嵌入式系统设计课程实践教学改革研究

车 明，于 华，张 钢

(天津大学 计算机科学与技术学院，天津 300072)

嵌入式系统设计课程实践教学改革研究

车 明，于 华，张 钢

(天津大学 计算机科学与技术学院，天津 300072)

为了提升学生的系统能力，对嵌入式系统设计课程进行了实践教学改革。提出以单片机为核心的嵌入式系统综合实验，为学生提供嵌入式系统的动手实习环境，帮助学生全面掌握嵌入式系统的基本原理及设计开发方法。根据实际需求提出实验项目，要求学生以小组方式完成嵌入式系统开发实现的全过程。可以用比较少的投入达到比较好的实验效果。已经有四届计算机工程专业方向的学生进行了嵌入式系统设计综合实践，取得了令人满意的效果。

嵌入式系统；系统能力；实践；教学改革

1 研究背景

目前国内外知名大学在计算机系统的教学中，为了提升学生的计算机系统设计能力，已经将计算机系统实现技术的各个方面进行了整合，将单一的分项技术实验综合为系统综合实验，有效地强化了学生综合利用所学知识解决实际问题的能力。

以前，天津大学计算机科学与技术学院的很多实验基本上是以单项技术实验为主，学生缺乏系统的综合训练。2006年学院开始实行分专业方向培养，在计算机科学与技术专业中设置了计算机科学、计算机工程、计算机及信息技术3个专业方向[1]。无论是在IEEE-CS/ACM制定的2004版Computing Curriculum - Computer Engineering (CE2004)中[2]，还是在教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会2006年制定的“高等学校计算机科学与技术本科专业规范(试行)”[3]中都把嵌入式系统列为计算机工程专业方向的核心课程。对计算机工程专业方向的学生来说，嵌入式系统以及相应的系统综合训练对于培养计算机系统的设计能力尤为重要。为了加强综合训练，本文申请并承担了天津大学本科实验教学改革与研究计划项目“单片机嵌入式系统综合实验研究”，对嵌入式系统设计课程进行改革，提出以单片机为核心的嵌入式系统综合实验，可以用比较少的投入达到比较好的实验效果。在此基础上，天津大学计算机科学与技术学院修订了本科生培养计划，为计算机工程专业方向的学生在第七学期增设了一门40学时的嵌入式系统设计综合实践类课程。嵌入式系统设计综合实践课程与第六学期开设的嵌入式系统课程能够形成前后衔接的、理论与实践密切结合的体系。

一套单片机系统，“麻雀虽小，五脏俱全”，系统成本低，但结构完整，涉及计算机结构的各项知识，在嵌入式系统中有着广泛的应用。

2 课程目标

嵌入式计算机系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用计算机系统。21世纪是嵌入式系统时代，由于其功能齐全、功耗低、可靠性高、适应面广等诸多特点，人们日常生活和工作中所接触的仪器与设备都离不开嵌入式计算机系统。本课程旨在为学生提供嵌入式系统的动手实习环境，帮助学生全面掌握嵌入式系统的基本原理及设计开发方法，了解和掌握基本硬件系统的设计开发及相关CAD工具的使用，将所学知识应用于实际问题的解决，提高动手能力，巩固相关知识。

由于嵌入式技术的发展非常迅速，应用需求也在不断变化，同时嵌入式系统还会涉及数字与模拟电路、C语言程序设计、单片机原理、传感器与检测技术、信号与系统等多方面的内容[4]。因此，嵌入式系统设计人员应该掌握计算机的基本工作原理，具有较好的程序设计能力，具备较宽的知识面，如熟悉数字电路和常用芯片，了解专用芯片，能充分利用可编程逻辑CPLD和FPGA电路，以及团队协作精神等方面的基本素质。进行嵌入式系统设计的关键点是理解并掌握嵌入式系统基本硬件部件的设计；理解并掌握嵌入式系统实时监控软件和应用软件开发技术；理解并掌握嵌入式系统可靠性设计与调试手段。

培养计算机系统设计能力的可行方法之一是让学生参与到实际的计算机系统设计项目中，了解系统设计的过程、工具和方法。所以，本文提出以实际需求为驱动，要求学生完成一个嵌入式系统开发实现的全过程。包括：完成硬件、软件的功能分配，学习系统功能的软硬件分配方法；进行主控数字系统硬件的设计和制作，提高实际的动手能力；结合所设计的硬件电路，设计相应的驱动软件和功能软件；对嵌入式硬件和软件进行分别测试与综合测试，学习发现问题的方法，提高解决问题的能力。学生分组完成设计，锻炼学生的协作开发和组织能力。

学生通过系统硬件平台的分析、设计、实现和相关软件系统的开发，以及对嵌入式系统相关知识的综合利用，可以掌握嵌入式计算机系统的设计原则及设计步骤，深入了解嵌入式系统各个组成部分具体的设计方法，提高利用所学知识解决实际问题的能力。学生在完成本课程的学习后，能独立设计并实现一个小型的嵌入式计算机软硬件系统，解决相关实际应用问题。

3 教学内容

根据课程目标和前导课程嵌入式系统课程的教学内容，提出了嵌入式系统设计课程的主要教学内容。教学内容围绕着实现一个嵌入式系统所需要的步骤、工具、部件和接口展开，具体内容如表1所示。

表1 嵌入式系统设计课程主要教学内容

4 教学方法与过程

1)首先给出一个确定的实际需求问题描述，在此阶段鼓励学生提出自己感兴趣的需求问题，令其对实际需求进行描述、讲解，由教师判断其是否达到本课程的学习目标，或者是否超出了在本课程内完成的可能，对于可行的需求将允许学生开展相关设计工作；没有提出自己需求的学生将完成由教师提出的标准需求问题。

2)确定需求后，开始进行系统结构设计，完成系统硬、软件及执行装置的功能划分；进行系统硬、软件选型工作。

3)结构设计方案确定后，开始系统硬件设计，借助计算机辅助设计软件完成硬件逻辑电路图的设计。在此阶段将进行第1次设计验收，教师对学生的设计结果进行检查，指出错误、改进设计，并评定阶段成绩。

4)硬件逻辑电路图完成后，开始借助计算机辅助设计软件完成电路版图设计。在此阶段将进行第2次设计验收，教师对学生的设计结果进行检查，指出错误、改进设计，并评定阶段成绩。同时选出优秀的设计结果，委托电路板制作企业进行电路板制造，学生将得到自己亲自设计的电路板成品。

5)在电路板制造期间，学生(或教师)将采购相关的电子元器件，同时学生将开始相关软件的设计工作。

6)得到电路板成品后，学生自己完成焊接、调试工作，得到系统的硬件组件，之后可将设计的软件下载到硬件组件中进行调试、改进，最终完成设计任务。在此阶段将进行第3次设计验收，教师对学生的设计结果进行检查，同时对相关设计问题提问，根据设计任务的完成质量及回答问题的准确度评定本阶段成绩。

7)学生提交实验报告，教师根据各阶段成绩评定课程成绩。

8)由2～3名学生组成一个实践小组，进行明确的任务分工，共同完成开发任务，在此过程中锻炼学生们的协作开发和组织能力。

5 结束语

为了配合嵌入式系统设计的教学改革工作，我们编写了“嵌入式系统综合实验课程大纲”和“嵌入式系统综合实验指导书”。已经有四届计算机工程专业方向的学生进行了嵌入式系统设计综合实践，取得了令人满意的效果。“嵌入式系统综合实验教学改革”获得2013年天津大学优秀教学成果二等奖。

本论文工作得到天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划重点项目——面向卓越人才培养的计算机工程方向系统设计能力培养体系改革研究的支持。

[1]张钢.计算机科学与技术专业分方向培养方案研究[J]. 计算机教育， 2011(7):11-14.

[2]Computing Curriculum-Computer Engineering (CE2004). IEEE CS/ACM， 2004.

[3]教育部计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 徐玉，童长飞. CDIO工程教育模式下的嵌入式系统实践教学[J]. 计算机教育， 2013(10):108-110， 115.

Research on Practice Teaching Reform of Embedded System Design Course

CHE Ming， YU Hua， ZHANG Gang

(School of Computer Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to enhance students’ system ability, the practical teaching of embedded system design course is reformed. We have designed a comprehensive experiment in embedded system design course using single chip microcomputer. The comprehensive experiment can provide practice environment and can help students to hold the principle and design method of embedded systems. All projects in the comprehensive experiment are based on actual needs. Students are asked to complete the process of embedded system development and implementation in group. The investment to build the comprehensive experiment system is less, but the effect is better. The comprehensive experiment of embedded system design has been done by four grades students of computer engineering. And our practical results are very well.

embedded system; system ability; practical; teaching reform

2014-08-19

天津市高等学校本科教学质量与教学改革研究计划重点资助项目(B01-0809)。

车 明(1964-)，男，硕士，副教授，主要从事嵌入式系统设计方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.064