嵌入式系统实践教学研究

文章编号：1672-5913(2008)10-0041-03

摘要：本文分析了嵌入式系统实践教学的重要性及现状，并根据我系的教学实践，对该课程在试验平台选择、实践教学内容设置、学生实践能力培养等方面提出了具体的实施方案。

关键词：嵌入式系统；实践教学；ARM；Linux

中图分类号：G642

文献标识码：A

1 前言

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。目前，嵌入式系统有着广泛的应用领域。

嵌入式系统属于一个交叉学科，同时又是一门实践性很强的课程，它涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算机软件和硬件等多项技术领域的应用，是近几年新兴的学科。国内外高校在嵌入式方面的教学已经全面展开，但是一些高校嵌入式课程开设的情况不理想，虽然建立了良好的嵌入式系统实验室，却并未达到理想的教学效果，培养出来的学生动手能力欠佳，很难符合企业的用人需求。由此可见，嵌入式系统教学还有很大的改进空间，特别是在实践教学方面，因为实践教学是提高学生动手能力最直接、最有效的手段。本文针对应用型本科院校计算机专业的嵌入式系统课程的实践教学进行初步探索。

2 实验平台的选择

嵌入式系统的实验平台由软件平台和硬件平台组成，如图1所示。

图1 实验平台的构成

2.1硬件平台

嵌入式系统通常采用宿主机/目标机的开发方法,需要专门的软硬件开发工具和开发环境,因此在嵌入式实验需要选择主流的嵌入式软硬件开发工具和开发环境。实践教学的目的是为了让学生具备工程实践能力和就业竞争力，因此，学校教学必须以讲授主流和经典的技术为主，目前ARM9处理器具有主频高，性能优越，内部接口丰富，工艺先进，尤其是在当今多媒体技术日益普及，往往要求嵌入式系统工程师掌握MP3、MPEG4、H.263、H.264编解码技术和USB接口技术，以上都是ARM7处理器无法做到的。总之，ARM9处理器在功能、功耗和性能价格比等方面的优势是ARM7处理器无法比拟的。因此，我们的实验平台包含3种处理器，教学和实验以ARM9处理器为主、同时如果有需要，也可选用ARM7或ARM10处理器。

2.2操作系统

众所周知，Linux操作系统在业界有庞大的用户群体、丰富的学习参考资料和网上资源，很多服务器、网络设备以及消费类电子产品中已经广泛使用该操作系统。此外，学生在“操作系统”课程中也学习了Linux的相关知识。因此，我们在教学过程中以Linux操作系统为主，简要介绍VxWorks和WinCE操作系统。

3 实践教学环节的设置

嵌入式系统的实践教学由五个环节组成：基础实验，课外研发活动，课程设计、工程实训、毕业设计。其中，课外研发活动贯串其他四个环节的始终，如图2所示。

图2 实践教学环节的组成

3.1基础实验

基础实验是与嵌入式系统课程同步的实验，让学生了解嵌入式软件和硬件的开发环境与流程,进行基本的嵌入式程序开发。

嵌入式系统的基础实验教学是构建一个的以ARM技术为核心的嵌入式系统开发与应用教学课程体系的重要部分，希望在一个较为真实的实际工程平台上进行实验教学，形成从易到难、相对完整、贴近实际工程应用的嵌入式Linux操作系统实验教学体系。经过该实验教学环节的培养，使学生较完整地掌握嵌入式系统基本、实用的设计与开发技能。实验内容及课时分配如表1所示。

表1 实验教学内容及学时分配

3.2课程设计

嵌入式系统课程设计是嵌入式系统教学体系中重要的实践环节, 属于综合应用实践，让学生灵活运用所学到的知识,按照指定的题目,自行设计开发嵌入式系统，课时数为30课时(2周)。通过嵌入式系统实验平台，学习并掌握构建嵌入式系统的方法,熟悉常用的微处理器、存储器、外设接口和硬件设计方法。掌握嵌入式操作系统的内核裁剪,编译下载调试,编写设备驱动程序和应用程序,最后完成一个具体嵌入式应用的解决方案。使学生对嵌入式系统的开发有完整的认识，根据项目工作量的大小，一个项目组安排3～5人，选出一人任项目组长。典型的开发项目包括：

智能PDA手机平台――完整模拟一款智能PDA手机。知识点包括液晶显示模块驱动、GPRS模块驱动、SD卡读写、语音播放、蓝牙驱动、红外驱动等。

网络监控系统――模拟一个网络监控系统，实现图像传输和记录功能。知识点包括以太网、摄像头、IDE、CAN等模块的驱动。

车载导航终端系统――模拟一个车载导航终端，实现地图车载导航。知识点包括GPS模块驱动、液晶显示模块驱动、WINCE地图等。

无线IP PHONE――实现无线IP PHONE，通过IP进行语音通讯。知识点包括GPRS模块驱动、液晶显示模块驱动、音频编解码等。

MP3/MP4播放器――模拟一台MP3/MP4播放器，实现MP3、MP4播放。知识点包括TFT液晶显示模块驱动、音频解码、视频解码等。

3.3课外研发活动

学校为学习成绩较好且对嵌入式系统开发有浓厚兴趣的同学提供了课外进行研发活动的条件。组成了课外科技活动小组，学生由2～4人自发组成多个嵌入式系统开发小组，利用现有的实验设备和场地进行嵌入式系统知识的深入学习和课题研究开发，并指派教师在各个阶段给予指导和帮助；有相关课题的教师也将其中一些具备一定开发能力的同学纳入自己的开发团队中。此外，鼓励他们积极参加湖南省大学生电子设计大赛、全国大学生电子设计大赛、嵌入式系统设计大赛，以及跨国公司组织的嵌入式系统设计大赛。这样就能够充分挖掘出这些同学的创造潜能，为创新型人才的培养提供一个良好的平台。

3.4工程实训

工程实训是应用型本科院校教学体系的重要环节之一，必须构建一个和产业技术水平同步的教学与科研实验室以及一个高水平的学生工业实习基地。教学与科研实验室为学生在课程学习时提供了初步的工程实践机会，而工业实习基地则为学生提供参与实际项目开发的机会。为此，我们与在长沙市内从事嵌入式系统开发的相关企业合作，在第七学期(课时是4周)为学生提供实训机会，如开发智能电表、智能读卡器、智能家电等，由企业导师指导学生参与开发实际的工程项目，使学生能在毕业前深入体会企业文化，完善自身职业素质和提高工程实践能力，具有更强的就业竞争力，表现突出的同学往往被这些企业优先录用为正式员工。

3.5毕业设计

近两年来，随着我校计算机系学生硬件开发能力的不断增强，很多对嵌入式系统开发有兴趣的同学选择了嵌入式系统开发方面的课题作为毕业设计课题，课题主要来自教师的科研课题，或是来自企业的科研项目。学生不仅要进行软件的设计，而且还要进行硬件电路的设计和制作，以及软硬件系统的联合调试，使学生建立相关课程之间知识的有机联系。指导教师为学生提供了较好的开发环境，如开放的实验室、齐全的仪器设备和材料。让学生熟悉需求分析、方案设计、原理图和PCB绘制、元器件采购、电路的焊接和调试、嵌入式软件开发等各个研发环节，使他们的工程实践能力得到较大的提高。

4 结束语

通常，嵌入式开发人员以电子工程、通信工程等专业以及计算机专业出身居多，前者主要面向硬件设计，开发一些与硬件关系最密切的底层程序，对硬件原理熟悉，但他们的软件算法设计能力有限；计算机专业出身的开发人员以嵌入式操作系统和应用软件的开发为主，而硬件设计能力欠佳。本课题的研究目标是针对计算机专业的学生，完善实践教学内容和实践教学方法，并通过各个实践环节的培养，使学生成为软件开发能力和硬件开发能力兼备的人才，满足社会对高素质嵌入式系统开发人才的需求。从学生的学习积极性和近期学生的就业情况来看，我们的努力探索和付出是值得的。

Research on Experimental Teaching of Embedded System

Yang Feng-Nian1，He Wen-De1，Liu Guang-Can2

(1.Department of Computer Science and Technology; 2.Department of Electronics and Communications Engineering, Changsha University, Changsha 410003)

Abstract: In this paper，the necessity and actuality of the experimental teaching of embedded system is analyzed. The schemes of selecting hardware platform, setting experimental teaching contents，cultivating students’practice capability are proposed.

Key words: embedded system, experimental teaching, ARM, Linux

参考文献

[1] 俞建新. 略论嵌入式系统的实验教学[J]. 实验室研究与探索,2006,(2)：741-745.

[2] 魏洪兴,王田苗. 软件专业嵌入式系统课程体系研究[C]. 第三届嵌入式系统教学研讨会论文集,北京:清华大学出版社, 2005.

[3] 慕春棣. 嵌入式系统的构建[M]. 北京:清华大学出版社,2004.