基于嵌入式系列课程的教学改革与探索

2019-10-18 版权声明 举报文章

[摘要]嵌入式系统作为芯片和软件的集成体,已经成为支撑社会经济发展的重要资源。将嵌入式新技术用于教学与科研实践,培养高水平的应用人才,是高等院校和科研单位始终关注的话题。因此本文介绍了嵌入式系统的概念、特点和结构,对嵌入式系列课程进行设置和教学改革。

[关键词]嵌入式 教学改革 课程设置

[中图分类号]G434 [文献标识码]A

一、引言

在上个世纪七十年代前后,出现了嵌入式系统的概念,当时,还没有出现操作系统(OS),仅有监控系统及汇编语言,随着计算机技术的发展及应用需求,将OS引入了嵌入式系统,嵌入式的编程以C语言为主,并有了强大的嵌入式开发平台。我国嵌入式软件应用规模为世界第三,在中国软件前10家企业中,嵌入式软件产品生产企业占了6家。数字化、智能化、网络化的趋势将使传统设备逐渐转变为嵌入式设备,因此嵌入式软件对改造和提升传统产业有重大作用。 中国工程院院士倪光南强调,我国IT行业应大力发展嵌入式软件,提升我国IT产业的核心竞争力。

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,其软硬件可配置,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。所使用的计算机为嵌入式计算机。嵌入式系统一般可由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统及应用程序四部分组成,嵌入式系统一般嵌入到应用系统中[1]。

广义而言,可将计算机技术作为一种技术,嵌入到应用系统中,计算机技术又经常是一种核心技术。对一般用户而言,嵌入式系统是透明的。

对于处于高速发展时期的嵌入式技术及物联网技术时代,嵌入式系列课程的教学也在各大院校中开展起来。要设置适应社会需求的嵌入式技术人才,在设置嵌入式系列课程时,需要解决以下问题:

1.课程体系设置

嵌入式课程目前开展最多的还是在研究生阶段,但随着嵌入式市场需求的增加,一些高校在本科阶段开始设置嵌入式方向体系课程。那么怎样设置适合本科在校生学习的课程是现在亟需解决的问题。

2.实验教学环节设置

嵌入式技术对学生动手能力要求很高,而且嵌入式系统是软硬件结合的产物,对学生能力要求很高,既要会硬件设计又要会软件设计。

二、嵌入式系统基本结构

1.嵌入式处理器

(1)嵌入式微处理器:对应通用计算机CPU。

(2)嵌入式微控制器:对应用单片计算机。

(3)嵌入式DSP:应用于数字信号处理,数字滤波,FFT谱分析,图象处理等领域。

2.微内核结构

微内核结构是指仅提供基本的功能,任务调度,通信及同步,内存管理,对外管理等。嵌入式系统一般配有操作系统。OS分为内核层与应用层两个层次。内核仅提供基本功能,建立及管理进程,I/O、文件系统由应用层完成。其它属于应用组件,如网络功能,文件系统,GUI等,工作在用户,系统可裁剪,即用户可选择需要的组件。

3.任务调度

在嵌入式系统中,任务即线程,大多数嵌入式OS支持多任务。

多任务运行是指靠CPU在多个任务之间切换、调度,每个任务有优先级。不同任务的优先级不同,调度方式可分为三种方式:

(1)不可抢占式调度:一旦某个任务获得CPU,就独占CPU,除非某种原因(任务完成、等待资源),它才放弃CPU。

(2)可抢占式调度:基于任务优先级,当前运行的任务,随时可让位于优先级更高的处于就绪态的任务。

(3)时间片轮转调度:当两个以上的任务,优先级相同,一个进程在用完自已的时间片,就将cpu让位于同优先级的另一个进程。

嵌入式系统大多数OS采用优先级不同时用抢占式和优先级相同时间片轮转调度法。

4.硬实时系统与软实时系统

一般嵌入式系统对时间要求较高,即要求在较短的时间内,对提交的任务作出响应,称之为实时系统(μS级)。

硬实时系统对响应时间有严格要求,软实时系统可在较宽时间范围内完成。

5.内存管理

用MMU,使用虚拟存储器概念,大多数嵌入式系统MMU,从而采用实地址管理模式,这样,存储保护技术也相应降低。然而,随着嵌入式技术的发展及需求的牵引,近来不少嵌入式系统中也在加强存储管理,引入虚拟存储器概念,引入MMU,同时也在加强存储保护。

6.内核加载方式

OS内核既可在FLASH中运行,也可在片内RAM中运行,一般而言,在片内RAM中运行,可获得更快的速度,但RAM是易失性的,故无论内核还是应用程序,都应放在FLASH中,以免挥发。故在实际加载时,就存在两种方式,一是在FLASH中直接运行;另一是运行在@FLASH中的加载程序,将内核装入片内RAM,然后再运行装入RAM的内核。

7.嵌入式系统开发的有关技术

嵌入式系统的开发技术,比一般在Windows下开发要复杂一些,它与硬件平台有关。

开发平台分为宿主机与目标机。

(1)宿主机(一般用通用PC机):主要功能是编译、链接、定址,还进行调试期间的运行控制。

目标机(硬件平台-目标板):运行嵌入式软件。

第一过程:用交叉编译器。所谓交叉,是在一个计算机平台,为另一个计算机平台产生代码的编译器。

第二过程:链接,将所有目标程序链接为一个目标文件。

第三过程:定址,将目标文件分配到物理存储器的相应地址。

这一过程与目标机硬件结构有关,即与各存储器的起始地址有关。

(2)宿主机的调试功能

宿主机的第二个功能为支持调试目标机上的应用程序。应用交叉调试器,采用宿主机与目标机联合调试。首先下载,将宿主机中的内核及应用程序下载至目标板;然后,分别对目标板源码级、汇编级进行调试。

目标监控器是对目标机上的应用程序进行控制的,它事先被固化在FLASH中,宿主机与目标监控器相联接,完成调试控制过程,其步骤为:下载程序至目标板,控制其运行,并随时检测返回状态[2]。

三、嵌入式系统课程设计

嵌入式技术在中国的发展已经有十几年的历史,根据嵌入式系统基本结构,其涵盖的课程非常广泛,有《嵌入式操作系统》、《嵌入式系统及其应用》、《嵌入式组件设计》,《嵌入式Linux设计》等,目前这些课程基本是各大院校电子类相关专业的必修或选修课程。通过这些课程的学习,使学生能够独立完成嵌入式系统的硬件系统设计和软件设计。

《嵌入式操作系统》主要介绍实时内核原理、多个常用OS(UCOS、UCLinux、WIN CE、VXWorks、Nucleus)的比较、实时时效的分析与提高、实时OS的设计方案。

《嵌入式软件设计》主要结合汇编、C(C++)、JAVA等语言的嵌入式实现精华,体现实时OS的移植,低、高级语言的集成应用。

《嵌入式系统及其应用》讲解嵌入式系统的定义、发展、分类、组成、特点、开发调试方法、嵌入式处理器等概念性的介绍,帮助建立系统的概念和特征,完成应用层编程。

《嵌入式Linux设计》涉及嵌入式Linux驱动程序的设计,包括I/O口、CAN总线、触摸屏、IIC、PS/2、异步串口、音频、显示、USB、以太网及Flash的使用及驱动程序的编写。在ARM Linux的中断处理、BootLoader和内核上电启动过程。

为了更好的体现嵌入式门课的实用性,在课程之后配有一个为期两周的课程设计《嵌入式系统及应用课程设计》。在前面实践能力基础上,面向某一领域的应用,以嵌入式系统基础设计实现相应功能系统。提高了学生的实际动手能力与综合能力。学生要将嵌入式操作系统移植到智能手机中,并在此基础上进行二次开发,完善智能手机的功能。包括电话簿、记事本、日程、计算器、日历和时间显示、游戏软件(包括俄罗斯方块、五子棋、拼图、高尔夫球、沙壶球等)、音频功能(包括播放MP3等歌曲)、手机摄像头以及手机通讯功能(包括GPS通讯、GPRS通讯、红外通讯、蓝牙无线通讯等)。我校电子信息科学与技术专业嵌入式方向自2002年创建至今,已有六届毕业生。由于创建之初嵌入式还是个新兴的技术,所以无论从课程内容设置、教学顺序设置以及教学环节的配合都很不成熟,师资和实验设备严重短缺。但在不断探索和调整中我们总结出一套嵌入式课程体系建设的方案,科学合理设置教学内容、从实际出发调整教学顺序、各教学环节相互配合。

由于嵌入式相关课程涉及的范围甚广,尤其随着现在物联网及许多新技术的兴起,针对嵌入式课程体系的建设,包括教学内容的体系化建设和教学环节的体系化建设,是教学过程中需要解决的问题,需要提出相应的解决方案[3]。

由于嵌入式系统面向应用的主要特点,在课程设置中特别强调培养学生动手实践的能力。以教师科研环境和专业实验室为基地,开展课外学习方式培养学生的综合实践能力;知识讲解与主流嵌入式系统实例结合,搞好课程教材体系的配套建设;配有课程设计,加强学时在工程设计方面的能力;多位教师授课,充分发挥每位教师优势,使新技术能贯穿在教学中;与学生实际相结合,对学生毕业找工作和再学习有很大帮助;设计了多种等级实验,学生通过循序渐进设计能提高综合设计实验能力。

基于嵌入式系列课程的教学改革与探索能解决好课程间的联系、衔接问题。从理论教学、实验教学到课程设计、毕业设计统筹安排,形成一个整体,使学生的学习层次化、阶梯化。建立嵌入式实验平台,提高学生参加相关竞赛的积极性,培养学生对嵌入式相关课程的学习兴趣,促进学生自学能力和解决问题能力的提高,突出学生的能力建设、知识探究和人格养成。

四、嵌入式系统研究方向

嵌入式系统有着广泛的市场前景。市场需求方面:中国具有世界最大嵌入式技术市场。手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用等,嵌入式技术无处不在。企业人才需求方面:软硬件设计人才,应用开发人才,综合性人才,培训增加,工资待遇逐渐上升。技术发展趋势要求方面:8位单片机到16位单片机主要用于不需要操作系统的只需要处理简单任务的控制系统,但现在的手机、智能家居等系统已经不能满足于简单的控制了,多个任务并发出现时,需要具有实时操作系统的32位嵌入式微控制器的解决。图1概况了现在嵌入式系统的主要研究方向。

图1 嵌入式系统研究方向

五、总结

未来几年,市场对嵌入式人才尤其是嵌入式Linux人才的需求旺盛。而目前熟练的嵌入式Linux应用人才只有几千名。这意味着各大跨国公司及国内消费类电子巨头企业都面临着人才严重短缺的挑战。所以设置好嵌入式系列课程,培养出优秀的具有嵌入式技术人才是迫在眉睫的事情,希望我们的努力能对我国嵌入式市场带来新的生机与活力。

基金项目:本文系“北京市教委科技发展计划面上项目”(项目编号:KM201110772018)的研究成果。

[参考文献]

[1]李金芳.嵌入式教学的案例分析与分享[C].图书馆联盟建设与发展,2012-10-01

[2]梁志远,邹晓敏,劳有兰.面向嵌入式课程群建设的《微机原理》课程教学探讨[J].高教论坛,2008年04期

[3]王小妮,郝媛.物联网技术在现代远程教育领域的研究[J].北京:中国电力教育,2012,6:113-114

(作者单位:北京信息科技大学 理学院 中国北京)

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