时间：2023-10-09 16:14:55
[关键词]嵌入式驱动程序 嵌入式技术 课程研究
[中图分类号]G434 [文献标识码]A
一、引言
嵌入式系统的硬件组成除了包括中心控制部件嵌入式系统处理器外，还有输入输出装置以及一些扩充装置开关、按键、传感器、模数转换器、LCD显示器、触摸屏及LED（发光二极管）等嵌入式硬件设备。嵌入式硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境[1]。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。如何让这些设备工作起来，是嵌入式驱动程序的任务。由于I/O设备种类繁多，工作模式各不相同，驱动程序是整个嵌入式软件设计中最复杂、代码量最大、最繁琐的部分。
二、嵌入式驱动程序概述
外设驱动程序可以对系统提供访问设备的接口，把操作系统（软件）和设备（硬件）分离开来。当设备改变的时候，只需要更换相应的驱动程序，不必修改操作系统的内核以及运行在操作系统中的软件。系统的驱动程序要受控于相应的操作系统的多任务之间的同步机制。在操作系统中使用信号量、邮箱等机制进行协调。操作系统只和特定的驱动抽象层通讯，无论在抽象层下面对应的是什么类型的设备，对操作系统和用户的应用程序来说都是统一的接口[2]。驱动抽象层位置图如图1所示。
图1：驱动抽象层位置图
该部分包括基于ARM架构的串行口通讯、键盘驱动原理、I/O接口电路、A/D接口电路、LCD的驱动控制、触摸屏程序设计的内容。
三、嵌入式驱动程序设计研究
1.串行口通讯
通过监视串行口，把我们在程序中插入的想要反馈程序运行情况的串行口语句输出到显示器中的超级终端中。这样便可以实时监控程序的运行情况，方便调试程序。串行口组件设计是将接收到的字符再发送给串口（计算机与开发板是通过超级终端通讯的），即按PC键盘通过超级终端发送数据，开发板将接收到的数据再返送给PC，在超级终端上显示[3]。
要想设计好串行口驱动程序，需要做如下几步：
（1）熟悉串口通讯原理；
（2）查阅ARM串口寄存器文档，包括S3C2410控制、状态和数据寄存器；
（3）查阅电平转换芯片资料（max3232）；
（4）设计硬件电路图；
（5）设计串口驱动（包括串口寄存器初始化，发送接收函数等）。
异步通信必须遵循的3项规定为：
（1）字符的格式
（2）波特率
（3）校验位
初始化时需要设置波特率、停止位、奇偶校验、数据位等参数。异步串行方式是将传输数据的每个字符一位接一位（例如先低位、后高位）地传送。数据的各不同位可以分时使用同一传输通道，因此串行I/O可以减少信号连线。如图2给出了异步串行通信中一个字符的传送格式。
图2：串行通信字符格式
开始前，线路处于空闲状态，送出连续“1”。传送开始时首先发一个“0”作为起始位，然后出现在通信线上的是字符的二进制编码数据。每个字符的数据位长可以约定为5位、6位、7位或8位，一般采用ASCII编码。后面是奇偶校验位，根据约定，用奇偶校验位将所传字符中为“1”的位数凑成奇数个或偶数个。也可以约定不要奇偶校验，这样就取消奇偶校验位。最后是表示停止位的“1”信号，这个停止位可以约定持续1位、1.5位或2位的时间宽度。至此一个字符传送完毕，线路又进入空闲，持续为“1”。经过一段随机的时间后，下一个字符开始传送才又发出起始位。
2.键盘驱动原理
键盘的设计是将一个瞬时接触开关放置在每一行与每一列的交叉点。矩阵所需的键的数目显然根据应用程序而不同。每一行由一个输出端口的一位驱动，而每一列由一个电阻器上拉且供给输入端口一位。键盘扫描过程就是让微处理器按有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。一旦处理器判定有一个键按下，键盘扫描软件将过滤掉抖动并且判定哪个键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标识符。应用程序利用该扫描码，根据按下的键来判定应该采取什么行动。如图3所示为逐行扫描法工作原理：逐根行线输出0电平，而其他行线保持高电平；同时检测列，列全1就没有键按下，0有键按下。行线和列线状态组合在一起就确定了是哪个键按下，如110 1110是0键按下，1010111是7键按下。
图3：逐行扫描法原理图
3.I/O接口电路
I/O系统的目标是对RTOS和应用程序员隐藏设备特定的信息，并且对系统的I/O设备提供一个统一的访问方法。下面是从不同角度看I/O系统：
（1）从系统软件开发者角度看，I/O操作意味着与设备的通信、对设备编程初始化和请示执行设备与系统之间的实际数据传输以及操作完成后通知请求者。系统软件工程师必须理解设备的物理特性，如寄存器的定义和设备的访问方法。
（2）从RTOS的角度看，I/O操作意味着对I/O请求定位正确的设备，对设备定位正确的设备驱动程序，并解决对设备驱动程序的请求。有时要求RTOS保证对设备的同步访问。RTOS必须进行抽象，对应用程序员隐含设备的特性。
（3）从应用程序员角度看，目标是找到一个简单、统一和精练的方法与系统中出现的所有类型的设备。
I/O接口的编址方式分为两种：
（1）I/O接口独立编址――端口映射方式
这种编址方式是将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，互不影响。设有专门的输入指令（IN）和输出指令（OUT）来完成I/O操作。
（2）I/O接口与存储器统一编址方式――内存映射这种编址方式不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间，把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元对待，每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号。也不设专门的输入/输出指令，所有传送和访问存储器的指令都可用来对I/O接口操作。
4.A/D接口电路
A/D转换器能将模拟量转换为数字量的电路；D/A转换器能将数字量转换为模拟量的电路。A/D转换器和D/A转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。A/D 转换器是模拟信号源和CPU 之间联系的接口，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。一般A/D转换过程要经过采样、保持、量化和编码四个步骤。前两步在取样―保持电路中完成，后两步则在A/D转换器中完成。D/A转换器的基本原理是将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
A/D转换器较常用的是逐次逼近型，如图4所示。转换前，先将SAR寄存器各位清零。转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余位为“0”，此试探值经D/A转换成电压Vc，然后将Vc与模拟输入电压Vx比较。如果Vx≥Vc，说明SAR最高位的“1”应予保留；如果Vx
图4：逐次逼近式A/D转换原理图
5.LCD的驱动控制
LCD显示器的基本原理就是通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。因此，LCD的驱动控制归于对每个液晶单元的通断电的控制，每个液晶单元都对应着一个电极，对其通电，便可使光线通过。
液晶模块有两种工作模式：图形方式和文本方式。在图形方式下，模块上的缓冲区映射的是液晶屏上显示的图形点阵；在文本方式下，模块上的缓冲区对应的是液晶屏上显示的文本字符，包括英文字符和英文标点符号。因为汉字字库没有包含在液晶模块之中，所以液晶屏在文本方式下只能显示英文，不能显示汉字。液晶屏的操作主要包括：初始化、设置液晶屏的工作模式（文本或者图形）、更新显示、开启（或者关闭）背光等。
6.触摸屏程序设计
触摸屏是专门处理是否有笔或手指等物体按下触摸屏，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，并在按下时分别给两组电极通电。因其中一面导电层（顶层）接通X轴方向的5V均匀电压场，使得检测层（底层）的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，其对应位置的模拟电压信号经过A/D转换送回处理器。经过坐标转换后，得到触摸点的x/y坐标。
触摸屏接口专用芯片ADS7843是Burr-Brown公司生产的，能够完成电极电压的切换及采集接触点处的电压值，并进行A/D转换。在完成一次x/y坐标采样的过程中需要一次模式转换即在点击触摸屏之前是等待中断模式，当有触摸动作产生触摸屏中断以后，在x/y的坐标采集驱动中设置成自动的x/y位置转换模式，在完成采集以后再转换回等待中断模式，准备下一次的触摸采样。
四、总结
嵌入式驱动程序设计渗透在掌上电脑、笔记本电脑和手机等各个领域，这些设备要想正确工作，必须借助相应硬件及其驱动程序。随着嵌入式系统在工业控制领域、智能机器人、移动通讯以及智能家电、网络家电的应用，驱动程序设计方面的开发人员需求量也会越来越多。
基金项目：北京信息科技大学《嵌入式系统安全》课程建设项目
[参考文献]
[1]王小妮、魏桂英、杨根兴. 嵌入式组件设计[M].北京航空航天大学出版社，2012
[2]王小妮.基于嵌入式系列课程的教学改革与探索[J].教育理论与教学研究，2013.5
关键词：嵌入式系统设计；基于主题；交互式讨论
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）24-0238-02
一、课程建设目标
嵌入式系统是浙江大学仪器学科的主要研究方向之一，也是本学科课程建设的重心之一。在本科阶段，学科安排了《嵌入式结构设计》与《嵌入式操作系统》两门相关课程，分别从硬件结构与软件结构两方面为学生奠定嵌入式系统设计的基础；而在研究生阶段，又安排了《嵌入式系统设计》专业课程，立足于为国内外电子信息领域培养高级研究人才和从事高新技术的工程技术人才的培养目标，结合科研实践，重点阐述嵌入式系统设计中的相关知识。《嵌入式系统设计》一直作为本专业研究生的核心课程，在2009~2012年期间列入了浙江大学首批研究生示范性课程建设项目，并与去年通过了项目验收。在课程建设过程中，着重借鉴国外先进教学经验，立足学科发展前沿，着力研究生对嵌入式系统设计这一交叉学科知识的深入理解和掌握，注重创新思维、先进技术方法和实践能力等方面的培养。
二、课程建设思想
通过课程建设小组的集体讨论，在课程建设过程中强调了以下二个建设思想：一是分主题进行讨论，可以最大程度地结合同学的科研实际工作；二是采用分组方式进行面向主题的主动设计，突出培养学生的软硬件综合设计能力以及团队合作精神。老师一方面是抛砖引导，另一方面是评述引伸；学生一方面是学习接受嵌入式系统的设计思想与方法，另一方面是直接把这些设计思想与方法应用到自己熟悉主题的系统设计中，并能分工合作，提出设计中的心得体会。对于学生而言，哪怕设计中有不完善的地方甚至哪怕是有些失败的地方也没有关系，关键是通过学习与实践，培养了系统设计的综合能力，更重要的是培养自己系统设计中创新意识，从而为后续的研究生科研工作打下比较好的基础。
三、课程建设过程
1.整理了课程建设的思路，在课程建设过程中，注重研究生创新思维、先进技术方法和实践能力等方面的培养。在课程教学过程中，尤其突出了“系统设计”概念，强调“软硬件协同设计”的方法。在嵌入式系统课程学习过程中，最突出的问题是同学不能一下子完成角色转化。对于本专业本科毕业的研究生而言，虽然在本科阶段上过“嵌入式结构设计”与“嵌入式操作系统”课程，但不少同学还是停留在课程理论学习阶段，无法与科研实际进行关联。更多的同学一下子没有办法从本科生的微机原理课程中转换过来，整个系统设计的思想还是停留在单片机的定势，以为嵌入式系统就是单片机系统的一个简单升级，在自主设计过程中，无法很好地理解系统的复杂性，特别是无法理解嵌入式系统软件层次结构的重要性。通过这两年的摸索，教师在上课过程中，紧紧突出系统的概念，是由于系统的复杂性大大提高，从而要求我们的总体设计方法也提升，而不是为了嵌入式而嵌入式，这对于许多同学都是有帮助的。
2.在教学过程中，一方面分主题进行讨论，可以最大程度地结合同学的科研实际工作，另一方面是采用分组方式进行面向主题的主动设计，突出培养学生的软硬件综合设计能力以及团队合作精神。嵌入式系统设计课程既是本专业研究生的主干课程，同时也是本专业研究生从事科研工作的主要知识源之一。因此，在本课程的建设过程中，强调研究生的课程与实践的结合，是十分重要的。本课程本身没有配套相关的实验环节，但在分主题讨论过程中，事实上研究生们都基本上在按照自己从事的科研工作进行分类，在讨论过程中也往往把自己的实际科研成果进行介绍与分析，而老师对这种设计过程进行互动式的深入分析，同学们就都比较有共鸣感，体会也比较深入。在本课程中，设计了“导航与定位系统”、“智能交通系统”、“自动测控系统”与“信息家电系统”四个主题，选择这四个主题一方面是考虑到这四个领域均为嵌入式系统应用的典型领域，对于广大同学不少就是耳熟能详的，没有任何的陌生感，另一方面也考虑到这四个领域也是本专业实验室科研工作的主要应用领域，面向这四个领域每个实验室均有自己的研究课题与研究成果，也恰恰是本专业研究生日常科研工作的重点。
3.在上课过程中，采用互动式教学模式，并采用针对性问题分析方法，提高同学们的学习共鸣性。在实际教学过程中，无论是老师讲还是学生讨论，达到了教学互动。在研究生教学过程中，许多都采用了PPT的演讲方式，但在不少课程中，研究生们往往是自己讲完就行。在本次课程过程实践中，教师突出强调了讲演的启发式点评过程，每个同学讲完后老师都进行针对性的点评，并针对其中的问题进行分析讨论。事实上，不少问题都是共性问题，一位同学的讲演上有，其他同学也可能有同样的不足。而如果讲的问题太宽泛没有针对性，同学们也没有办法引起共鸣。在讨论过程中，不仅只限于老师一人的点评，还有不少同学参与了点评与讨论，无论从设计思想、设计方案与具体设计方法都进行了不少的引伸与拓展，甚至主讲的同学自己也可以提问，把在设计过程中没有想明白的问题提出来供老师与同学们一起讨论。虽然每位同学自己只做了一个设计，但相当于可以学习几十位同学的设计方案，这对于大家的系统设计能力提升是十分有益的。
4.邀请了校内外相关领域专家与学生进行了设计成果的评点与交流，进一步拓展了学生思路。作为一个专业老师，研究方向与研究领域是有限的，有些主题是目前正在从事的科研领域，这样讨论起来会比较深入，但也有些主题也没有真正实施过，这样容易讲解不够深入。因此，在主题讨论中，课题组还邀请了领域的专业人士参加了课程讨论，比如面对“智能交通系统”主题，课题组就邀请了公安部门的交通研究所的相关专家参加了讨论，真正从实践角度讨论了系统的可行性，这种方式进一步提升了广大同学的学习兴趣，真正体会到了设计的必要性与可行性。
5.在学生实践设计的成果基础上，已经完成了设计案例库，并完成了多次课程讲义的修订。每一次课程教学完成以后，课题组就重新整理一下讲义，对材料与内容进行补充与修改，把每年同学们的好案例进行整理与补充。讲义内容的修订与补充，可以确保科研内容的日新性。
四、建设成效分析
在本课程建设过程中，对于老师本身也是一个不断思考不断提高的过程。如何提高同学们对课程的认可感，课程内容如何与同学们实际科研工作进行结合，这都是课程建设过程中考虑的主要因素。通过课程建设课题组的努力，目前本课程已经成为本专业与外专业交流的良好平台，每年都有不少来自于本学院外专业、信息学部外专业、工学部专业、甚至农学部的相关专业的研究生选课，并与本专业的硕士生、博士生一起进行讨论，进一步拓宽了同学们的科研视野。当然，作为一门专业核心课程的建设，其建设标准在不断地提升，只有不断地思考与总结，才能不断地进行完善与提升，这也是本课程建设不断持续的动力所在。
【关键词】嵌入式产品制作实践；目标定位；教学理念；模式方法
一、嵌入式产品制作实践课程目标与定位
通过本课程的学习与训练，学生能够掌握嵌入式产品的制作工艺，能够具备制作出合乎要求、完成指定动作的产品模型的能力，并能够掌握模型动作的程序设计思路，为更深入的产品制作设计与开发打下基础。
1.课程目标
（1）知识目标
掌握Keil C程序软件的应用与设置；掌握产品设计与制作基本原则；掌握不同材料的选用方法；熟悉汇编和C51编程方法；掌握参数配置处理方法。
（2）能力目标
能够灵活运用C语言程序设计与其它工具软件；能够结合产品制作要求绘制建模图；能够应用产品要求搭建硬件平台与电路测试；能够利用程序设计进行动作处理。
（3）素质目标
培养沟通能力；培养自学与钻研能力；培养环保、节约意识；锻炼团队协调能力；锻炼实践动手操作能力。
2.课程定位
本课程是电子信息学院计算机应用技术人才培养方案嵌入式技术应用方向一门重要的专业技术课，课程开设的目的是作为嵌入式技术应用专业方向学生所学知识与技能的综合应用能力，并通过产品的功能进行直观展示。其前应学习的课程有：电工电子技术、C语言程序设计、单片机技术应用、嵌入式操作系统UC/OS、Linux、Windows CE嵌入式操作系统。
二、课程设计理念
本课程的任务是要让学习过嵌入式技术应用的学生都能够以教育机器人制作为工程对象，让他们在开发自己的教育机器人过程中学习和掌握单片机的基本原理与应用系统的开发技能，用C51编程实现机器人基本智能的展示，教学和学习过程充满挑战和兴趣，大大提高学习效率，同时在学习和实践的过程中，还可以培养学生的系统世界观和方法论。
1.关注学生的素质发展，着力提高学生的多元素养。
2.注重学生创造潜能的开发，加强学生实践能力的培养。
3.立足科学、技术、社会的视野，加强人文素养的教育。
4.紧密联系学生生活实际，努力反映先进技术。
5.丰富学生的学习过程，倡导学习方式的多样化。
三、嵌入式产品制作实践课程教学内容：
1.教学内容选取依据
采取了“以项目引导学习过程”的结构形式，注重培养和训练学生的嵌入式产品制作和面向应用的编程能力。在内容安排上，以简易机器人制作项目作为主线，贯穿了全部学习内容，使教学目标明确、脉络清晰，同时也使同学们能体会项目设计与制作的全过程，加深对“技术与设计”的思想和方法的理解。
贯穿教学过程的“探究尝试”、“实践活动”、“活动延伸”与理论知识有机地融为一体，完美地体现了“师生互动”、“在探究中学习”的教学理念，特别有利于培养学生的实践能力和开发其创造潜能。
2.教学具体内容安排
C51单片机程序下载与测试，输出接口与伺服电机控制，巡航控制，I/O接口与机器人触觉导航，51 I/O接口与红外线导航，机器人的距离检测，机器人中UART的应用，LCD应用编程与产品集成技术，多传感器智能机器人的设计。
四、嵌入式产品制作实践教学模式与方法
1.教材编写
建议选用教育部高等学校“十一五”规划教材，同时也可以由一线教师与行业专家依据本课程标准编写教材，基本要求为：
（1）教材依据本课程内容标准编写教材，将知识学习与能力培养紧密结合。
（2）教材以体现训练项目导入、工作任务目标达成，为课程设计主体思想。
（3）教材内容注重能力培养，并体现任务驱动，要以学生为教学主体，灵活多样设计任务，创立真实情境，引导学生进行观察、调研、创意、制作等活动。着重培养学生的分析判断与表现能力，为学生完整地再现基于机器人工程对象的实践展开制作。
（4）教材编写的体例和呈现方式尽量考虑岗位需求和学生的认知水平，强调实用和够用原则，以方便教学。
（5）教材应图文并茂，引用图片清晰精美，文字语言深入浅出。
（6）教材内容贯彻与时俱进的原则，借鉴国内外最新的研究成果，及时更新教学内容。案例设计注意典型性、时代性与可操作性。
2.教学模式
遵循“工学结合、行动导向”及“教、学、做”一体化模式，在教学过程中将教学内容、教学资源、教学环境、教学方式、教学进程重新进行有机的整合和序化。通过第二课堂的锻炼，培养学生利用机器人操作及维护资料和设备对机器人进行操作调试的能力、利用所学知识。通过第二课堂的锻炼，培养学生实践创新能力。
3.教学方法
实行任务导入、项目工作的新型教育模式，采用以启发式、案例分析、实例制作为主体的教学方法。选择目标明确、现实可行、有教育意义和典型性的工作任务为载体，在完成工作任务的过程中，实现能力培养目标。加强与深圳欧鹏等企业合作，以项目和工作任务为导向设计课程内容，强化学校与企业的互动，通过对接加强与企业的沟通与协作，努力为学生在企业展示自我、施展才干搭建平台，增强校企合作、共生共赢的依存和关联度。
4.教学手段
采取项目教学，以工作任务为出发点来激发学生的学习兴趣，教学过程中要注重创设教育情境，采取“教学做”一体化的教学模式，要充分利用挂图、投影、多媒体等现代化手段。
5.课程资源的开发与利用
课程资源是指依据课程性质开发的各种教学材料以及本课程可以利用的各种教学资源、工具和场所，它主要包括：（1）主辅教材、教学PPT、案例分析；（2）优秀产品模型设计案例库（优秀学生作品、优秀案例等）。
【关键词】嵌入式系统；ARM；FPGA
嵌入式系统是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。IEEE计算机协会将其定义为用来控制或监视机器、装置或者工厂等大规模系统的设备，是软件和硬件的综合体，国内一般将其定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
近年来，国家及企业对嵌入式人才的需求越来越旺盛。为了适应市场需求，不少高校开设了嵌入式系统相关课程。但是课程基本停留在传统的教学模式上，难以很好得适应市场需求的变化。因此，如何适应市场的变化和发展，加强学校和企业之间的互动，提高嵌入式系统课程教学质量，培养社会需求的高素质嵌入式系统应用开发人才，是我们面临的一个紧迫课题[1][2]。
一、嵌入式系统课程教学现状及问题
嵌入式系统作为一种计算机系统，也由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统课程的主要内容分为：嵌入式系统体系结构和嵌入式操作系统开发两大部分。嵌入式系统的体系结构一般都讲解微型计算机基础知识，ARM体系结构，ARM指令系统，ARM汇编和程序设计，中断和异常，基于某型号的ARM芯片功能的讲解。嵌入式操作系统开发的内容主要包括：Linux系统架构、Bootloader移植方法、内核裁剪与移植、基于Linux系统的驱动程序开发[3][4]。
目前在嵌入式系统课程的授课主要存在以下问题：
1.以ARM为参考平台进行讲解过于单一
目前为嵌入式平台可提供的CPU方案包括ARM、DSP和FPGA。ARM偏重于控制功能。DSP偏重于数字信号处理方案。FPGA目前能够移植ARM、DSP和NIOS软核实现各种灵活的应用。目前授课中只讲解ARM，而缺乏对各种不同的架构的横向比较。学生们无法更加深刻的理解ARM、DSP和FPGA体系结构的特点，从而影响他们在应用各种CPU方案时候的选型。
2.ARM体系结构的讲解过于抽象
嵌入式系统课程中对ARM体系结构的介绍限于说明书式的罗列介绍，信息量大，很容易忘记。笔者认为最好的讲解体系结构的方法是讲解设计这种结构的思想和方法，而不是大量介绍汇编指令集这样填鸭式教学方式。从图1可以看出目前电子工程学科基本课程框架结构。嵌入式系统融合了硬件、软件和操作系统多个知识框架。其中计算机组成原理和计算机体系结构处于核心位置。ARM、DSP和FPGA体系结构都包含在计算机体系结构里面。而目前我们的课程中缺失CPU硬件设计这一重要内容。学生只会用CPU而不会设计CPU。那么，他们对CPU的各种体系结构也是舍本逐末的。例如麻省理工学院的一门相关课程是计算机系统设计。学生在实验课中，需要自主完成ALU、单指令周期CPU（Single-cycle CPU）、多指令周期CPU（Multi-cycle CPU），乃至实现流水线32位MIPS CPU和Cache设计。而目前我们的课程主要是集中介绍国际流行的通用或专用微处理器架构。内容主要是说明书里知识点的堆砌，大量是记忆的内容。
3.目前的教学内容存在普遍的重软轻硬的现象
目前很多学校的课程主要偏重于各种编程环境、开发工具、数据库、计算机网络集成技术上面，关于硬件的内容只是限于简单的介绍。这样的教学现状对于我们培养掌握硬件核心技术人才非常不利。
二、基于CPU架构设计的嵌入式系统课程教学方法
针对上述嵌入式系统课程中存在的问题，笔者尝试着将CPU架构设计的内容引入嵌入式系统课程，从而是学生更加容易理解各种CPU体系结构中的指令集系统、指令流水线概念、中断等概念。通过FPGA硬件平台和QuartusII 6.0工具软件平台，使学生们掌握基于状态机控制模式的16位CISC CPU设计，MCS51单片机系列兼容型单片机软核系统设计，基于流水线技术的16位RISC CPU设计，以及基于SOPC技术的32位Nios II软核嵌入式系统软硬件设计。学生们尝试从局部到整体的学习过程，从每一个逻辑门至锁存器、移位寄存器，从RAM、ROM、FIFO、锁相环PLL、Cache、ALU至DMA、硬件通信接口，从8位CPU至32位嵌入式系统，即从最基本的部件至整个宏观过程。通过上述学习，学生们可以深刻的理解包括各种CPU体系结构的概念。而且FPGA提供高效的软硬件调试和测试工具优化设计，如基于功能和时序仿真的硬件静态测试方法、基于能完整配置进FPGA内部的嵌入式逻辑分析仪SignalTapII测试工具等。可以通过嵌入式逻辑分析仪实时的可视化各种CPU的管脚时序。对于学习CPU的体系结构是非常好的补充。显然这些内容在我们传统的教学内容、实验模式和实验手段上是没有的。
三、教学实例
CPU硬件主要由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。学生们通过FPGA硬件平台将传统计算机组成原理实验中涉及的CPU功能模块和CPU完全使用VHDL和EDA技术来表述与构建，最终完成一个片上计算机系统的构建。
CPU由各种基本的功能模块和数据通路组成。通过课程中对各个功能模块的讲解使学生能够从总体了解CPU的硬件模型，然后通过实验使学生完成基本的功能模块的设计、综合、调试、仿真和硬件实现，即硬件设计。然后让学生自己完成自己的指令集系统设计和程序的调试，从而完成软件设计。
CPU的功能大致分为四个部分：
1.指令控制
程序是指令的有序结合。CPU是按照程序员输入的指令进行工作。CPU的首要任务就是严格控制程序的执行顺序。
2.操作控制
根据指令CPU产生控制信号，控制计算机若干个部件协同工作。
3.时序控制
操作信号需要按照产生时间、稳定实践、撤销时间以及相互之间的关系协调各个功能部件的工作，即所谓时序控制。严格的时序控制保证了计算机系统的协调工作。
4.数据加工
对涉及数值数据的算术运算、逻辑变量的逻辑运算以及其他非数值数据（如字符、字符串）的处理，它是CPU的基本任务。
CPU由运算器和控制器两大部分组成。运算器主要包括算术逻辑单元、数据寄存器、缓冲寄存器、状态寄存器组成，是数据实现算术运算和逻辑运算的加工处理部件。控制器接收命令控制运算器执行相应操作。控制器包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器五部分组成。控制器主要实现三个方面的任务：
1.取指令
程序计数器指针指向内存中的某条指令，取出并存放到指令寄存器中。指令的操作码部分送给指令译码器，程序计算器加一指向下一条指令。
2.译码
对译码器中指令操作码进行识别和解释，产生相应的操作控制信号，启动相应的部件，完成指令规定的动作。
3.数据流控制
指挥和控制CPU、内存及输入输出部件之间的数据流动方向。
四、结语
按照上述的基于CPU架构设计的嵌入式系统课程教学模式，奠定了学生们计算机体系结构的硬件基础。这一体系从简单到复杂，从理论到实践，循序渐进，逐步提高。经过工程实践的训练，激发了学生们学习嵌入式系统课程的热情，巩固了课本上的知识，拓展了工程实践的视野。同时，大大提高了学生们独立解决问题的能力和工程实践创新能力。通过上述的教学实践，取得了良好的教学效果，得到了广大师生的认可。
参考文献
[1]邓春健，李文生，杨亮，等.“ARM嵌入式系统”课程教学方法研究[J].计算机教育，2010（3）：94-96.
[2]俸皓.嵌入式系统教学体系改革的探讨[J].科技信息（科学教研），2007，12（30）：29-31.
关键词：嵌入式系统；人才培养模式；课程体系
中图分类号：G623.58
嵌入式从早期的单片机，到后来的DSP，再到现今的32位的基于ARM架构的处理器及以Soc片上系统的应用，嵌入式的应用已经渗透到各个领域。嵌入式教育目前在国内已经形成了足够的重视，但我们在很多方面所做的工作还不够，还存在一些问题如：师资力量不够，教材过于笼统，教学方式陈旧，培养嵌入式专业技能方面不能满足社会需求等。
本文将结合哈尔滨华德学院计算机专业的实际情况，以“应用型”人才培养为目标，结合本校学生的特点，探讨如何培养出适应社会需要的嵌入式人才。
1.专业定位
哈尔滨华德学院于2007年在计算机科学与技术专业设置嵌入式系统方向，本专业的定位是培养能够在消费电子、信息科学、计算机技术、工业控制、汽车电子等领域从事嵌入式系统产品的软/硬件设计、开发、测试等领域具有综合解决实际问题能力的实用型高等工程技术人才。
2.课程体系
2004年IEEE和ACM对计算机专业本科教育的课程系进行的设置认为嵌入式系统的课程应包括以下内容：嵌式的发展历程和概述、嵌入式微处理器、嵌入式软件设、实时操作系统、低功耗计算、系统可靠性设计、设计方法学、嵌入式系统设计工具、嵌入式多处理器系统设计、网络化嵌入式系统、接口和混合信号系统等。
通过市场调查，针对学生的实际接受知识的情况和社会的需求，本专业方向课程体系的理论教学分必修课程和选修课程，理论与实践的比例在6：4。课程体系主要分四个阶段：嵌入式原理基础、嵌入式编程基础、嵌入式开发技术和嵌入式综合应用。整个课程体系如图1所示
图1哈尔滨华德学院计算机专业嵌入式方向课程体系
课程体系中加强注重“精”，重点强化基础知识的掌握，课程内容较大程度地体现了嵌入式领域的热点，是企业界普遍关心的核心技术，具有较强的实用性。教学中微处理器介绍MCS-51、ARM、FPGA、DSP，嵌入式操作系统介绍Linux、WinCE，开发语言介绍C++、Java。四年的教学要求学生做到四个“1”，即“精通1种主流微处理器系统+1套开发工具+1种嵌入式操作系统+1门开发语言”。
3.实践教学体系
嵌入式系统是一门应用性，实践性很强的的课程。结合哈尔滨华德学院的实际教学特点，积极开展启发式、讨论式、案例式等教学方法，激发学生学习的兴趣，考虑到学生的层次不同，在设置实验内容时，由浅入深，进行循序渐进的学习。在设置实践环节时，我们分为课程实验、课程设计、毕业设计三个环节，另外发挥发挥学生社团组织的作用，组织开展课外创新训练与社会实践活动。
3.1课程实验
课程实验又分为验证性实验、综合性实验、设计性实验，一般验证性实验是4学时，综合性实验是8学时、设计性实验是4学时。如嵌入式系统原理及应用课程共16学时实验，4学时的GPIO输入输出、中断实验；8学时的电机控制、显示实验，4学时的电子相框设计。通过这几个环节，学生能够基本掌握ARM9处理器的应用。
3.2课程设计
课程设计一般都是1周-2周的教学周期，由老师给出题目，学生三人组成一组并选题，完成设计内容。此环节即锻炼了学生的综合应用能力，又锻炼了学生的团队合作能力。
3.3毕业设计
毕业设计是最后一个实践环节，周期为13周，学生通过前期的教学环节，对于自己的特长已经有了定位，因此，自由选择导师并定出研究题目，毕业设计分为论文开题、中期检查、末期检查、论文换审、论文答辩五个环节，本专业方向的毕业设计要求学生动手制作出实物，然后写出论文。这个环节提高学生的综合实践和语言表述的能力，在增强学生理论基础的同时，提高了实践能力。
3.4课外实践
采取“导师制”的方式，组织科研活动小组，指导学生参加各种科技实践活动，学生在大学生电子竞赛、飞思卡尔竞赛、ACM大学生竞赛等竞赛中获得奖项累计有40余项。
4结论
基于以上的教学实践，哈尔滨华德学院开展了一系列嵌入式系统课程的教学，通过教学，学生能够建立嵌入式系统的思想，掌握嵌入式系统的开发方法，收到了良好的教学效果。
参考文献
[1]杨霞.嵌入式系统及应用课程教学研究与实践[J].学科建设与教学改革，2008（5）：71-74.
[2]童英华.应用型本科院校嵌入式教学探讨[J].微型电脑应用，2012（5）：1-10.
[3]邱雅.关于软件学院嵌入式教学改革的思考[J].电脑知识与技术，2011（10）：7957-7961.
关键词：高职高专；嵌入式系统专业；课程设置
中图分类号：TP368.1-4 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 21-0000-02
1 无处不在的嵌入式系统
谈到嵌入式，可能还有很多人觉得是一个陌生的新名词，但实际上，嵌入式系统如今已经遍布人们工作生活的方方面面，人们很少会意识到他们往往随身携带了好几个嵌入式系统——MP3、手机或者智能卡等，而且人们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐设备的嵌入式系统交互时，也往往对此毫无觉察。可以说嵌入式技术无处不在，应有尽有，并时时刻刻影响着我们的生活。据权威部门预测，目前，全球嵌入式市场增长势头风起云涌，一系列数据在向人们揭示着嵌入式市场方兴未艾[1]：2011年，全球嵌入式设备市场将达到100亿美元；2015年，全球将有150 亿个嵌入式计算设备与互联网连接。
21世纪是嵌入式计算机系统时代，又称“后PC时代”，而中国具有世界最大的嵌入式技术市场。那么，究竟什么是嵌入式系统？
嵌入式系统通常被叫做嵌入式计算机系统，是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义[2]：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control， monitor， or assist theoperation of equipment， machinery or plants）。目前普遍被接受的对嵌入式系统的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。可见，嵌入式系统与通用计算机技术的最大差异是必须支持硬件裁减和软件裁剪，以适应应用系统对体积、功能、功耗、可靠性、成本等的特殊要求。
广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统，如各类单片机和DSP（数字信号处理器）系统。早期的以8位单片机为主的设备，能完成较为单一的专业功能，相对来说结构也比较简单，通常具有双向模拟I/O口的功能外，还有异步串行口、外部中断输入、定时器/计数器等功能，一般被用在空调、冰箱控制器和户外LED显示屏上，但由于没有操作系统，管理系统硬件和软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。
这类简单的嵌入式系统课程在一般的高职高专和本科类院校都有开设，具体课程主要是单片机原理与应用技术及C51编程技术。
在狭义上，随着现代电子技术的发展，嵌入式系统的开发重点逐渐由8位机转向32位机，在功能上，32位机除了具有8位机所具有的特性外，还具有以太网接口、显示屏和触摸屏、USB主机和设备控制器、Irda红外控制器、SD/MMC卡控制器、IIC总线和电源控制等更多功能。这样的处理器可以运行嵌入式操作系统，功能更加强大。因此从狭义上定义的所谓的嵌入式系统，是指那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。
2 高职高专开设嵌入式系统专业课程的必要性
嵌入式系统是计算机系统的一个分支，既“古老”又“年轻”。说它古老，那是因为广义上的嵌入式系统在计算机发明伊始就在某些实时控制或过程控制领域中得到应用，但狭义上的嵌入式系统则在近年才得到蓬勃发展，如日中天，成为IT行业的热门，由此说它还年轻。目前，嵌入式行业已经成为IT业界发展最快的行业，因而社会对嵌入式软硬件人才的需求在不断的增加，当前毕业的大学生还无法满足企业的这一需要。
然而，由于嵌入式系统产品千变万化，小到MP3播放器，大到飞机导弹，差异非常大，个性多于共性，而且嵌入式技术门槛高，需要掌握的知识多，因此也使很多人望而却步。目前高职类院校开设嵌入式系统相关课程的院校相对较少。那么，是否高职高专院校就可以不进行嵌入式系统课程的教学了？
答案是否定的。经过对一些专门开发嵌入式系统产品的公司的调查表明，通常技术研发部门除了技术总监和项目经理是具有博士和硕士学位的高端人才以外，从事ARM嵌入式硬件开发、系统设计、嵌入式相关软件设计、操作系统移植与应用软件开发、嵌入式系统总体调试和测试以及以技术为基础的工作，如嵌入式系统产品营销、检测、贸易的人员，基本都是来自高职高专院校的大专生，每个开发人员的分工都很明确。
据IT专业人才需求调查表明，一般软件开发人员在就业时门槛低，因此竞争激烈，工作比较辛苦，通常一般的软件蓝领薪水也不是很高。而作为嵌入式系统开发人员，虽然进入这个领域的门槛高，但竞争相对温和，工作相对比较轻松，薪水比较高，目前很多企业急需高职层面的嵌入式应用技术人才。
另一方面，职业技能大赛可以说是高职教育的一个风向标。在2010年的职业技能大赛上，把嵌入式系统设计做为一个比赛项目，也说明嵌入式系统教学已经偏向于高职高专，更能说明在高职开设嵌入式系统的课程并不是不可能的，而是大势所趋。
由此可见，在高职高专院校引入嵌入式系统教学是一个不容回避的任务，社会要求高职院校培养能够适应企业需要的各类相关人才，学生也企盼能够在三年的学习生活中学到一技之长，以增强融入激烈竞争的社会的能力，教师也应该积极探索先进的教学手段，使学生在学校求学期间逐渐培养出较强的应用能力，在毕业之后成为社会的栋梁之材。
3 高职类院校开展嵌入式系统工程教学的优势
嵌入式专业是一门新兴的专业，这一专业在国内还刚刚起步，各个学校都处于同一起跑线。在嵌入式技术应用人才培养方面，很多高校还没有设置嵌入式技术相关的专业，一些本科院校的做法是在现有计算机类或电子类专业的课程体系中增加了一、两门嵌入式技术相关的课程，没有形成嵌入式系统技术完整的课程体系结构。
相比之下，高职院校可以将嵌入式系统方向办成专业，通过长达3年教学，形成专业强项和特色。比如在大一的第二学期开始学习，将可以进行4～5个学期的持续学习，可以保证学生充分的学习时间。
另一方面，嵌入式系统课程是实践性很强的课程。高职学生学习理论知识的能力相对较弱，但是，他们的动手能力并不弱，而且由于高职院校在课程设置上一般规定实验实训课程占总课时的一半以上，比较而言，合格的高职毕业生应该比本科毕业生的动手能力更强。
因此，在嵌入式领域拥有高职学生的就业工作的一席之地，高职高专院校必须面对挑战，开拓创新，积极引入嵌入式系统课程的教学。
4 高职高专嵌入式系统课程设置
嵌入式技术教学目前还没有完整和现成的体系可供参考，由于高职学生特点和师资的原因不能直接应用本科类院校的课程体系和开课模式，高职类院校因为地域和条件的差异也很难直接互相参考。
高职嵌入式系统相关的专业主要人才培养目标定位在面向嵌入式技术应用及产业发展类人才，学生将掌握从事嵌入式系统开发必需的基本理论、基本技能及各种嵌入式系统设计的典型开发、调试和测试工具的使用。毕业后有能力适应市场需求，拥有一定的移动终端、数字家电、信息家电以及对传统产业信息化改造的开发及维护能力，成为企业急需的掌握嵌入式系统设计与开发并且掌握软件工程技术的人才。
嵌入式系统专业方向是面向应用的软硬件结合的专业，因为通常没有软件硬件兼顾的专业，所以，在高校开设嵌入式相关课程的专业有两类。
一类是学电子工程、通信工程等偏硬件的专业，他们主要从事硬件设计，广义上的单片机控制类嵌入式系统通常都是属于硬件设计。嵌入式硬件方向的最重要的课程应该包括：
（1）电路及电路板设计、模拟电子技术、EDA、硬件调试。（2）机电基础课程、单片机原理及应用。（3）嵌入式微处理器的体系结构及接口技术。（4）底层软件开发，包括bootloader及底层驱动开发。
另一类是软件、计算机相关的专业，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠软件来实现了，嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件，这占了嵌入式系统的最主要工作，嵌入式产品的差异很大程度在软件上。对于嵌入式软件方向的最重要的课程应该是：
（1）主流嵌入式微处理器的结构与原理。（2）嵌入式操作系统类课程。（3）嵌入式开发的其它相关软件课程。（4）嵌入式开发的相关硬件基础课程。
嵌入式系统课程的难度较大，如果在高职院校中用传统的以课堂讲授为主的方法教学，学生将会对众多的软硬件知识点和概念难以理解，继而产生厌学情绪，从而使教学效果大大降低。嵌入式系统方向的课程教学应以实验和实训为主，讲授为辅。课程设置应突出行业特色和职业教育特色、体现如下特点：
（1）宽口径的基础课体系。（2）突出程序设计能力培养的软件应用类课程。（3）突出动手能力和专业知识能力培养的专业课程。
5 结论
据2009及2010年《安徽省高职高专教育专业情况分析报告》[3]中的统计，在校生数量较多的20个专业中，软件技术、计算机信息管理和计算机多媒体技术均位列其中；而毕业生就业率较低的20个专业中，计算机信息管理和软件技术也是位列其中。因此，高职院校计算机类的教学系，必须转变传统的软件专业设置观念。
正如教育部高等教育司高职与高专教育处范唯处长在全国高职高专校长联席会议2010年年会的发言中所说，在新的历史起点上，高等职业教育一定要以更新观念、解放思想为先导，牢固树立“就业导向”、“面向需求”和“人人皆可成才”观念，突出人才培养的针对性、灵活性和开放性；坚持科学定位，以培养生产、建设、服务、管理第一线的高素质技能型专门人才为主要任务。随着嵌入式应用的快速发展，人才的缺乏已经成为制约嵌入式技术发展的瓶颈，市场对专业的嵌入式系统开发特别是嵌入式软件开发人才需求日趋上升。嵌入式专业，这个非常年轻的专业方向，必然是充满活力和具有光明的发展前途的专业方向。
参考文献：
[1]http：///，中国嵌入式市场大幕开启[Z]，2010.6
[2]周鸣争，嵌入式系统与应用[M]，中国铁道出版社，2011.3
[3]安徽省高等教育处，安徽省高职高专教育专业情况分析报告[R]，2010.7、2009.7
[作者简介]
郎璐红（1968-），女，辽宁省辽阳市人，芜湖职业技术学院软件工程系教师，高级工程师，硕士，嵌入式系统方向。
关键词：嵌入式系统；教学研究；自动化专业；实践教学
作者简介：张晓东（1980-），男，山东青岛人，河南工业大学电气工程学院，讲师；孙丽君（1968-），女，河南郑州人，河南工业大学电气工程学院，教授。（河南 郑州 450001）
基金项目：本文系河南省高等教育教学改革研究项目（项目编号：2012SJGLX151）、河南省教育科学“十二五”规划实验课题“基于开放实验室的嵌入式系统教学改革与实践”（课题编号：[2011]-JKGHAC-0150）、河南工业大学高等教育研究项目（项目编号：2012一般项目-15）、河南省“自动化”特色专业项目的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）08-0035-02
进入21世纪以来，随着信息技术特别是嵌入式技术的快速发展，嵌入式系统已经广泛渗入到工业测控仪表、军事技术、汽车电子、医疗仪器、无线通信、智能家居以及消费电子产品等众多重要行业，成为“后PC时代”最有前景的研究热点之一。[1]作为一种新兴的技术领域，嵌入式技术融合了传统的计算机软、硬件技术以及通信、半导体和微电子技术，属于多种学科交叉的综合性学科。由于嵌入式产品市场的蓬勃发展以及嵌入式技术的广泛应用，嵌入式系统软、硬件开发工程师等技术人员在就业市场上较为紧缺，社会对嵌入式相关技术人才有迫切需求。[2，3]因此，嵌入式系统正逐渐成为国内相关高校的重点开设课程，高校嵌入式相关人才的培养方案还是一个较为新颖的重要的研究课题。
嵌入式系统设计技术已经成为电子信息类工程技术人员必备的专业知识和技能。不同领域嵌入式产品的应用特点不尽相同，高校不同学科、专业的嵌入式教学内容也应该各有侧重。河南工业大学电气工程学院自2007年开始面向自动化、电气工程及其自动化等多个专业的本科生开设了“嵌入式系统设计”等专业选修课程。运行六年以来，作为省级和地厅级多个教改课题的支持项目，学院在嵌入式系统系列课程的教学研究方面进行了教学实践与深入探索，获得了一些有益经验。
一、课程体系的目标与定位
“嵌入式系统设计”课程是河南工业大学电气工程学院面向自动化等专业开设的结合ARM体系结构、ARM应用系统设计、实时操作系统、驱动程序设计、SOPC技术、嵌入式数据库等嵌入式软、硬件技术的重要任选课程。[4]该课程旨在使学生掌握嵌入式系统软、硬件的基本原理，实践嵌入式系统项目开发的基本流程。重点培养能够解决嵌入式系统领域具体应用问题且具备的分析、设计、调试、运行等实践动手能力的应用型工程技术人才，为深入开展嵌入式系统相关的后续科研开发奠定良好基础。
对于选修“嵌入式系统设计”课程的学生，要求其具备电路基础、模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理、微机原理及接口技术、C语言程序设计、软件技术基础等课程的先修基础。在课程体系的组织上，重点熟悉嵌入式系统的硬件结构和基于ARM9处理器的硬件开发平台；掌握嵌入式操作系统的内部原理及嵌入式Linux系统的裁剪、编译与移植技术；学习嵌入式开发环境的建立和嵌入式Linux应用程序开发与调试过程；尝试常用设备驱动程序的开发和嵌入式图形用户界面的编程；最终使学生具备独立设计一个较为完整的嵌入式系统的初步能力。[5]
根据美国电气和电子工程师协会IEEE的定义，嵌入式系统即为用于控制、监视或辅助设备、机器或者工厂运行的装置。[6]嵌入式系统的主要特点是软、硬件结合，面向应用；嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。[7]因此，“嵌入式系统设计”是一门综合性、实践性以及应用性都较强的专业任选课，必须通过课程实验、项目开发、科技竞赛等环节进一步加深对课堂理论内容的理解，才能将理论知识与实践应用有机地融合起来。
二、建立网络教学平台
“嵌入式系统设计”是一门融合了多学科内容的综合性课程，所授课程涉及的知识面广泛，课堂信息量较大。[8]但作为一门专业选修课程，受制于培养计划的限制，课内理论讲授及实验学时数都较少，在有限的学时内教师要尽可能地使学生掌握嵌入式系统更多的内容。此外，近年来选课学生人数还在持续增多，大班额导致教学效果变差的问题也越来越突出。传统的板书或投影仪授课方式已经远远不能满足该课程理论密切联系实践的讲授需要。
笔者所在的教学团队经研讨试讲后，决定充分利用河南工业大学电气工程学院嵌入式系统实验室的硬件资源建立网络教学平台，进行教学模式改革探索。利用实验室电脑以及“电子教室”多媒体教学网络平台，教师使用一台教师机进行集中讲授，学生在实验室近在咫尺的几十台网络终端旁即可实现理论授课及实验讲解的全程可视化。利用“电子教室”的远程传输功能，教师可以在实验课前将相关的课件、指导书等各种电子资源快速分发给学生机；通过“电子教室”的广播演示功能即可将实验步骤及实验过程中发现的一般性问题清晰准确地讲解给学生；讲解或实验过程中学生甚至可以通过“电子举手”等对话功能将所遇到的问题反映给教师，随时向教师提问。将传统讲堂搬进实验室，利用先进的网络平台进行教学虽然增加了教师的课前准备时间和课堂工作量，但是大大提高了有限课堂时间内的授课效率。授课方式变得活泼生动，学生对授课及实验细节的掌握程度也要远远好于传统板书或投影仪授课方式。
三、开放式实验教学改革
嵌入式系统以应用为中心，嵌入式工程技术人才的培养也离不开实践环节的锻炼。“嵌入式系统设计”课程是一门强调理论知识联系实际应用的课程，学生必须在实验中通过项目实践锻炼才能真正了解嵌入式系统设计的相关知识，掌握嵌入式驱动程序和应用软件开发的主要过程。[9]高校传统的实验教学方式一般采用填鸭式教学。在教师讲解实验大纲后，学生根据其中的实验目标和实验步骤进行验证式实验。学生缺乏主观能动性，难以满足嵌入式系统课程开设综合性设计性实验的需要，无法真正激发学生的创新意识、培养其实践动手能力。
为了解决上述问题，实现河南工业大学电气工程学院应用型工程技术人才的培养目标，必须要进行嵌入式系统课程的实验教学改革。为此，实验室筹措经费大力改进实验环境，购置了多套典型的周立功EasyARM2131开发套件、博创UP-NETARM2410-S嵌入式实验平台以及UP-ICE200仿真器、扩展板、网络摄像头、嵌入式操作系统、仿真软件等配套软硬件，为嵌入式系统相关课程的开放实验教学改革提供了良好的条件。另一方面，在实验组织形式上采用了开放式实验教学模式。开放实验室为学生提供了优良的硬件设施和实验场所。实验课前教师根据近期所讲授的理论知识制订部分小型项目课题，学生可从中选题或自带课题。在实验过程中将解决实际应用问题的思想作为实验教学切入点，以项目驱动的方式促使学生分模块、分任务针对实际应用问题进行分析；引导学生根据所学的嵌入式软硬件开发方法实现项目提出的软硬件开发目标或解决开发过程中的实际应用问题。指导教师注意在实验过程中给予学生必要的指导并在实验结束后及时进行总结点评。经过对实验效果的对比验证，开放式实验教学模式强调以学生作为实验中心，充分发挥、调动了学生的主观能动性和创造性，是传统实验教学改革的一次有益尝试。
四、教材和师资队伍建设
1.课程教材建设
教材是课程资源的载体和媒介，在教学活动中发挥着至关重要的核心作用。[10]国内高校嵌入式系统相关课程的开设时间较短，开课较早的清华大学、上海交通大学、华中科技大学等高校嵌入式系统的授课历史也只有十年左右。此外，嵌入式系统一般都是“软硬结合”，授课内容与实验室中嵌入式实验平台所用的微处理器类型密切相关，因此市场上很难找到合适的嵌入式系统课程通用教材。经过历年的嵌入式系统教学实践探索，笔者迫切感觉到该课程教材建设的重要性。
为此，自嵌入式系统开课之初，笔者就结合所选的嵌入式硬件实验平台编写了《嵌入式系统实验指导书》等校内讲义。在历经多次试用、补充、修改完善并总结多年教学经验的基础上，笔者所在的嵌入式系统教学团队积极筹划高水平教材的建设，组织优秀师资力量编写了《嵌入式系统设计》，并已被列入“普通高等教育电气工程与自动化（应用型）‘十二五’规划教材”和“河南工业大学校级规划教材”的编写计划。该教材坚持“基本理论适度、注重工程应用”的基本原则，在介绍嵌入式系统软、硬件设计基本方法的基础上着重实践嵌入式系统项目的开发流程。该配套教材重视知识更新和实用性，具有较强的学科前沿性和针对性；同时文后增加了工程设计实例，注重理论与实践相结合，使学生在学习过程中做到理论知识与实践技能的融会贯通，可有效提高学生对理论知识的掌握程度和实践动手能力。
2.师资队伍建设
开放式实验教学模式改革对师资队伍的建设提出了全新的挑战。与传统实验教学模式相比，教师课前要布置并不断更新贴近实际应用的开放式项目课题；实验过程中需要对现场涌现出来的各种问题及时给予解答、指导；由于嵌入式技术的快速更新，教师在课余也要不断了解嵌入式系统的最新技术信息。“嵌入式系统设计”等系列课程的教学需要有一支基础知识扎实、实践经验丰富的教师队伍。因此，学院抽调精干师资力量组建了嵌入式系统教学团队。一方面督促教师不断提高自己的业务素质，鼓励教师多次参加北京博创科技、北京旋极信息等业内知名公司组织的培训、讲座；另一方面也提倡教师积极参与嵌入式相关的企业横向课题的研发工作，提升教师自身的研发能力。这些措施使得嵌入式系统教学团队的业务素质和授课水平有了较大的提高。
五、结语
河南工业大学电气工程学院“嵌入式系统设计”选修课程自2007年开设以来，选课人数不断增加并获得了学生的好评。随着嵌入式技术的快速发展和社会对嵌入式研发人才要求的不断提高，电气工程学院嵌入式系统教学团队十分重视嵌入式系统课程的教学研究和教学改革，相继荣获河南省教育科学研究优秀成果一等奖、河南省素质教育理论与实践教育教学一等
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奖并培养学生获得多个部级大学生科技竞赛的奖励。在以往多年教学实践的基础上，教学团队积极改革教学方法，采用多种教学手段，使学生掌握好嵌入式系统理论基础的同时真正做到了理论联系实践和学以致用，为后续相关课程的学习和嵌入式系统课题的研发打下了良好的基础。
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论文摘 要:为提高高校计算机专业嵌入式系统课程的教学效果,以适应社会对嵌入式人才的要求,在分析嵌入式系统体系结构的基础上,分析了高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法,指出现有教学过程中存在的不足之处,并提出相应的解决方案。
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁减的计算机系统,通俗地讲,就是具有智能处理功能的电子产品。如今,嵌入式系统已经被广泛应用于工业控制、医疗仪器、智能仪表、通信设备等众多领域,可以说,嵌入式系统无处不在,人们的生活也离不开嵌入式系统。
如今,社会对掌握嵌入式技术的人才需求量较大,近几年高校中的自动化类、电子类以及计算机类专业均开设了嵌入式系统的相关课程,社会上也有一些培训机构开始开展嵌入式工程师的培训。然而,由于面向对象、培养目标以及基础知识的不同,高校中各专业以及培训机构培养出的嵌入式人才的能力也不尽不同。本文结合嵌入式系统的体系结构和高校计算机专业的课程结构,对高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法展开探讨,指出现有教学过程中存在的不足之处,并提出相应的解决方案。
1 嵌入式系统的体系结构
一个完整的嵌入式系统可以分为软件部分和硬件部分,因此,大体上讲,嵌入式工程师可以分为嵌入式软件工程师和嵌入式硬件工程师。但我们认为,一个合格的嵌入式工程师应该既要懂软件,又要懂硬件,软件和硬件之间是相辅相成的。
嵌入式软件包含应用程序开发、驱动程序开发、操作系统的移植和裁减三个主要方面。然而,并非所有的嵌入式系统都需要进行驱动程序的开发以及操作系统的移植和裁减,如果使用的单片机较为简单,或者开发的程序较为简单,那么就没有必要基于操作系统来进行应用程序的开发。但是,如果基于操作系统来开发应用程序,那么应用程序开发过程和普通的软件开发几乎没有区别。
嵌入式硬件主要包含pcb设计和原理图设计两个方面。在原理图设计阶段,工程师需要根据实际需求选择合适的芯片,设计相应的电路图;而pcb设计主要是指pcb的布局和布线。对于高频电路,在布线完成之后,还需要进行pcb电路图的电磁兼容仿真和分析,以保证生产出的产品能够正常工作。
由此可见,嵌入式系统开发涉及到的知识面较多,这对相应的从业人员提出了较高的要求,因此,要称为一名合格的嵌入式工程师必须对上述所有方面都有所了解,并精通其中若干个方面。
2 高校计算机专业的课程结构
如今,高校计算机专业的课程结构除公共课外,可以分专业基础课程,专业必修课程和专业选修课程。专业基础课程主要是指电子技术基础和计算机程序设计;专业必修课程主要包括计算机体系结构、操作系统、数据结构、软件工程、计算机网络和编译原理等;专业选修课包括信息安全、图像处理、网络程序开发、嵌入式系统等。
从课程结构上,我们不难发现,该专业学生在学习嵌入式系统时存在一定难度,主要体现在对电路、数电和模电三门课程的掌握不牢固上。要想学好嵌入式系统,首先必须学好上述三门课程。而事实上,通常计算机专业将上述三门课程合成一门课程来进行讲授,并且学时较短。学生经过一个学期的学习,只能对这三门课程有个大概的了解,并不能达到较为灵活应用的程度。
3 教学现状、教学内容和教学手段
在教学现状上,如今高校在讲授嵌入式系统时,往往是一个教师会面对几十个,甚至上百个学生。在人数较多时,授课质量会下降。事实上,社会培训机构在进行嵌入式系统培训时,往往会限制学生的数量。
在教学内容上,主要是以一些基本概念为主,如单片机结构,linux嵌入式操作系统的原理和移植,linux嵌入式驱动程序的开发,以及嵌入式软件的设计方法等。事实上,对于刚接触嵌入式系统的学生来说,讲授这些空洞的基本概念是没有任何意义的。根据学生的反映,由于他们没有任何嵌入式方面的基础知识,讲授上述内容使得他们陷入一种迷茫的状态,除了强迫性记住一些概念之外,其它什么都没有学到。
在教学方法上,主要是以教师讲课为主,学生处于被动地接受状态。学生接受了大量的概念,却没有办法真正理解这些概念。尽管学生也会做一些嵌入式系统的实验,但在进行实验时,学生往往是根据实验手册上的说明,按照实验步骤一步步进行下去,最终除了能看到一些实验结果外,几乎根本无法理解其中的原理。
4 解决方案
为此,我们认为,高校计算机专业嵌入式系统的教学内容和教学方法必须进行改革,具体体现在以下三个方面:
第一,改变教学内容,注重实际应用。在教学内容上,不应讲授空洞的基本概念,不应以复杂的单片机,如arm为例进行讲授,不应讲授嵌入式操作系统的原理和移植操作,也不应讲授驱动程序开发,这些内容都不适合初学者。而应该以一个简单的单片机,如c51为例进行讲授。同时,在讲授c51时,应从一个应用者的角度,而不是一个设计者的角度来进行授课,这一点往往是一些教师没有注意到的问题。他们往往过于强调单片机的内部原理,而忽略了单片机的应用方法。
第二,应以教师教课为辅,学生动手为主的教学方法。由于嵌入式系统是一门实践性很强的课程,对于这类课程,过多的教学是无益的,往往会让学生对嵌入式失去兴趣。而如果能够让学生动手实验,学生则能够很直观地感受到嵌入式的魅力。
第三,在动手实践上,应以一个小型项目为主,基于开发板实验为辅的方法。事实上,基于开发板进行实验,学生往往只是简单地对他人的程序进行编译和下载,并观看开发板上的运行效果,并不能主动地研究其中的原理,也无法提高学生解决问题的能力。而如果让学生开发一个小型项目,如温度显示器等,那么学生不仅能够真正了解嵌入式系统的开发流程,解决开发过程中遇到的各种问题,而且能够获得开发成功后的成就感,增加学生对嵌入式系统的乐趣。
5 结语
本论文在分析嵌入式系统体系结构的基础上,分析了高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法,指出现有教学过程中存在的不足之处,并提出了相应的解决方案。该方案有利于提高高校计算机专业嵌入式系统课程的教学效果,以适应社会对嵌入式人才的要求。
参考文献
[1] 蒋伟杰．计算机专业本科嵌入式系统方向可见建设研究[j]．计算机教育,2011,10(5):61～64．
关键词：FPGA；ARM；嵌入式实验教学改革
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）35-0248-02
嵌入式技术是计算机应用技术的新发展，具有广泛的应用领域和发展前景，在通信、国防、工业自动化、计算机设计与应用、仪器仪表等领域的电子系统设计中，嵌入式技术的含量正以惊人的速度提升。电子类的新技术项目的开发也更多地依赖于嵌入式技术的应用，作为当前最热门最有发展前途的应用领域之一，嵌入式人才稀缺，就业形势看好。嵌入式技术涵盖了机械、控制和通讯等所有现代工程专业的内容，是目前世界各国进行工程训练、教学实验和研究的最为理想的平台。本文以西安科技大学工程训练中心的FPGA和ARM嵌入式实验教学改革为背景，通过对传统嵌入式实验教学存在的问题进行分析，提出了嵌入式实验教学改革的新思路，旨在形成新的嵌入式技术实践教学体系，探索工程应用型人才、卓越工程师的培养模式。
一、传统的嵌入式实验教学存在的问题
目前普通高校开设的嵌入式实验课程大多数都有相应的课堂教学，其主要内容都是涉及教师在课堂上所要求的重点内容，无法从系统的整体设计上进行考虑。主要存在的问题有：
1.实验课的重视程度不够。
2.实验教学内容与社会发展脱节：在教学过程中，教学大纲往往得不到及时的更新，相应教材也得不到及时的更换，因此出现了教学内容跟不上社会发展对嵌入式人才需求的现象。
3.学生实践机会少，动手能力差：传统的嵌入式实验教学主要是验证性实验，即使含有设计内容，也主要是用既定的元器件进行组合电路而成，学生无法从这样的设计过程中体会到真正的嵌入式技术，所以，就会出现学生们对嵌入式系统的系统结构、硬件接口、编程语法都能学得很好，可是一提到利用嵌入式系统开发产品时，真正能动手的学生寥寥无几，出现学知识和用知识脱节的现象。
二、FPGA和ARM的嵌入式实验教学改革内容
1.嵌入式实践教学体系的建立。通过对嵌入式技术相关行业的走访调研，深入了解社会对嵌入式人才的需求情况，确定具有我校特色的嵌入式技术实践教学体系。首先，开发立体化教学包，教学包中包括FPGA和ARM嵌入式技术实训课程教学大纲、实验指导书、电子教案、实训指导、FPGA/ARM嵌入式实验箱、实验箱的使用说明、教学资源库（包括：FPGA和ARM系统的技术资料、实验模块的软硬件设计技术资料等）及实验环节考核系统等，以适应电类及相关专业的学生进行FPGA和ARM嵌入式技术课程实训，提高教学质量和教学效果。其次，将教学内容分为基础篇和提高篇，基础篇可以满足大一、大二学生工程训练的要求，让低年级学生获得嵌入式技术全方位的系统化的基础工程训练。提高篇面向三、四年级的创新班和在嵌入式方面有一些基础的大学生，面对创新项目和电子竞赛题目，一对一地指导和授课。层次化的教学内容满足了不同年级学生对嵌入式实验的需求，提升学生的专业知识、创新能力和就业竞争力。最后，在教学内容的安排上，为了使学生掌握嵌入式系统软硬件设计，能运用所学的知识进行各种嵌入式系统的开发，培养学生软硬件开发的能力。具体教学内容包括：FPGA和ARM嵌入式系统结构、FPGA和ARM嵌入式操作系统、FPGA和ARM的应用软件开发、FPGA和ARM嵌入式系统的开发软件的调试和使用等。根据不同专业的人才培养方案要求，注重学生动手能力及工程实践能力的培养，精心设计实验项目，将与嵌入式相关的课程有机结合起来，在实验教学中体现理论、实践、能力的有机结合，形成以课堂讲授+互动讨论+动手实验+科技活动相融合的嵌入式技术实践教学体系。
2.实验教学方式的改革。目前，我校的FPGA和ARM嵌入式技术实训课所使用的实验平台是我们中心自己研发的FPGA/ARM嵌入式实验箱，通过调研，兄弟院校也有实验室开嵌入式课程，但大多都是买市场上成品的嵌入式实验箱如FPGA实验箱等，功能单一。我们中心自己研发的FPGA/ARM嵌入式实验箱采用全开放式的模块化设计，功能单元丰富，作为实验平全能够满足嵌入式实验的教学要求。在实验教学中融入了“模块化”、“自主化”、“工程化”的思想，帮助学生系统地完成从简单数字电路实验到各种复杂数字系统的设计。例如，利用实验箱里已有的模块如FPGA最小系统、液晶显示模块等搭建一个智能小车系统，学生处理用已有的资源外，要自己制作或去电子市场购买车体，还需要一下电路模块，如电机驱动模块等，学生可以自己制作。从硬件设计开始做起，培养学生制作电路原理图、电路PCB图，经过PCB制版，然后在自己做的PCB板上焊接元器件。再经过硬件调试，在调试好的电路板上开发设计程序，逐渐完成硬件功能的调试分析到软件编程的调试运行。整个一个过程下来，学生对FPGA嵌入式系统有了更深层次的理解，也更好地提高了学生的创新思维和实践能力。
3.实验教学改革实施效果。将本次教学改革在全校的公选课上试行，通过对60名参加FPGA和ARM嵌入式技术选修课程学习的学生的问卷调查发现，学生对改革后的FPGA/ARM嵌入式实验课程感到满意的为97%，对实验环节是否能激发学生的创新思维的认可程度为90%，对综合性实验感到收获很大的为84%。通过采用新的教学体系、内容和方法，大大提高了学生的学习兴趣，许多学生都能够主动地查找与实例相关的教学内容，包括硬件连接、寄存器设置、程序代码的编写，提高了学生主动学习的能力；通过已有的实验模块，引导学生开发新的实验模块，搭建嵌入式系统应用平台，既能够补充新的嵌入式系统知识、提高学生动手能力，又能够为学校节省经费；通过嵌入式实验的课堂培训，大大提高了学生动手能力，激发了学生对嵌入式技术的求知欲，鼓励学生多实践，参加学校组织的电子竞赛，并有机会参与到教师的课题研究中来。在学生毕业就业时，学生的就业率和就业质量也得到了大大的提高。
本文针对当前FPGA和ARM嵌入式实验教学中存在的“实验设备、实验教材及内容针对性、实用性不强，不能满足教学和社会需求”等实际问题进行研究与实践，从教学内容、教学方式、实践环节几方面提出了嵌入式实验教学的新思路，实践证明，上述嵌入式实验教学改革方案对提高学生的学习积极性、动手能力、创新能力和运用能力都有很好的作用和效果。
参考文献：
[1]郑伟.“嵌入式系统设计技术”课程模式转变及教改研究[J].电气电子教学学报，2009，（S1）：47-49.
[2]党元一.嵌入式课程中项目教学法的应用研究与实践[J].中国电力教育，2011，（2）：86-87.
关键词 嵌入式系统;教学改革;课程建设
中图分类号:G642.0 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)18-0039-02
Teaching Reform and Practice for Embedded System Course in Application-oriented Colleges//Zhang Wenfen, Gao ShouPing, Lu Wukui
Abstract This paper introduces the characteristics of embedded system course and the problems embedded system teaching faced in application-oriented colleges. According to the teaching reform and practice of our school, this paper proposes the corresponding reform measurements from the aspects of teaching contents, textbook construction, practice teaching, interest cultivation and teacher staff construction.
Key words embedded system; teaching reform; course construction
Author’s address Faculty of Computer, Xiangnan University, Chenzhou, Hunan, China 423000
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,对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统[1]。20世纪90年代以来,嵌入式系统软、硬件技术发展迅速,应用领域逐步扩大,嵌入式技术也成为最热门、最有发展前途的计算机技术之一。
随着嵌入式技术人才需求量的增加,许多高校的计算机、电子、通信、自动化等专业都相继将嵌入式系统课程列入教学计划。嵌入式系统作为一门较新的课程,其教学内容的选择、教学模式的确定、实验教学的组织等问题,依然处于探索阶段。
本文主要针对应用型本科计算机专业的嵌入式系统课程教学,对湘南学院在教学改革过程中取得的成果和经验加以总结,提出一些改革措施和建议。
1 课程目标
目前社会所需的嵌入式人才是掌握电子设计及计算机相关知识的人才,也就是通常所说的硬件工程师和软件工程师,而其中软件设计人才约占80%左右[2]。硬件工程师主要由电子技术类专业的人员担任,软件工程师则主要为计算机类专业人员。
对于应用型本科计算机专业学生,嵌入式系统课程的教学目标是:通过本课程的学习,使学生了解和掌握嵌入式的基本概念、系统结构和嵌入式系统软件开发的基本方法;能够使用开发工具设计开发简单的嵌入式系统设备驱动程序和应用软件;为进一步学习和研究嵌入式系统打下基础。
2 课程的特点
嵌入式系统是一门综合性很高的计算机专业课程,所需基础知识较多,涉及内容广泛,不仅涵盖软、硬件技术的很多方面,而且与通信、自动控制、电子等专业知识相关。要求学生具有较好的计算机软、硬件基础知识,教学的难度较大。嵌入式系统是一门实践性很强的课程,只有通过实验才能真正理解和掌握嵌入式系统开发的方法。
嵌入式系统具有非垄断性的特点,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断市场。主流产品的多样性决定了嵌入式教学内容的多选择性,各高校讲授的处理器和操作系统不尽相同,配备的实验平台也不一样。
3 课程改革与实践
3.1 教学中存在的主要问题
基于嵌入式系统课程的上述特点,嵌入式系统教学普遍面临一些困难,存在一些问题,了解这些问题有利于在教学环节有针对性地采取措施进行改进。主要问题有:内容多,课时少;没有统一的经典教材;实践能力培养不够,实验课时不足,过于依赖实验箱;学生对此课程的兴趣小;师资力量较弱;等等。
3.2 相应的课程建设与改革实践
1)教学内容选择。2004年IEEE和ACM对计算机类本科教育的课程体系进行设置时指出,嵌入式系统课程应包括以下内容:嵌入式的发展历程和概述、嵌入式微处理器、嵌入式软件设计、实时操作系统、低功耗计算、系统可靠性设计、设计方法学、嵌入式系统设计工具、嵌入式多处理器系统设计、网络化嵌入式系统、接口和混合信号系统等。讲授全部这些内容是不切实际的。目前,各高校嵌入式系统课程多为32～48课时,湘南学院为50课时,即便只讲授其中的基础和核心内容,课时安排也非常紧张。
根据课程目标的要求,有所侧重地选择教学内容,以软件开发为主,包括应用软件和驱动程序开发,放弃硬件设计内容。并且在多种处理器、操作系统中选择主流、有发展前景的ARM微处理器和嵌入式Linux作为主要授课内容,不贪多贪全。教学内容包括主要的开发过程和技术,用少量简单例子说明各环节的相关知识和开发方法。不追求多和复杂,而重视来龙去脉,既让学生有全局观,便于知识扩展和课后自学,又不会让多、难、复杂的内容吓跑学生。湘南学院嵌入式系统课程的教学内容如表1所示。
2)教材建设。确定了教学内容之后,应该根据教学内容为学生选择一本合适的教材,教材应当包含尽可能多的教学内容,并且在教学内容的基础上有所扩展。目前并没有统一的经典教材可供使用,现有的教材多但不实用。解决方法:选购现有教材+试验箱提供的教材+自己补充内容。湘南学院选用的教材是《基于ARM嵌入式Linux应用开发与实例教程》[1],补充内容主要包括嵌入式系统概述、汇编语言和C语言混合编程、简单的启动程序和Linux常用命令,以及一些例子程序。此外,结合学院实际情况,积极展开自编教材和实验指导书的相关工作。
3)实践教学。针对嵌入式课程实践性强的特点和实验课时普遍偏少的现状,引入“Learning by Doing”的教学思想,适当提高实验课比例。建议将总学时的3/4安排为实验课,把与实验直接相关的理论带到实验课上讲解。理论课占总学时的1/4左右,主要讲授基础知识、基本原理,比如第一章的全部和第二、三章的大部分内容。另外,对学生开放实验室也可以弥补实验课时的不足,提高学生动手能力,特别是对于进行嵌入式课程设计和毕业设计的高年级学生。
在实验教学中还存在过于依赖实验箱的问题,学生只需按照试验箱自带的实验指导书的步骤一步一步操作就可以轻松完成实验。实验箱就像一个“黑盒子”,学生对其中的功能实现不甚了解。针对这种情况,建议任课教师将实验箱现有的例子程序作为参考例题,对题目进行一些修改后再作为学生的实验题。包括实验箱提供的驱动程序,不宜全部作为“黑盒子”直接调用,而是让学生编写最简单的一两种设备(比如LED和串口)的驱动,以了解驱动程序的开发方法。
4)兴趣培养。兴趣是最好的老师,只有学生对这门课程有了兴趣,才会有更高的学习热情和积极性,才能有更多收获。为了提高学生对嵌入式系统课程的兴趣,采取下面的几条措施。
①在理论教学中,选择简单、基础、易于理解的内容及实际应用中最常用到的内容来讲解,难以理解和非常用的内容则尽量不涉及,以减少学生学习时的挫折感。
②在实验环节,教师布置的实验题目要集知识性、趣味性于一体,使学生能够把所学的知识运用到解决一些趣味性的问题上,变被动学习为主动学习[3]。
③提前布置课程设计题目。在课程的前期就把课程设计的选题公布给学生,并且在其后的教学中尽量以课程设计中需要用到的功能作为例题或者实验题,让学生带着问题和需求学习。
④注意发现对嵌入式系统有兴趣的学生,提议他们将嵌入式系统设计作为毕业设计的选题之一。此外,鼓励这部分学生参加大学生电子设计大赛等活动的嵌入式系统设计大赛,这样既可以发掘和进一步培养嵌入式系统的人才,又可以通过这部分学生带动其他学生的积极性。
5)师资队伍建设。嵌入式系统的发展速度快,课程的实践性强。嵌入式系统课程教师不仅应该具备扎实的理论基础,还应具有较为丰富的实践经验。针对教师理论基础扎实但实践经验不足的情况,学院采取“把授课教师送出去”的措施,选送教师到公司或者研发能力强的高校进行短则几天、长则半年到一年的进修学习。到目前为止,大部分授课教师都有外出学习和培训的经历,极大地提高了教师的实践能力。另外,学院也在积极争取“把实际项目请进来”,由教师组成开发团队进行开发,进一步丰富教师的项目经验。只有具备丰富的实践经验,教师才能在教学中理论联系实际,把握重点,激发学生的兴趣,取得更好的教学效果。
4 结束语
上述改革措施已在学院的教学实践中发挥了积极作用,显示出成效,对各院校的嵌入式系统课程教学模式改革和课程建设具有一定的借鉴意义。不同院校可以根据自身及学生的特点,选择教学内容,调整教学方式,培养出更优秀的嵌入式系统的人才。
参考文献
[1]林晓飞,刘彬,张辉.基于ARM嵌入式Linux应用开发与实例教程[M].北京:清华大学出版社,2007
关键词：军事院校 嵌入式系统 教学体系 实验型
1 嵌入式系统教学分析
尽管嵌入式系统已经在当前社会生产生活等各个领域得到广泛应用，但是许多院校并没有针对本科教育开设嵌入式系统课程，而只是将其作为硕士研究生的选修课程，或在课题研究或毕业设计时，在老师的指导下，学生进行突击性地学习，并没有形成一个教学体系。这与高等教育的要求存在一定差距，且与信息社会的人才需求也不相一致。即便部分开设该课程的院校，面临的困难较多，例如缺乏合适的教材、嵌入式系统师资力量较弱、设备不能满足实验教学需要、创新实验项目难以实现等。课程如何设置、内容如何安排、实验如何配套等问题还在困扰着许多开始从事嵌入式系统教学的老师。
2 应用型嵌入式教学体系的内涵
应用型嵌入式教学体系就是以社会需求为导向，以应用能力培养为核心，以“知识能力素质”为主线，培养具有扎实的计算机专业基础，具有嵌入式专业核心能力和专业能力的实用型人才。
知识，就是学生通过系统地课程学习后，能够掌握相关的嵌入式基本知识，包括嵌入式系统的基础知识、编程语言在嵌入式系统开发中的基本应用和基本的嵌入式系统硬件平台。
能力，就是不同培养层次的学生，经过系统地学习后，具有与其学历相符合的嵌入式系统开发能力，高职和大中专学生要能够在别人的指导下具有开发能力，本科学生要具备独立开发简单系统的能力，而研究生学生还要具备系统设计能力。
素质，就是不同专业的学生要能够根据个人的专业，将嵌入式系统开发作为一种基本的工具，能够解决本专业领域的实际问题。
3 构建应用型嵌入式教学体系的关键问题
3.1 改革创新教学方法
嵌入式系统教学的方法与传统课程有所不同，应更突出研发和应用，要改革创新适应课程特点的教学方法。
采用倒推法授课。第一次上课就让学生“见识”嵌入式应用实例。以这个典型的嵌入式设备为目标，将产品分解，倒推出一个设备的开发过程。从“设备”到“部件”的倒推，把归属于课程不同章节的内容，放到相关的教学单元去讲解完成。在每一教学单元中，以设备的“部件”为核心，提出实际开发中要解决的课题。通过在具体的学习解决问题，使学生学习和掌握基于嵌入式系统的应用开发能力。在最后的综合设计课中，让学生完成一个正推过程，完成一个从设计思想，到部件，最终到设备的演变过程，从而从整体上建立嵌入式设备的开发规律和方法。
强调实际应用。在讲授理论课程时，要贴近实际应用，要举出实际的应用例子，要提到具体的设备和应用场合，不能泛泛而谈，最好能够将实际的装备带到教学现场，如视频监控系统、对讲机、无人机、机器人等。在开设实验课程时，要尽量开设与生产生活密切相关的实验内容，如常用到的RS232通信协议、LCD显示实验、以太网实验等。
综合使用多种教学手段。为了提高学生的学习，使教学内容更可视化、直白化，应该为嵌入式实验系统配备相应的实验手册和多媒体课件教学系统。使用现代的多媒体教学和传统的实验教学相结合，有些分析和试验性的实验可以在PC上通过仿真软件实现，这样做虽然加大了备课成本，但是提高了教学效率，加快进程，减少重复无意义机械操作。
3.2 统筹教学与科研的协调发展
嵌入式系统涉及的知识面广、综合性强，嵌入式系统的教学并不是单纯的知识传授，还涉及设计能力、创新能力的培养，嵌入式系统的教学有一定的难度。教师如果没有实际的项目开发经历，很难对嵌入式系统有较深层次的理解，很难教好这门课。教师只有通过科研实践活动，才能理解、掌握、发展嵌入式的理论，只有结合自己实际的项目开发经验，才能在教学活动中启发学生的思维，培养他们的动手能力和创新能力。有时也可以让学生参与到科研项目的开发中，给他们更多锻炼的机会。
因此，学校必须大力发展嵌入式系统科研，想尽办法让从事嵌入式系统教学的老师多申请嵌入式系统方面的课题，使教学与科研协调发展。
3.3 加强实验室及实验课程建设
由于嵌入式系统是一门实践性很强的课程，实验是嵌入式系统课程的重要组成部分，缺乏实验的嵌入式系统课程学习是纸上谈兵，学生必须通过大量的实验和实践环节，来加深对嵌入式系统理论知识的理解。因此，应大力加强嵌入式系统实验教学建设，这对嵌入式系统的学习、研究与开发可以起到事半功倍的效果，更好地促进创新型人才的培养。
嵌入式实验室建设主要包括实验开发平台的选择、仪器仪表的配置以及实验课程的设置三个方面内容。实验开发平台应以学校自主研发为主，研发人员从事课程教学，做到“研教结合”，不仅节约了经费，技术支持也可得到保障，还提高实验课教学质量。实验开发平台的研发需要全方位考虑，教学不用追求高级，但不紧跟时代就有失偏颇；在仪器仪表的配置上，要有一定数量的相关处理器仿真器、万用表，示波器、逻辑分析仪和信号发生器；实验课程设置，要立足实际应用，由潜入深，设置“基础型－综合设计型－研究型”三个层次的嵌入式系统实验课程，并采取开发式实验教学的思路和方法，要少讲授理论多指导操作。
要建立开放式实验环境，就是实验室全天候开放，学生可以预约实验时间，在嵌入式系统课程学习结束后，学生仍可以继续在实验室做嵌入式系统方面的实践，包括课外科技创新、毕业设计等实践环节。这样实验设备得到了充分的利用，同时学生可以根据自己的需要来选择做实验的时间，为创新性人才的培养提供了条件。
4 总结
随着嵌入式技术的不断发展，以及嵌入式系统在社会生产生活中的广泛应用，在各层次院校开设嵌入式系统课程，并建立科学的应用型教学体系，对学生进行一定的理论教学和实践能力的培养，使学生了解和掌握嵌入式系统相关知识，乃至能够独立承担一定的嵌入式系统开发任务。
参考文献:
关键词：电子信息工程；嵌入式；教学改革
分类号：G420 文献标识码：B
文章编号：1672-5913(2007)12-0043-03
1引言
嵌入式系统是指以嵌入式处理器和嵌入式操作系统为核心组成的专用计算机系统，通常具有高性能、低功耗、可移动、软硬件可裁减等特征。电子信息工程专业是一个电子和信息工程方面的较宽口径专业，专业主干学科为电子科学与技术、信息与通信工程和计算机科学与技术。该专业涉及的各学科一直保持快速发展的势头，并在一定程度上出现了相互融合的趋势，最有代表性的是通信与网络技术、嵌入式技术、信号处理技术、微电子技术的快速发展和相互渗透，以嵌入式系统作为上述技术的载体。从计算机科学与技术的角度看，嵌入式技术是后PC时代计算机技术发展的一个重要方向，嵌入式系统作为重要的计算机软硬件平台，将应用到越来越广泛的领域；从信息与通信工程的角度看，以嵌入式系统平台来实现信号处理、网络通信、移动计算等是一个非常有前途的技术应用方向；从电子科学与技术的角度看，嵌入式系统综合运用了电子技术，还集成了软件技术，并向可编程片上系统(SoPC)和片上系统(SoC)方向发展。总之，将嵌入式系统作为电子信息技术的综合载体是信息技术发展的趋势之一，因此在电子信息工程专业进行嵌入式教学改革是十分必要的。
2专业培养计划修订
按照教育部本科专业目录和专业介绍，电子信息工程专业学生主要学习信号的获取与处理、电子设备与信息系统等方面的专业知识，受到电子与信息工程实践的基本训练，具备设计、开发、应用和集成电子设备和信息系统的基本能力[1]。由于电子信息工程专业具有宽口径的特征，各高校结合自身的办学条件和办学经验，在基本要求是相同的前提下，形成了各自的专业特色，如有的侧重现代电子技术，有的侧重通信技术，也有侧重信号处理等。笔者所在学院电子信息工程专业定位如下：以电子技术基本理论和基本技能为基础，以信号和信息处理理论为指导，以计算机硬件和软件系统为平台，以通信、网络及多媒体信号处理为应用领域，既强调基本理论和基本知识的学习，又注重锻炼实践和创新能力，同时要了解技术和应用的新动向。具体设计专业培养计划过程中，根据培养目标及特色定位，确定本专业的知识架构，并以此为线索设计整个课程体系，使各门课程之间相互衔接，具有系统性和连贯性，在强调基础理论的同时，要求课程内容不断与技术发展和社会应用需求相适应。
嵌入式技术与电子信息工程专业主干学科密切相关，国内不少高校纷纷在本专业开设嵌入式相关课程，也有人提出了一些具体想法[2]。按照上述电子信息工程专业特色定位，其专业培养计划只需做较少的修改，即可满足嵌入式教学需要，主要是适当加强软件课程教学，并增加以嵌入式系统为载体的专业综合课程。具体方案是，将开设的“计算机软件基础”课程分解为“数据结构与算法”和“操作系统”两门专业基础课，将“计算机软件基础”课程中涉及到的数据库知识通过增设选修课程“数据库原理与应用”供部分对数据库感兴趣的同学选修；然后在第7学期增设“嵌入式信息系统”课程及课程设计，主要目标是综合运用嵌入式系统、网络通信、信号处理知识，软硬件一体化，理论与算法相结合。经修改后本专业主要课程可分为以下几类：
(1) 公共基础课，包括两课、数学、英语、体育等；
(2) 电子技术基础课程，包括电路分析、模拟电子技术、数字电路与逻辑设计；
(3) 通信与网络技术课程，包括电磁场与电磁波、高频电子线路、通信原理、计算机通信网络；
(4) 信号与信息处理课程，包括信号与系统、信息论与编码、数字信号处理、数字图像处理；
(5) 计算机硬件技术课程，包括微机原理与接口技术、单片机原理与应用；
(6) 计算机软件技术课程，包括C语言程序设计、数据结构与算法、操作系统；
(7) 专业综合课程，包括信息系统集成、嵌入式信息系统。
3实验室和课程建设
嵌入式技术适用于多个本科专业教学，如计算机科学与技术、电子科学与技术、通信工程、电子信息工程、自动化等电气信息类专业。由于专业培养目标不同，相应的实验室建设思路也不一样，例如对自动化专业而言，就应考虑以嵌入式处理器加上实时操作系统(RTOS)为重点来建设实验室。对于电子信息工程专业来说，首先依据专业培养计划要求，确定实验室的技术方向和远期发展目标，进而确定具体建设方案。实际工作中结合自身办学条件和专业特色，建设了“嵌入式网络系统实验室”，其技术定位是将嵌入式技术和计算机网络技术相结合，以信号与信息处理理论为支撑，以网络、通信和多媒体信号处理为应用领域，通过实践培养综合运用电子信息技术的人才。
