面向计算机专业的嵌入式系统课程体系设计探讨

张静

摘  要： 根据计算机专业学生所学知识中硬件和系统科学理论较为薄弱的实际情况，提出了一种适合计算机专业的嵌入式系统人才培养的课程体系。在嵌入式系统的学习和实践中总结出必备和常用的知识以及工具，进而对课程进行整合。此外，用配备针对性的实验和参加相关学科竞赛的方式锻炼学生的实践能力，使学生能在尽可能少的学时内掌握基本的嵌入式系统开发技能。

关键词： 计算机专业; 嵌入式系统; 课程体系设计; 课程整合

Abstract： According to the fact that the theory of hardware and system science is relatively weak in the knowledge of computer majored students， this paper puts forward a curriculum system suitable for the training of embedded system talents in computer specialty. In the study and practice of the embedded system， the must have and common used knowledge and tools are summarized to integrate the curriculum. In addition， the practical ability of the students is trained by means of the assignment of targeted experiments and participating in the competitions of related subjects， so that the students can master the basic embedded system development skills in as few class hours as possible.

Key words： computer specialty; embedded system; curriculum system design; curriculum integration

0 引言

近十幾年来，我国的信息产业在科学技术的推动下实现了前所未有的高速发展。嵌入式系统技术作为新兴技术之一，在工业控制、智能家居和智能交通等领域有着相当广泛的应用，市场需求非常大，因此人才的缺口问题也比较突出[1-4]。高校是嵌入式系统人才的主要来源，在自动化和电子信息工程等专业中，嵌入式系统是主流方向，因此学生毕业后进入该行业的人数比较多。尽管计算机专业主要是培养软件方面的人才，但还是会有相当一部分学生会致力于嵌入式系统方向的发展[3-5]。

1 嵌入式系统课程介绍

嵌入式系统是以应用为中心，以现代计算机技术为基础，能够根据用户需求灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统，其理论性和实践性都很强，对概念的理解、硬件设计、编程和实践能力要求都很高，学习难度比较大。就课程体系而言，计算机专业较偏重软件和体系结构，对硬件和系统科学方面的课程涉及较少，他们在编程和一些诸如计算机原理、操作系统方面的概念理解上具有一定的优势，而在传感器、执行机构、接口的知识和系统理论上有所欠缺。因此，为计算机专业中的嵌入式系统方向设计合理而高效的课程系统是非常有必要的。

文献[5]提出目前国内计算机专业中嵌入式系统方向实验教学普通存在的问题包括涉及内容多但不成体系，实验平台结构封闭和实验时间少，并提出了一种自下而上的课程系统以培养学生关于嵌入式系统分析认知、硬件实践、软件实践和工程应用四大能力。文献[6]提出了适合医学类高校的嵌入式系统教学方法。文献[7]针对实验课时不足的问题，提出了引入随身实验室和反转课堂的方式来增加学生实践的机会和时间。文献[8]提出了一种项目驱动的嵌入式系统教学方法来提高学生的实践和创新能力。本文主要的思想是根据教学实践和实际嵌入式系统开发过程中总结出所涉及到的一些必备和常用知识以及工具，然后利用计算机专业给予嵌入式系统相关的有限课时对课程进行整合，此外，充分利用实验和学科竞赛的资源提高实践能力，从而使得学生尽可能少的学时内掌握基本的嵌入式系统开发技能。

2 嵌入式课程体系设计

2.1 课程体系设计概况

课程体系如图1所示。在计算机专业开设的基础必修课中，电工与电子技术（模拟和数字部分）、计算机组成与系统结构、C语言和操作系统对嵌入式系统课程而言起着非常重要的支撑作用，。微机接口、单片机控制系统、传感器技术、嵌入式操作系统和嵌入式系统开发等需要作为核心选修课程有层次地提供给希望在嵌入式系统方向发展的学生。除此之外，信号与系统和自动控制原理中有一些实用的概念和方法会在嵌入式系统中用到，比如PID控制、一阶和二阶系统的响应、线性系统的叠加原理等，可以作为一些专题穿插在课程当中。

本课程体系中，将微机接口和传感器技术合并为一门课，加上单片机控制系统的课程，可以让学生在一个学期内对裸机的嵌入式系统有基本的认识，课程都配备了大量的实验，并且会有一个制作智能循迹和壁障小车的课程实践，它的优点是涵盖了很多嵌入式系统中的核心概念，并且制作难度不是很大。如果能够独立自主完成则意味着学生达到了继续深入学习嵌入式系统的基本要求，可以进入后续课程的学习。

2.2 课程安排

就时间安排而言，微机接口和传感器技术、单片机控制系统可以作为两门课程放在第四学期内，通过这两门课程的理论教学和实验，对微处理器的基本工作原理有一定的认识，掌握其系统结构、存储器映射，能够对GPIO口、定时器、A/D，D/A转换等常用外设进行灵活寄存器配置和使用，理解模拟和数字传感器的区别，掌握串口、SPI和I2C等常用通信协议，基本放大电路的设计，会使用PWM技术和驱动芯片来驱动执行结构等，熟练掌握开发软件MDK-ARM，以及仿真器等常用工具的使用。

嵌入式操作系统通常开设在第五學期，由于已经学过操作系统课程，从嵌入式和PC机操作系统的区别着手，系统地学习嵌入式系统在实时性、体积、配置性、可移植性和可靠性上的要求以及一些常用嵌入式操作系统。实验上基于微控制器操作系统，其优点是结构简洁精练，可读性强，同时又具备了实时操作系统的全部功能，特别适合初次使用嵌入式操作系统。

通过之前课程的学习，学生其实已经掌握了嵌入式系统开发的基本技能，第六学期的嵌入式系统开发，主要是引导学生能够在实际应用中发现问题，分析需求，确定系统功能，制定机械部分、硬件和软件的开发计划，并最终完成产品的设计、开发以及测试。此外，很多学科竞赛也对培养系统开发能力有一定的帮助，比如大学生电子设计竞赛、机器人竞赛、全国大学生智能车竞赛、物联网竞赛等，通过参加这些竞赛，学生嵌入式系统开发的能力都会得到很大的提高。

3 结束语

由于嵌入式系统行业的人才需求量大，因此计算机专业中也需要为社会输送一定数量的人才。本文针对计算机专业，为嵌入式系统人才培养提供课程支持不足的现状，总结出一些嵌入式系统开发必备的和常用的知识以及工具，进而对课程进行整合。充分利用实验和学科竞赛的资源，提出提高实践能力的方法，使得学生尽可能在学时内掌握基本的嵌入式系统开发技能。

参考文献（References）：

[1] BLOKDYK G.  Embedded system：a practical handbook[M]. South Carolina CreateSpace Independent Publishing Platform，2017.

[2] 王益涵，孙宪坤，史志才.嵌入式系统原理及应用——基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器[M].清华大学出版社，2016.

[3] 刘钰，张燕，沈奇.计算机专业嵌入式系统方向人才培养探究[J].实验技术与管理，2010.27（9）：164-167

[4] 王福刚，杨文君，葛良全.嵌入式系统的发展与展望[J].计算机测量与控制，2014.22（12）：3842-3847，3863

[5] 包璇，金力.嵌入式系统课程教学方法初探——以安徽中医药大学生物医学工程专业为例[J].电脑知识与技术，2015.34（11）：112-113

[6] 王益涵，史志才，孔丽红.计算机专业嵌入式方向实验教学体系构建研究[J].软件导刊，2019.18（7）：201-212

[7] 胡青，余嘉苏，玉刚.面向工程实践能力培养的嵌入式实验教学改革[J].实验技术与管理，2017.34（9）：160-163

[8] 田金琴，王晓峰，项目驱动的嵌入式系统教学方法研究[J].教育现代化，2016.40：184-185