计算机系统能力背景下的嵌入式系统实验教学研究

    陈乃金+周鸣争

    

    摘要；该文分析了以计算机系统能力培养为背景的嵌入式系统实验教学存在的问题，给出了嵌入式系统实验课程教学的改革方案。实践结果表明，该教学模式培养了理工科院校学生的实践能力，改进了嵌入式系统课程的教学质量。

    关键词；计算机系统能力；嵌入式系统实验教学；实验内容；教学方法；创新

    中图分类号； TP314 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0098-02

    Abstract： This paper analyzes the existing problems of embedded systems experimental curriculum teaching for the background of Computer system capability. The reform program of embedded systems experimental teaching is given. The result of teaching experiments shows that this teaching pattern cultivates the practical abilities of science and engineering students and the teaching quality is improved.

    Key words： computer system capability； embedded system experimental teaching； experimental content； teaching method； innovation

    近年来，一方面，嵌入式系统芯片已经渗透到手机、家电、汽车制造、临床医疗、物联网无线数据传输控制等方方面面，并且取得了较大的成功。另一方面，从2000年开始，在高校教学层面全国各大高校电子信息类等专业均开展了嵌入式系统及相关课程，取得了一定的教学效果。但是，随着IT产业的进一步发展，企业界对嵌入式系统芯片的设计、验证和测试、编译等软硬件协同设计人才的需求越来越大，这些对嵌入式系统教学提出了挑战。

    嵌入式系统是一门综合性课程，涉及可重构系统、计算机系统结构、计算机组成原理、数字逻辑、系统芯片设计流片与验证测试、linux操作系统、编译原理、汇编/C/C++/Java程序设计、Verilog和SystemVerilog模块化设计、同构或异构数据库的驱动研发等多门课程，详细“嵌入式系统”课程群见文献[1]，并且文献[1，2]已经对嵌入式系统的定义进行了很好阐述，在此不再累述。

    传统的计算机科学与技术理论和实验教学已经不能适应计算机系统能力培养背景下嵌入式系统教学[3]，特别是计算机系统能力背景下的嵌入式系统实验教学。计算机系统能力培养的核心是要求学生在掌握嵌入式等新型计算系统基本原理的基础之上，对计算机系统的软硬件设计、操作系统、编译技术、工程应用开发等提出了更高要求[4-6]。在这样的背景下，嵌入式系统的实验教学存在较多问题，对此进行探索式的改革显得尤为重要。

    1现阶段嵌入式系统实验教学存在的问题

    现阶段嵌入式系统还是处于一门新课的状态，特别在实验教学方面缺乏成熟的教学方法，实验设备或系统不足，可表现在以下几个方面：

    1.1实验内容停留在简单验证阶段

    现阶段嵌入式系统课程的实验大多基于实验箱，从而导致学生仅仅停留在认知和实验箱

    例子实验验证的层面，不少高校没有做到对嵌入式系统实验进行二次开发，更没有结合企业工程问题的实际进行开发。

    1.2 数据传输没有融合无线传输

    一般而言，嵌入式开发板数据下载实验的做法是：首先把某一个应用任务在一台PC上的编译完成后，第二通过数据下载器连接PC机和开发板进行数据的有线下载和传输，没有通过无线终端及无线传感器的网络协议实现无线下载，从而导致数据传输教学具有局限性。

    1.3 没有培养学生的硬件原理图的设计能力

    通常，实验开发板供应商在提供实验设备的同时，给出了该套硬件开发板的设计电路图及相关接口控制数据，集成开发环境IDE的安装说明等文档，学生大多按实验程序去仿真，对硬件设计原理图没有理解或处于一知半解的状态，从而导致达不到相应的教学效果。

    1.4学生对嵌入式CPU指令设计不理解

    学生只会在嵌入式系统开发中应用一些成熟的指令进行汇编语言的编码，具体对嵌入式CPU的指令是如何设计的不理解或完全不知。嵌入式CPU的开发一直以来是计算机等电子信息类专业的教学重点和瓶颈，特别是工程化教学和计算机系统能力培养的大背景下，对本科生提出了更高的要求，所以对嵌入式CPU指令设计和仿真显得特别重要。

    1.5实验指导教师的缺乏

    一般而言，老师均具有承担嵌入式系统等新课的积极性，老师在理论教学较为投入，但是配备的嵌入式系统实验指导教师不足，导致任课老师一方面要积极讲好理论课，一方面又要全力投入嵌入式系统实验的设计，没有精力设计出创新性较好的实验教学项目。

    2计算机系统能力背景下的嵌入式系统实验教学改革

    2.1 实验内容改革

    在计算机系统能力培养的背景下，可以将嵌入式系统实验内容可分为以下四个方面：

    2.1.1 基础验证实验

    具体包括硬件和软件基础实验。硬件基础实验包括Protel 99SE版图生成及母板的制作；全加器、乘法器数字电路的焊接与设计；数字模块电路的Verilog波形仿真等。软件基础实验包括熟悉COS-Ⅱ、CLinux、Vxworks、Windows CE等两种嵌入式操作系统；嵌入式处理器汇编语言的编码与测试、CLinux的任务移植、外部设备驱动实验编写、Bootloader引导程序的加载、CLinux内核裁剪等实验。

    2.1.2 嵌入式CPU指令设计仿真实验

    基于Verilog或System Verilog等EDA工具设计5条、10条、55条CPU的MIPS指令，通过仿真让本科生了解和掌握嵌入式CPU工程化综合方法，根据一条指令的通路表，确定多路选择器或控制寄存器等的逻辑表达式和控制信号的形成机制，这样做的目的一方面是使学生初步具有设计CPU指令的能力，另一方面，可以训练学生阅读不同嵌入式架构数字及复杂电路原理能力，从而实现嵌入式系统实验的二次开发。

    2.1.3 综合性实验

    综合性实验必须要安排3-5个，具体包括嵌入式文件系统有线和无线烧写；基于无线网络终端的任务可执行文件无线传输；结合开源软件miniGUI等实现触摸屏用户界面的设计与代码移植；基于TP/TCP协议实现有线和无线网络数据传输通信等。

    2.1.4 与国家大学生创业计划相融合的实验：

    任课教师鼓励并协助大学生申请国家大学生创业计划，例如：电瓶车防盗系统的嵌入式无线数据传输报警系统；嵌入式CPU编译技术的System Verilog软硬件仿真平台的设计与实现等。

    2.2 实验教学方式改革

    2.2.1 课堂理论教学与实验内容相融合

    任课教师在认真完成理论教学的同时，积极配合实验教学人员把每一个实验设计好做到课堂理论教学与实验内容相融合在一起，在每次上实验前，在课堂上把本次实验内容及相关的知识点讲一遍，这样做的目的是为学生实验前期准备做铺垫。

    2.2.2 考核方式

    以前嵌入式系统实验考核重视实验报告的撰写，忽视了学生实验过程和动手能力的培养，实验成绩包括需要以下几个方面：（1）实验前期准备，检查学生本次实验题目、实验目的、实验注意事项、实验方法是否写在实验报告纸上了，占实验成绩权重的20%；（2）实验过程实现，考查学生实验实现结果，老师现场打分，占实验成绩权重的40%；（3）实验拓展，每次实验均涉及2-3个拓展问题，让学生做完基本实验后，现场完成，占实验成绩权重的30%；（4） 实验小结，每次实验均要写本次实验的收获、本次实验遇到的困难，占实验成绩权重的10%；（5）考勤，如果实验缺勤超过2次，直接定为不及格。需要说明的是，如果嵌入式系统为专业方向课，还需要2周的课程设计，做到一人一题，题目类型主要为综合的创新性实验，还有国家、省的大学生创业计划实验。

    2.2.3 融合学科竞赛

    积极开展学生第二课堂，并带领学生组队参加嵌入式省及国家级电子设计、嵌入式省及国家级单片机设计等大赛，让学生把课堂上学习的内容应用到比赛设计的作品当中去，从而实现理论与实践的融合。

    3 实际教学效果

    表1给出了我校“嵌入式系统”课程体系建设前后的比较结果，并同时达到以下教学效果：

    （1）学生在硬件设计及动手能力方面明显增强。

    （2）学生参加嵌入式物联网系统国家及省大赛、安徽省及全国单片机比赛、安徽省机器人大赛、 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛等比赛的人数明显增加，每年的获奖人数和团队达到参赛人数的30%或以上。

    4 结语

    近年来的嵌入式系统的实验教学实践证明，通过嵌入式系统的实验的改革，培养激发了学生学习嵌入式系统的热情，提高了学生在嵌入式系统领域的就业竞争力。通过嵌入式系统的实验教学实践，我院学生在嵌入式系统方面的设计与开发能力明显增强，下一步我院打算进一步优化计算机系统能力背景下的嵌入式系统实验教学体系，把嵌入式系统课程建设我院一个专业方向亮点，使之成为特色专业方向之一。

    参考文献：

    [1] 陈乃金，周鸣争. “嵌入式系统”课程群的改革与实践[J].长春大学学报， 2013，23（8）：1044-1046.

    [2] 陈乃金，周鸣争.“嵌入式系统”课程教学的设计[J].合肥学院学报（自然科学版），2008，18（4）：82-89.

    [3] 张福炎，俞建新.漫谈当前的嵌入式系统教学[C].全国第五届嵌入式系统学术交流会论文集，北京，北航出版社，9月，2004：82-84.

    [4] 王志英，周兴社，袁春风，等. 计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育， 2013，9（5）：1-6.

    [5] 何立民.从嵌入式系统视角看物联网[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010（10）：5-7.

    [6] 凌明，王学香，钟锐.电子类专业嵌入式系统课程体系建设探索[J].电气电子教学学报，2007，29（5）：4-6.