计算机专业“嵌入式系统”教学探索

摘要:本文针对计算机专业“嵌入式系统”教学存在的一些普遍问题,结合国内市场对嵌入式人才的需求,讨论如何将该课程引入计算机专业本科教育,提出课程教学建议,总结一些教学经验。

关键词:计算机;嵌入式;教学;ARM

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统因体积小、可靠性高、功能强、灵活方便,其应用已深入到各个领域[2]。每年全球嵌入式系统带来的相关工业产值已超过1万亿美元。嵌入式系统是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一[3]。针对市场对嵌入式人才的巨大需求,许多高校的计算机,通信、电子、自动化等专业都相继开设了嵌入式系统的相关课程。嵌入式系统作为高校新兴的一个专业方向,如何开展“嵌入式系统”教学,以达到学习嵌入式技术知识、掌握嵌入式系统基本开发方法和应用的目的,是很多高校都在思索的问题。

本文首先分析了目前“嵌入式系统”教学普遍存在的一些问题,然后对本科院校计算机专业嵌入式系统方向的教学和课程设置应解决的主要问题进行了探讨,最后,结合教学实践,总结了一些教学经验。

1“嵌入式系统”教学中存在的问题

由于各高校开设“嵌入式系统”课程的时间并不长。目前,各高校在教学中都处于探索阶段,存在如

下一些亟待解决的问题。

1.1缺少高质量的教材

因为嵌入式技术往往和行业背景结合紧密,所以高校在选用课程教材时,应考虑理论和实践应用相结合、面向应用的教材,只有选用这类教材,教学才不会和实践应用脱节,陷入空洞的理论讲解。但通过近几年的教学实践和市场调研发现,由于新技术日新月异,相应教材的更新速度很难赶上技术更新的速度,这也导致了很难找到一套普遍适用的系列教材,给教学带来一定不利影响。

1.2内容深度不够

嵌入式系统是一门很新的技术,目前虽然很多高校开设了这方面的课程,但是师资往往没有同步跟上,很多教师都是从单片机教学转型而来,缺少嵌入式系统相关技术的系统培训,在短期内无法跟上新技术变革,因此出现教学内容广度有限,深度不够的现象。

1.3缺少实践性

嵌入式系统技术是一门实践性很强的技术,实践是教学的重要环节。如指令编程、驱动程序设计、内核的移植设计和应用等知识的学习,需要学生通过大量的实践环节来加深理解和掌握。但是目前很多高校在开设“嵌入式系统”课程时,缺少相应的实验设备,没有与工程实际应用密切结合的课程设计和毕业设计,使得学生实践能力不强,学习没有兴趣,达不到应有的效果,学生发展后劲不足。

2计算机专业“嵌入式系统”教学的一些思考

嵌入式系统的特点是涉及知识面广,综合性、实践性强,学科发展快,因而学习难度大。不同的专业有不同的特点,对于计算机专业开设“嵌入式系统”课程而言,不能简单的照搬其它专业的“嵌入式系统”教学模式,必须根据计算机专业学生和课程特点量身打造适合本专业的教学模式。经过近几年的教学实践发现,对于计算机专业开设“嵌入式系统”课程,若想达到良好的教学效果,需要先解决以下几个方面的问题。

2.1选择ARM芯片还是其它芯片

构成嵌入式系统的核心之一是嵌入式处理器。可以作为嵌入式处理器的主流芯片有ARM、微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)等。目前在嵌入式领域中广泛应用的是ARM系列芯片。ARM处理器具有高性能、低功耗、低成本的特征[4]。作为世界第一大IP知识产权厂商,ARM公司本身不直接生产芯片,而是靠转让设计许可,将其设计的芯片知识产权授权给其他公司,由合作公司生产各具特色的芯片。可以说,ARM公司引发了嵌入式领域的一场革命,在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位,是目前32位市场中使用最广泛的微处理器[5]。目前,ARM已经成为移动通信、手持计算设备、多媒体数字消费等嵌入式应用的RISC(精简指令集计算机)标准。因此,学习以ARM为核心芯片架构的嵌入式技术具有非常广阔的前景。基于ARM芯片的应用广泛性,在教学实践中,应选择ARM作为学习嵌入式系统的重点内容。

2.2选择ARM7还是ARM9

众所周知,ARM7的教学偏重于硬件,ARM9的教学偏重于软件。谈到计算机专业开设“嵌入式系统”课程,大家自然就会选择ARM9。于是,现在各高校计算机专业在引进“嵌入式系统”教学实验箱时,一种流行的趋势是普遍采用ARM9核的实验箱,一方面体现了教师们迫切希望让学生能接触最先进的、实用的、前沿技术的良好用心,另一方面也暴露了一

些认知上不足之处,因为这种追求高端设备的做法并非适合计算机专业。ARM7作为学习ARM9的基础,如果让学生跳过ARM7而直接学习ARM9是比较困难的,也达不到良好的学习效果。因此,计算机专业的“嵌入式系统”教学也离不开ARM7这一教学环节,因为一个从事基于ARM9的嵌入式Linux或Windows CE软件开发的程序员,如果没有扎实的硬件理论,硬件设计和制作基础,是很难胜任的。此外,计算机专业的学生还有部分人将从事基于实时操作系统的软件设计,这也是离不开对ARM7的学习的。有鉴于此,我们完全有理由在教学中着重强调ARM7的重要性。

基于上述原因,我们认为ARM9教学偏重于软件,ARM7教学偏重于硬件,二者是互补的。对计算机专业而言,最好能在课时允许的条件下,两方面的课程都能开设。我们的做法是:教学中侧重于ARM7,而科研中侧重于ARM9。这种做法经教学实践证明是可行和有效的。

2.3选择嵌入式Linux操作系统还是其它操作系统

目前,嵌入式操作系统可选范围很大,成熟的嵌入式操作系统有嵌入式Linux系列、Windows CE系列和众多的实时操作系统。Linux操作系统用于嵌入式系统,产生了几个不同的版本,重要包括µClinux、嵌入式Linux和RTLinux等,其中µClinux适用于处理器内没有MMU(内存管理单元)的ARM处理器,RTLinux则侧重改善Linux的实时性,而嵌入式Linux除了在图形和文件系统上与桌面Linux有所不同外,内核本身并无差别,因此作为内核一部分的网络功能与桌面Linux的一样强大。Linux作为一种开放源代码的操作系统,在嵌入式领域应用越来越广泛。因此,在实际教学中选择嵌入式Linux操作系统是非常合适的,既不存在版权问题,可以免费使用,同时其开源性,有利于创新性人才的培养。在嵌入式操作系统教学中,应以嵌入式Linux操作系统作为讲授和学习的重点。

另外,“嵌入式系统”课程可以说是整个计算机学科的综合,它基本上涉及了计算机学科的方方面面,包括硬件方面、软件方面和网络方面等。这就要求学生在学习嵌入式系统之前,首先学好这些方面的课程,打下了良好的基础,才能把嵌入式系统的相关内容学好。

3教学实践经验

在“嵌入式系统”教学实践中,除了注重课堂教学效果外,还需要采用多样化的辅助教学手段,全面提高课程的教学效果。

3.1建立开放实验室

院系购买了20多套基于ARM7和ARM9的“嵌入式系统”教学实验设备,组建了嵌入式系统实验室,“嵌入式系统”课程开设的实验内容分为两个层次,包括基本实验和综合应用实验。基本实验目的是让学生了解嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程,进行基本的嵌入式程序开发。综合应用实验目的是让学生综合运用所学到的知识,按照指定的题目,自行设计开发嵌入式应用程序。实验室全天候开放,学生可以在课余时间进行相关课题的设计和实验,为课程的实践教学内容能够顺利实施提供了有力的保证。进行的实验内容如表1所示。