嵌入式课程的理论教学改革与实践

胡青　余嘉　苏玉刚

摘 要：针对51单片机课程无法满足人才培养要求的现状，配合卓越工程师计划对工程实践能力的较强要求，提出建设全新的32位嵌入式课程，具体说明课程以Cortex_M3内核的单片机为实验平台，讲解在CMSIS函数库基础上，以C语言编程完成嵌入式开发的方法，最后指出改革后的课程能够很好地实现课程培养目标。

关键词：Cortex-M3内核；嵌入式课程；课程改革

0 引 言

嵌入式技术的应用非常广泛，深入人们日常工作和生活的方方面面，采用嵌入式技术的家电、网络设备日益增加，也使嵌入式硬件和软件研发工程师成为近年来较为热门的职业之一。然而，高校嵌入式相关课程的内容与实际开发脱节严重，传统教学模式所培养的人才不能满足企业的实际需求，尤其是职业素质和实际动手能力与企业的要求差距大，嵌入式课程亟需进行全面深入的改革[1-3]。

1 嵌入式课程的现状

过去10多年中，大多数高校都开设了嵌入式技术的相关课程，51系列单片机以低价、易操作的特点成为市场主流，很多嵌入式课程以51系列单片机为对象介绍汇编语言，讲解如何进行嵌入式系统开发[4-5]。

51系列单片机内部硬件资源较少，单片机内部集成的硬件模块总共只有21个寄存器，在课程内容方面偏重于硬件底层寄存器级的操作。由于学生在先修课程微机原理中学习过x86汇编语言程序设计，而51单片机的汇编语言与x86微处理器的汇编语言比较相似，因此课程实验往往要求以汇编的语言完成。

但是，经过课程学习，绝大多数学生的嵌入式开发水平都不高，沒有项目管理和工程开发的思维意识，也没有信心应用它解决实际问题，究其原因主要有以下几个方面。

（1）培养方式方法较为落后单一，不强调自主持续学习，缺乏延续性。

（2）相关课程内容陈旧，实验方式及内容设置不合理，与工程实践差距甚远。

（3）教学辅助材料匮乏，不利于学生自主学习。

随着技术的飞速发展，在32位单片机已经得到普遍应用的今天，还继续以8位的51单片机作为对象来学习嵌入式系统开发，已经严重与工程实际脱节。32位单片机的复杂度和开发难度远远高于8位的51单片机，导致学生就业后自学相关内容会比较困难，无法满足用人单位的要求，表1是两种嵌入式课程培养现状的对比。

2 32位嵌入式课程目标分析

在各类32位嵌入式微处理器中，基于ARM内核构架的嵌入式RISC 微处理器以其高性能、低功耗、高可靠性等突出特征在32 位嵌入式系统中占据了大部分份额[6]。课程组选择ARM Cortex-M3内核的stm32系列单片机为目标机型，对嵌入式课程进行全面深入的改革。

与51系列单片机相比，基于stm32F10x系列单片机具有以下特点。

（1）单片机内部集成的硬件资源很多，各硬件模块的功能复杂，寄存器较多。

（2）采用32位的thumb2汇编指令集，虽然指令条数不多，但是每条指令的使用都比较复杂，且与x86汇编指令有较大差异。

（3）大多数项目开发都是基于CMSIS库函数，而不是完全自己开发底层接口。

CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是由ARM提出，专门针对CORTEX-M系列芯片的API接口标准。基于CMSIS的开发可以减少更换芯片及开发工具等移植工作所带来的金钱以及时间上的消耗，这也是现在嵌入式开发领域的一个趋势。

32位嵌入式课程应该顺应这个趋势，同时保留8位嵌入式课程深入硬件底层的特点。通过课程的学习，学生应该不仅仅能够调用CMSIS库函数进行项目开发，还应该具备开发接口库函数的能力。

嵌入式开发不仅仅是单片机本身，还包括片外硬件模块，而片外硬件模块的选择是根据项目需求决定的，不可能通过一门课程的学习掌握所有常用片外硬件模块的使用，并且硬件技术还在持续快速发展中，我们更希望教会学生一种学习方法，期望学生具备自我提升能力。

最终确定嵌入式课程的培养目标分成了以下3个层次。

层次1：了解嵌入式开发的基本常识，能够根据课程所学内容，调用CMSIS库函数完成简单的嵌入式系统开发。

层次2：能够读懂CMSIS库函数，掌握寄存器级的编程操作和程序调试，并能够参考库函数的规范编写自己的硬件模块接口函数。

层次3：具备学习和自我提高的能力，掌握查找和学习硬件模块资料的方法，能够学习了解新的硬件模块，并成功应用到自己的项目中。

3 教学内容及教材

3.1 教学内容

明确课程培养目标后，下一个面临的问题是以下几个方面。

（1）单片机内部集成的硬件模块较多，应明确选择哪些模块作为课程内容，并且CMSIS为每种硬件模块提供了丰富的接口函数，需要讲解哪些库函数以及如何讲解。

（2）不清楚学生的C语言程序设计水平，并且嵌入式开发中的C语言编程与普通的C程侧重点不同，需要补充一些C语言程序设计的内容。

（3）层次3的目标该如何实现，怎样判定学生是否具备了学习和自我提高的能力。

我们通过问卷调查、座谈等方式了解学生的情况和期望，结合课程组教师指导本科生SRTP中积累的经验，最终确定将32学时的理论课内容分为三大部分。

1）基础篇 ：引导学生入门。

所有嵌入式应用开发都必须了解的内容划归为基础部分，包括单片机的体系结构、CMSIS库函数简介、中断基本概念和中断响应机制，单片机内部硬件模块包括RCC、GPIO、NVIC、EXTI和基本定时器。

2）进阶篇：以智能车设计为主线，培养嵌入式系统开发能力。

嵌入式课程要培养学生的系统开发能力，为此课程组在组织课程内容时以项目为载体，以能力提升为目标，让学生在推进项目的同时掌握知识和运用知识，锻炼学生在实际应用中自主应用知识解决问题的能力[7]。

课程组以可扩展的智能小车设计为主线，分析小车功能，进而引出相关知识点。除了基本功能以外，小车还应该具备一定的可扩展性，如可通过蓝牙或无线实现遥控，可通过GPS实现定位等。这些外部硬件模块基本都采用串行总线与单片机通信，先通过具体的实例让学生认识到串行总线的广泛用途，再讲解串行总线接口。在介绍串行通信基本常识的基础上，应重点讲解SPI接口，最后以8×8点阵驱动芯片MAX7219的编程控制，讲解如何通过SPI接口编程控制外设。

3）拓展篇：开阔视野，培养兴趣，自我提升能力。

这部分内容的目的是开阔眼界，激发学生的兴趣，培养学生的自学能力。目前设置的内容为彩色液晶显示控制和WAV音乐的播放。任课教师可以调查学生的兴趣，结合自己的科研，灵活调整这部分的内容。表2为32位嵌入式课程理论课的内容安排及授课学时数。

3.2 教学材料

长期以来，教科书统治大学教学的局面广泛存在，师生都以課程指定教材作为“教”和“学”的主线[8]。大学本科课程基本上都是根据指定的课程教材的章节来设置课程内容、组织教学活动，可以说教材为整个课程的教学活动定下了主基调。然而学生对于教材的不满也由来已久，认为教材内容过时陈旧，仅仅是为了课程考试才阅读学习教材。

对教材的使用应该从“强教材”向“弱教材”转变，从“死教材”向“活教材”转变[8]。教材应该是教学材料的统称，一门课程的教学材料应该是立体、多样、活泛的，而不应该是孤立狭隘的一本教科书。

嵌入式开发具有技术更新快、工程实践性强的特点，为此课程组在组织教学材料时以项目开发为主线，所有的教学材料均为该主线服务。材料来源多种多样，包括教科书、单片机的各种手册、芯片的数据手册、硬件模块资料、网络资料以及教师自己编写的课件和补充材料等，教科书只覆盖课程内容的一部分。

不以教科书为主线安排教学内容，也为课程内容调整提供了很大的灵活性。尤其是课程拓展部分的内容由主讲教师决定，不同教师可以选择不同的拓展模块。在实际的教学活动中，有教师选择讲授陀螺仪和步进电机控制作为拓展模块。

嵌入式课程的教学材料适宜采用“教材+手册+参考资料”这样贴近工程实践又具有一定弹性的方式来组织。

4 结 语

改革后的32位嵌入式课程经过一届学生的教学实践，学生反映良好。在问卷调查中有82.1%的学生认为学习本课程提升了嵌入式项目开发能力，85.7%的学生认为课程中相关手册的应用教学有助于提升项目开发能力，而82.1%的学生认为他们已经具备了用C语言完成嵌入式开发的能力，调查结果表明改革后的课程较好地实现了课程培养目标。

参考文献：

[1] 徐文超， 耿艳香， 陈雷， 等. 嵌入式系统原理课程创新型教学改革研究[J]. 计算机教育， 2015（8）： 55-57.

[2] 吴强， 杨全胜， 王晓蔚. 用Cortex-M0 ARM 代替8051 系列单片机的嵌入式教学[J]. 计算机教育， 2015（8）： 52-54， 61.

[3] 吴银琴， 陈锟. 电子类本科专业嵌入式系统实验教学改革探讨[J]. 计算机教育， 2015（9）： 61-63.

[4] 汪小会. 基于HS1101的湿度测量系统的教学课题设计[J]. 电气电子教学学报， 2015， 37（1）： 52-54， 95.

[5] 蔡逢煌， 王武. 嵌入式类课程教学的思考和实践[J]. 电气电子教学学报， 2015， 37（1）： 24-25， 28.

[6] 王博， 嵇小辅， 贾好来.“ARM嵌入式系统”课程的教学改革[J]. 电气电子教学学报， 2015， 37（3）： 18-20， 23.

[7] 张其亮， 王爱春， 陈永生. 能力递进式项目教学法在嵌入式系统课程中的实践[J]. 实验室研究与探索， 2014， 33（8）： 185-189.

[8] 陆国栋， 张力跃， 孙健. 终结一本教科书统治下的教学[J]. 高等工程教育研究， 2015（1）： 17-24.

（编辑：孙怡铭）