性实验，比较容易实现。在这些实验过程中，应该对学生严格要求，使他们养成良好的实验习惯，为后续实验打下基础。

其次应该安排设计性的内容和项目，给学生发挥的空间，锻炼学生独立思考，独立解决问题的能力。该阶段的实验知识点涵盖所学多门课程的综合知识，涉及到的知识面比较广，主要有：Linux下驱动程序开发、嵌入式系统下利用多线程实验、CAN总线实现多点通信实验、socket实现网络间主机通信实验、根文件系统的制作实验、无线局域网通信实验、嵌入式操作系统的裁剪移植、交叉编译环境的建立、嵌入式Linux下程序开发和编译技术以及嵌入式Linux下基本驱动原理及其实现等[5]。相比前一阶段的实验而言，这些实验难度有所加大，要求学生对清楚掌握所学的原理和方法，能综合运用这些知识解决问题，特别要求学生锻炼其在多个环境下多门语言的编程能力。这阶段的实验主要锻炼学生的独立思考和独立完整完成简单系统的能力。

再次，随着专业知识内容的深入，实验内容应该以综合性、系统级的为主，目的是锻炼学生综合运用知识的能力、团队协作精神。在这个阶段，应该在工程和实际应用层面来要求学生，要引入和强调设计说明书、设计流程图、开发进度表、软件工程控制文档、电路结构图和测试报告等概念。在设置这个阶段的实验和项目内容过程中，应该牢记嵌入式技术“以应用为中心”的特点，要以市场主流需求为导向，项目的选取要贴近市场实际。如果条件允许，要尽可能地选择校企合作项目，或者聘请企业工程师来指导学生进行项目设计。

为了突出专业特点，鼓励学生的专业特长培养，在以上三个阶段的实验之外，还可以开设开放性、创新性嵌入式实验，这部分实验主要是针对那些学有余力并对嵌入式开发感兴趣的学生。此类实验支持学生自选制作题目、自拟方案、独立自主的完成实验项目的设计、组装与调试，主要由学生在课外自己完成，实验内容可以是学生根据自己的兴趣来设置，也可以由实验老师来指定。可成立专门的教师指导小组来负责审核学生设计方案的可行性、实用性，并在实验过程中采取灵活方式对学生进行必要的指导。学生完成的实验项目由指导小组进行评定。按创学分管理的有关规定，确定学生的成绩。