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摘要：高校計算機(jī)專業(yè)紛紛開設(shè)嵌入式方向，實驗教學(xué)是其重要組成部分。針對嵌入式技術(shù)特點和嵌入式實驗教學(xué)存在的問題，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)知識架構(gòu)自下而上重構(gòu)實驗內(nèi)容，從最小系統(tǒng)開始搭建開放、兼容的嵌入式軟硬件實驗平臺，自頂向下構(gòu)建基于“目標(biāo)—能力—內(nèi)容—平臺”的實驗教學(xué)體系，根據(jù)學(xué)校背景和專業(yè)特色確定嵌入式人才培養(yǎng)目標(biāo)，為計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向人才培養(yǎng)提供必要的支撐。

關(guān)鍵詞：嵌入式方向；自頂向下；實驗教學(xué)改革

引言

嵌入式系統(tǒng)是21世紀(jì)最有生命力的新興技術(shù)之一，它以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，其軟硬件可裁剪，是功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于工業(yè)制造、儀器儀表、汽車電子、軍事裝備、航空航天和移動通信等多個領(lǐng)域［1-4］。隨著嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展，社會對嵌入式人才需求也迅速增加［5-6］。許多高校在機(jī)械、電氣信息類專業(yè)開設(shè)了嵌入式課程。嵌入式系統(tǒng)與計算機(jī)專業(yè)具有天然聯(lián)系，不少高校的計算機(jī)專業(yè)整合嵌入式相關(guān)課程，形成嵌入式方向，建立嵌入式實驗室，系統(tǒng)培養(yǎng)嵌入式人才。嵌入式方向的人才培養(yǎng)和實驗教學(xué)研究有：王冠軍等［7］結(jié)合卓越工程師計劃與學(xué)科競賽平臺，構(gòu)建以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的卓越工程師理論課程體系。吳玉峰等［8］以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為宗旨，在“3+1”人才培養(yǎng)模式基礎(chǔ)上建立嵌入式人才培養(yǎng)課程體系。劉鈺等［9］通過研究國外先進(jìn)的CDIO工程教育模式，結(jié)合應(yīng)用型本科院校實際情況，提出了計算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向人才實踐能力培養(yǎng)方案。何煦嵐［10］在分析普通高校計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特征以及該知識結(jié)構(gòu)對嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)利弊的基礎(chǔ)上，從嵌入式系統(tǒng)課程所需基礎(chǔ)知識、嵌入式系統(tǒng)硬軟件課程教學(xué)以及實踐課程建設(shè)4個方面，提出了普通高校計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向課程建設(shè)方法。胡青等［11］面向自動化專業(yè)，打造學(xué)生的“隨身”實驗室，將MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式引入嵌入式實驗教學(xué)，提出了嵌入式系統(tǒng)課程實驗的一種新模式。張美平［12］結(jié)合福建師范大學(xué)數(shù)計學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特點，面向《嵌入式系統(tǒng)》課程提出了一種分層次、多方位的立體實踐教學(xué)方案，探索了多樣化的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)形式。但目前對計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向的實驗教學(xué)體系研究還不夠完善，各個實驗的前后關(guān)系及從屬課程之間的聯(lián)系還不夠明確。因此，必須結(jié)合計算機(jī)專業(yè)背景和嵌入式系統(tǒng)特點，針對計算機(jī)專業(yè)嵌入式實驗教學(xué)中存在的問題，加強(qiáng)計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向系列課程整體研究，整合構(gòu)建規(guī)范的嵌入式實驗教學(xué)體系，以適應(yīng)社會對嵌入式系統(tǒng)人才的迫切需求。

1嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)現(xiàn)狀

計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)雖然歷經(jīng)多次改革，但仍然與嵌入式產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在脫節(jié)現(xiàn)象。

1.1實驗涉及內(nèi)容多但不成體系

高校計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向設(shè)置了一系列嵌入式相關(guān)課程及實驗［13-14］，這些課程的實驗或過于強(qiáng)調(diào)軟件而弱化硬件，或過于強(qiáng)調(diào)應(yīng)用而弱化原理，在內(nèi)容安排上各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一布局，不成體系。而且嵌入式方向的各門課程分別使用不同的硬件平臺、操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境，缺乏連貫性和整體性。學(xué)生學(xué)完這些嵌入式方向系列課程后，往往只是掌握各門課程中各個孤立的知識點，不能前后聯(lián)系靈活應(yīng)用。

1.2硬件平臺結(jié)構(gòu)封閉

我國高校計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒炗布脚_多以實驗箱為主［15-16］。實驗箱通常以一塊或多塊可替換的微控制器為核心，資源豐富、功能強(qiáng)大、封裝完整，易于實驗室管理和維護(hù)，但成本高、更新速度慢，容易與市場脫節(jié)。實驗箱系統(tǒng)封閉結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于嵌入式初學(xué)者難以上手，在實驗過程中容易出現(xiàn)畏難心理。即使上手，也往往是知其然而不知其所以然，尤其對嵌入式硬件缺乏感性認(rèn)識，達(dá)不到預(yù)期的實驗效果。另外，實驗箱外設(shè)接口固定，開放性和靈活性較差，難以動手改裝；適于驗證性實驗，難以滿足設(shè)計性及更高層次實驗要求。實驗箱與實際的嵌入式產(chǎn)品有著較大差距，使實驗教學(xué)與嵌入式開發(fā)實際之間存在脫節(jié)現(xiàn)象。

1.3實驗時間少

不少高校計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向教學(xué)安排仍以課堂授課為主，實驗教學(xué)尤其是硬件實驗時間不足［17］。在新一輪教學(xué)改革縮減本科總學(xué)時背景下，計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒炓蚕鄳?yīng)削減。受時間、成本、管理和師資等條件限制，硬件實驗受影響最大，個別學(xué)校甚至完全取消。但硬件是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，嵌入式軟件的運行依賴于硬件。硬件實踐的缺乏，既不利于學(xué)生形成嵌入式系統(tǒng)整體概念，也使學(xué)生無法深入理解嵌入式軟件尤其是嵌入式操作系統(tǒng)和驅(qū)動軟件。嵌入式實驗涉及內(nèi)容廣，軟硬件更新速度快，實驗時間少不利于學(xué)生消化和吸收知識。因此，如何充分利用有限的實驗教學(xué)時間加強(qiáng)硬件實驗，最大限度地提高實驗教學(xué)效率，成為嵌入式實驗教學(xué)亟待解決的問題。

2實驗教學(xué)體系構(gòu)建

針對嵌入式技術(shù)特點及嵌入式實驗中存在的問題，構(gòu)建覆蓋嵌入式相關(guān)課程和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)生命周期的嵌入式實驗體系非常必要。以下從目標(biāo)定位、能力要求、內(nèi)容設(shè)計、平臺建設(shè)4個方面自頂向下、層層遞進(jìn)，構(gòu)建計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系。

2.1目標(biāo)定位

明確人才培養(yǎng)目標(biāo)和定位，是構(gòu)建計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系的第一步。由于嵌入式技術(shù)涉及的行業(yè)和領(lǐng)域很廣，要求學(xué)生在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)精通嵌入式軟件、硬件及應(yīng)用等各方面內(nèi)容相當(dāng)困難，必須在夯實基礎(chǔ)上突出重點應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)學(xué)校特色和學(xué)生基礎(chǔ)，筆者學(xué)校計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系定位于面向微控制器應(yīng)用領(lǐng)域，培養(yǎng)具備扎實的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、能從事嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)與技術(shù)應(yīng)用、軟硬件及相關(guān)技術(shù)研發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃與運行維護(hù)等方面工作的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才。

2.2能力要求

根據(jù)以上目標(biāo)，在深入調(diào)研當(dāng)前嵌入式行業(yè)現(xiàn)狀和人才需求基礎(chǔ)上，設(shè)計計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系，主要培養(yǎng)學(xué)生具備以下能力：（1）嵌入式系統(tǒng)認(rèn)知分析能力：掌握嵌入式系統(tǒng)基本概念，熟悉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，能剖析實際生活中典型的嵌入式系統(tǒng)組成及其特點。（2）嵌入式硬件實踐能力：掌握一種主流嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)、常用的片上外設(shè)及接口設(shè)計。（3）嵌入式軟件實踐能力：熟練使用一種嵌入式開發(fā)工具，精通一種嵌入式開發(fā)語言，深入理解一種常用的嵌入式操作系統(tǒng)，掌握常用的嵌入式軟件架構(gòu)、開發(fā)技術(shù)和開發(fā)方法，至少熟練掌握某一個嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的軟件開發(fā)。（4）嵌入式系統(tǒng)工程應(yīng)用能力：熟悉嵌入式系統(tǒng)的整個研發(fā)過程和主要步驟，能從實際生活中抽象概括出嵌入式工程問題，并能進(jìn)行需求分析、預(yù)算評估、設(shè)計、規(guī)劃、開發(fā)、調(diào)試和運行維護(hù)。

2.3內(nèi)容設(shè)計

基于上述能力要求，以嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)為線索，自下而上、由硬件到軟件依次設(shè)計嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課內(nèi)實驗、嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗、嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)課內(nèi)實驗和嵌入式系統(tǒng)綜合實驗等實踐環(huán)節(jié)，分為不同類型（驗證性、分析性、設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性）在不同時間開設(shè)，循序漸進(jìn)、逐步深入，基本覆蓋專業(yè)學(xué)習(xí)的各個階段，如圖1所示。嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課內(nèi)實驗，位于嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)的最低層——硬件接口層，在第四學(xué)期開設(shè)。作為嵌入式方向系列課程的首個實踐環(huán)節(jié)，從生活中常見的嵌入式系統(tǒng)入手，培養(yǎng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的認(rèn)知興趣和分析能力，并以微控制器為核心，以驗證性實驗為主，突出微控制器的基本原理，使學(xué)生掌握其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲映射，并熟悉常用的嵌入式I/O設(shè)備，掌握它們與主流微控制器的接口設(shè)計，能開發(fā)基于主流微控制器常用接口的簡單應(yīng)用程序。嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗，位于嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)的中間層——操作系統(tǒng)層，在第五學(xué)期開設(shè)。該實踐環(huán)節(jié)從嵌入式操作系統(tǒng)與PC操作系統(tǒng)之間的區(qū)別和聯(lián)系入手，以分析性實驗為主，通過案例層層深入引導(dǎo)學(xué)生探索嵌入式軟件核心——嵌入式操作系統(tǒng)，著重培養(yǎng)學(xué)生對典型嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核原理的理解能力、實現(xiàn)機(jī)制的分析能力以及在主流微控制器上運行的移植能力。嵌入式軟件開發(fā)課內(nèi)實驗，位于嵌入式系統(tǒng)知識體系架構(gòu)的最高層——應(yīng)用軟件層，在第六學(xué)期開設(shè)。在前兩個實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，以設(shè)計性實驗為主培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合具體應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)通信、視頻采集等），基于主流微控制器和嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)較為復(fù)雜的應(yīng)用軟件。嵌入式系統(tǒng)綜合實驗，是計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向系列課程中創(chuàng)新性、綜合性實踐環(huán)節(jié)，貫穿嵌入式知識體系架構(gòu)的所有層次，在第七學(xué)期開設(shè)。在前面實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生首先從實際生活中發(fā)現(xiàn)問題、形成嵌入式產(chǎn)品創(chuàng)意，運用需求分析法確定嵌入式產(chǎn)品的功能性要求和非功能性要求；進(jìn)行嵌入式產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計和軟硬件劃分，形成人員分工和開發(fā)計劃，評估開發(fā)風(fēng)險和開發(fā)成本；使用嵌入式軟硬件開發(fā)工具和開發(fā)語言，構(gòu)建硬件平臺并進(jìn)行軟件編程和調(diào)試；開發(fā)出嵌入式產(chǎn)品并撰寫產(chǎn)品開發(fā)文檔和使用文檔。本實驗教學(xué)體系內(nèi)容在能力培養(yǎng)方向上各有側(cè)重卻又緊密聯(lián)系，在整體上以嵌入式系統(tǒng)的知識體系架構(gòu)為主線自下而上、層層遞進(jìn)，從而對計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向人才培養(yǎng)形成跨時間、多角度、不同力度的支撐，如表1所示（★表示關(guān)鍵支撐，√表示一般支撐，△表示輔助支撐）。

2.4平臺建設(shè)

一個完整全面的嵌入式實驗教學(xué)體系，不僅要有精心設(shè)計、合理安排的實驗內(nèi)容，而且要有一個統(tǒng)一開放、貫通軟硬、前后兼顧的實驗平臺。對于嵌入式實驗教學(xué)體系而言，實驗內(nèi)容與實驗平臺，一主一輔，兩者緊密相連，缺一不可。因此，在確定了計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒烍w系的具體內(nèi)容之后，必須構(gòu)建一個與之適應(yīng)、緊密結(jié)合的實驗平臺。基于實驗教學(xué)內(nèi)容并考慮不同實驗類型，設(shè)計與之相應(yīng)的嵌入式實驗平臺如圖2所示（實線箭頭表示該實驗平臺主要面向的實驗內(nèi)容，虛線箭頭表示該實驗平臺兼顧的實驗內(nèi)容）。嵌入式實驗平臺由嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)平臺和嵌入式開發(fā)工具等3部分組成。嵌入式硬件平臺，往往是認(rèn)知和構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的第一步，也是整個嵌入式實驗平臺的物理基礎(chǔ)，不僅是計算機(jī)專業(yè)嵌入式實驗教學(xué)體系中的首項內(nèi)容——嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課內(nèi)實驗的主要支持平臺，而且是后續(xù)實驗內(nèi)容的硬件基礎(chǔ)平臺。因此，嵌入式硬件平臺選擇和設(shè)計的原則是主流、開放和兼容。嵌入式硬件平臺的核心是微控制器。考慮市場占有率、技術(shù)支持及價格等因素，嵌入式硬件平臺采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARMCoretx-M3內(nèi)核STM32F103微控制器為核心開發(fā)板。相比傳統(tǒng)的實驗箱，開發(fā)板刪繁就簡、易于上手，使學(xué)生對嵌入式硬件結(jié)構(gòu)有直接和感性的認(rèn)識，降低學(xué)習(xí)難度，既滿足嵌入式導(dǎo)論課程驗證性實驗需要，又滿足嵌入式后續(xù)各項實驗基礎(chǔ)平臺的需要。嵌入式操作系統(tǒng)平臺，位于嵌入式硬件平臺之上，是最接近硬件的嵌入式軟件，主要面向計算機(jī)專業(yè)嵌入式實驗教學(xué)體系中的第二項內(nèi)容——嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗，同時也是后續(xù)內(nèi)容——嵌入式軟件開發(fā)課內(nèi)實驗和嵌入式系統(tǒng)綜合實驗的軟件基礎(chǔ)平臺。根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實驗要求，并考慮嵌入式硬件平臺的適用性和后續(xù)實驗內(nèi)容的擴(kuò)展性，選用uCOS-II作為操作系統(tǒng)平臺。uCOS-II是一個可裁剪、搶占式、實時多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，能在嵌入式硬件平臺核心——STM32F103微控制器上運行。uCOS-II源碼開放、結(jié)構(gòu)清晰、注釋詳盡、教學(xué)免費，很好地滿足了嵌入式操作系統(tǒng)分析性實驗要求。uCOS-II通過聯(lián)邦航空局商用航行器認(rèn)證，具有良好的可靠性、安全性、移植性和擴(kuò)展性，可滿足后續(xù)設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗要求。嵌入式開發(fā)工具是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)必需的輔助工具，它貫穿計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系的所有實驗內(nèi)容，不可或缺。嵌入式開發(fā)工具主要分為硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具兩部分。在實驗平臺構(gòu)建中，無論是硬件開發(fā)工具還是軟件開發(fā)工具都應(yīng)與嵌入式硬件平臺和嵌入式操作系統(tǒng)相適應(yīng)。本文采用基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103開發(fā)板為核心的嵌入式硬件平臺和以uCOS-II為內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，實驗平臺選擇KEILMDK作為軟件開發(fā)工具、J-Link仿真器作為硬件開發(fā)工具。KEILMDK也稱MDK-ARM，為基于ARM內(nèi)核的微控制器應(yīng)用開發(fā)提供了一個集成開發(fā)工具，采用MicroLibC庫，包含C/C++編譯器（armcc）、宏匯編器（armasm）、鏈接器（armlink）、庫管理器（armar）、調(diào)試器（μVision）和實時內(nèi)核（RTX）等組件［18-20］，提供軟件模擬和目標(biāo)機(jī)硬件兩種調(diào)試模式，可滿足嵌入式軟件開發(fā)和調(diào)試的所有需求。J-LINK是用于嵌入式處理器仿真調(diào)試和軟件固化的JTAG仿真器，支持幾乎所有基于ARM內(nèi)核的微控制器仿真和程序下載，還可與嵌入式軟件開發(fā)工具KEILMDK無縫連接［18］，可滿足執(zhí)行程序的硬件下載和實時仿真要求。本實驗教學(xué)平臺，緊密圍繞教學(xué)內(nèi)容，以嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成為依據(jù)，劃分為硬件（STM32F103開發(fā)板）、軟件（uCOS-II）和工具（KEILMDK、J-Link）3個部分，環(huán)環(huán)相扣，依次遞進(jìn)，如表2所示（★表示關(guān)鍵支撐，√表示一般支撐，△表示輔助支撐）。

3結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)是一門以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的新興交叉學(xué)科，要求從業(yè)人員具備全面的知識結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的實踐能力，這對高等院校計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。本文從分析嵌入式技術(shù)的特點和當(dāng)前實驗教學(xué)存在的問題入手，對現(xiàn)有的實驗教學(xué)體系進(jìn)行改革，采用自頂向下的設(shè)計方法，以“目標(biāo)——能力——內(nèi)容——平臺”為主線，構(gòu)建了計算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系，為計算機(jī)專業(yè)嵌入式人才培養(yǎng)提供支撐。

作者：王益涵 史志才 孔麗紅 單位：上海工程技術(shù)大學(xué)