基于系统能力培养的嵌入式方向课程体系研究

王维，李红，康世英



基于系统能力培养的嵌入式方向课程体系研究

王维，李红，康世英

（咸阳师范学院，咸阳 712000）

在后PC时代，在嵌入式系统、云计算、物联网等各种新型计算及应用都对系统能力提出了要求。结合我校计算机科学与技术专业发展现状，提出了基于系统能力培养的嵌入式方向课程体系，依据该课程体系规划课程内容，并取得了较好的效果。

系统能力；嵌入式方向；课程体系

0 引言

随着物联网、智能信息家电、智能控制技术的迅速发展，基于嵌入式系统的新器件、新设备不断推出，急需各类嵌入式系统软硬件开发、研究、产品研制人员，这就要求计算机科学与技术专业在嵌入式方向的人才培养过程中，应重点培养学生的系统能力。

1 系统能力的内涵

中国计算机学会计算机教育专业委员会在《2012中国计算机科学技术发展报告》中明确提出：相比较其他专业学生的计算机基础和应用能力，计算机专业学生更强调计算机系统能力的培养[1]。南京大学的袁春风等认为, 计算机专业学生的优势之一在于计算机系统能力，即具备计算机系统层面的认知与设计能力、能从计算机系统的高度考虑和解决问题[2]。

计算机专业学生的系统能力是指在掌握计算机系统基本原理的基础上，熟悉如何进一步开发构建以计算机技术为核心的应用系统[3]。这要求学生不仅要掌握常用的编程语言，更要清楚计算机系统内部软件、硬件之间的关联关系及逻辑层次结构。这从工程教育的角度对计算机专业提出了更高的要求，系统观的教育对于计算机专业嵌入式方向的学生尤其重要。

2 当前教育存在的问题

在当前计算机科学与技术专业设置的课程体系对学生的系统能力培养存在以下问题：

1）开设的专业课程之间的衔接和关联考虑不够，课堂教学内容只围绕所讲课程核心内容组织，很少体现和其他课程内容之间的关联，导致学生无法将前导课程所学内容融入学习中，同时由于缺少对后续课程的认识，甚至不知学习该门课程的意义所在，无法从计算机系统的角度定位该课程。

2）由于学生不具备系统观，理论知识理解不深，导致学生在实践环节出现各种问题。在开始接触实验时兴趣非常大，但由于知识理解不够，实验无法顺利完成，渐渐失去兴趣，害怕做实验，最终演变成不想做甚至讨厌做实验。

总体来说，目前在计算机专业的教学中缺乏对学生系统能力的培养。在后PC时代，在嵌入式系统、云计算、物联网等各种新型计算及应用都对系统能力提出了要求。本文主要针对我院计算机专业嵌入式方向的课程体系设置在系统能力培养方面展开研究。

3 嵌入式方向课程体系设置思路

结合后PC时代，嵌入式系统对人才的要求不仅仅是掌握嵌入式系统开发的基本理论和方法，更重要的是具备嵌入式系统软硬件的设计与开发，即在系统能力方便提出了更高的要求。

结合我校学生实际，计算机科学与技术专业课程包括基础课程和嵌入式方向课程。基础课程包括软件课程和硬件课程两部分，其中软件课程主要包括C语言、面向对象程序设计、数据结构、数据库原理及应用、操作系统等，主要训练学生的编程能力和系统开发能力；硬件课程主要包括：模拟电路、数字电路、计算机组成原理、微机原理与接口技术等，帮助学生掌握必备的硬件知识，对计算机系统的组成从底层元器件的学习、基本逻辑电路及逻辑部件的学习到计算机五大组成部分的学习，使学生对计算机系统有一个较清晰的认识。

在以上基本课程学习完毕后，展开嵌入式方向课程的学习。嵌入式方向课程体系设置的基本思路是：先讲底层具体的嵌入式系统的体系结构，再讲顶层比较抽象的嵌入式应用开发用到的编程方面的内容，同时可以添加嵌入式开发中嵌入式操作系统的学习，然后从两头到中间，把顶层程序设计内容和底层电路内容按照程序员视角全部串起来，介绍驱动程序开发及嵌入式应用系统的开发，达到在嵌入式方向课程学习中对系统能力和动手能力培养的目标。

嵌入式方向课程主要包括嵌入式体系结构、嵌入式操作系统、嵌入式软件设计及嵌入式系统设计与应用开发等课程。由于基础课程中缺少一门涉及在计算机硬件系统上应用软件编程语言开发系统的课程，因此在该课程体系中引入单片机原理，该课程主要讲述51单片机，使学生进一步学习程序设计语言如何控制单片机的功能部件，实现相应功能。该门课程的引入，有助于学生将计算机系统的底层设计与应用有机结合，奠定系统软硬件开发的基础，同时由于单片机课程简单、具体，能够提高学生学习的积极性，有助于后续嵌入式方向课程的学习。基于嵌入式方向课程体系的相关课程设置方案如图1所示，图1横轴部分是计算机系统的各个抽象层（只表示该课程体系用到的部分层次），纵轴表示课程开设的时间，右边矩形框表示课程，其上下两条边的位置标识课程内容在系统层次中包括的范围，矩形的左右两条边的位置标识课程开设的时间。

4 规划嵌入式方向课程内容

依据嵌入式方向课程体系，需对方向课程内容进行规划。该方向课主要基于ARM9硬件平台和嵌入式Linux操作系统展开。

1）嵌入式体系与结构中主要讲解ARM9处理器及外围控制电路相关内容，包括ARM体系结构、指令系统、GPIO编程、异常中断处理及编程、串行通信接口、存储器接口、定时器编程及接口、A/D转换器及LCD接口，编程采用Keil公司的MDK，该MDK是ARM公司最新退出的专业嵌入式开发工具ReakView工具集，编程语言选用C语言；

2）嵌入式操作系统选用可配置、开源的Linux操作系统，如图1所示。

图1 嵌入式方向课程体系相关课程设置

主要讲解操作系统的存储管理、进程管理、文件管理、设备管理等几个核心模块，包括内核代码的部分分析介绍，为后续进行驱动程序的开发奠定基础；

3）嵌入式软件设计主要讲解利用Qt开发应用程序，介绍信号与槽的实现机制、对话框、主窗口、布局、文本输入和表、容器类、目录与文件处理、事件机制等内容，该部分学习基于Windows平台学习Qt；

4）嵌入式系统设计与应用开发课程以前三门课程为基础，通过介绍交叉编译器、BootLoader、Linux内核和根文件系统几部分内容构建嵌入式硬件平台，在此基础上介绍设备驱动程序开发，该部分是难点，需要用到体系结构和内核的知识，将前导课程有机结合到一起，然后讲解嵌入式开发环境Qtopia，及基于Windows平台的Qt如何移植到硬件平台，最后以综合性的嵌入式系统为例，围绕嵌入式硬件平台的搭建、底层硬件电路设计、驱动程序开发到上层应用程序的开发及调试、运行展开讲解，进一步提高学生的系统能力。

5 改革后的效果

依据该课程体系，组建嵌入式创新团队，使学生尽可能早地参与科研项目，鼓励学生参考嵌入式相关的大赛，提高学生的实际动手能力和系统能力。我院已连续多次组织学生参加“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛，在西北赛区多次获奖，并在国家比赛中获奖，取得了非常好的成绩。

6 总结

系统能力是ACM/IEEE CS2013在组织众多计算机教育专家深入调研基础上，对原有14个知识域进行适度调整，增加4个涉及系统级的内容，由此可见，在CS2013的重点是进一步强调系统知识和系统能力的培养[4]。本文结合我校计算机科学与技术专业现状，重点研究嵌入式方向课程体系设置及内容规划，提高学生系统能力的培养。

[1] CCF计算机教育专业委员会.计算机专业学生系统能力培养和系统课程设置的研究与进展.2012中国计算机科学技术发展报告[R]，北京：机械工业出版社，2012:122-150.

[2] 袁春风，王帅.系统能力培养初探[J].中国计算机学会通讯，2013,9(9)：48-55.

[3] 王志英等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013,(9):1-6.

[4] The Joint Task Force on Computing Curricula of ACMIEEE. Computer Science Curricula 2013 Ironman Draft(Version 0.8)[EB/OL]. [2013-03-26].http://ai.stan ford.edu/users/sahami/CS2013/.

Research on Curriculum Structure of Embeded Aspect Based on System Practice Trainning

Wang Wei, Li Hong, Kang Shiying

(Computer Institute of, Xianyang Normal University, Xianyang 712000, China)

In the post-PC era, various new computing and applications, such as embedded systems, cloud computeing and The Internet of Thing, make demands on system capability. According to the development status of the computer science and technology specialty, the curriculum of embeded systems based on system-oriented practice trainning is proposed, the content of the course is planed, and have achieved good effects.

System-oriented; Embeded direction; Curriculum structure

1007-757X(2016)12-0026-02

TP311

A

咸阳师范学院校内教改（201302025），省级计算机科学与技术专业（陕教高[2011]38号）

王 维（1981- ），女，咸阳师范学院，讲师，硕士，研究方向：嵌入式系统,咸阳 712000

李 红（1978-），女，咸阳师范学院，讲师，硕士，研究方向：嵌入式系统,咸阳 712000

康世英（1980-），女，咸阳师范学院，讲师，硕士，研究方向：嵌入式系统,咸阳 712000

（2016.05.12）