计算机专业嵌入式方向实验教学体系构建研究

打开文本图片集

摘 要：高校计算机专业纷纷开设嵌入式方向，实验教学是其重要组成部分。针对嵌入式技术特点和嵌入式实验教学存在的问题，根据嵌入式系统知识架构自下而上重构实验内容，从最小系统开始搭建开放、兼容的嵌入式软硬件实验平台，自顶向下构建基于“目标—能力—内容—平台”的实验教学体系，根据学校背景和专业特色确定嵌入式人才培养目标，为计算机专业嵌入式方向人才培养提供必要支撑。

关键词：嵌入式方向;自顶向下;实验教学改革

DOI：10. 11907/rjdk. 182659 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：G434文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）007-0209-04

Construction on Experimental Teaching System of

Embedded Curriculum for Computer Specialty

WANG Yi-han，SHI Zhi-cai，KONG Li-hong

（School of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract：As a new interdiscipline based on computer technology， embedded system has become a hot spot in recent years. Now embedded curriculum has been set up for computer specialty in many universities. Furthermore experimental teaching is an important part of embedded curriculum for the computer specialty. Firstly the features of embedded technology and the problems of embedded experimental teaching were analyzed. And with a view to the characteristics of computer specialty and the background of our university， Top down method was adopted. Secondly the objective and the ability of talent in the embedded system were presented. Thirdly the content of experimental teaching was reorganized from bottom up based on the knowledge hierarchy of embedded system. Fourthly starting with minimum system based on microcontroller an open and cross-curricular experimental platform consisting of software and hardware was built. Finally the experimental teaching system of embedded curriculum for computer specialty was established from the perspective of objective， ability， content and platform， which provides the essential support for raising the talents in the embedded system.

Key Words：embedded curriculum;top down;experimental teaching system

基金項目：教育部产学合作协同育人项目（201702119030）;上海市教委本科重点课程建设项目（s201702003）;上海市科委科研计划项目（17511110200）;上海工程技术大学课程建设项目（k201702003）

作者简介：王益涵（1981-），男，硕士，上海工程技术大学电子电气工程学院讲师，研究方向为嵌入式系统教学。

0 引言

嵌入式系统是21世纪最有生命力的新兴技术之一，它以应用为中心、以计算机技术为基础，融合微电子技术、通信技术和自动控制技术，其软硬件可裁剪，是功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统，目前已应用于工业制造、仪器仪表、汽车电子、军事装备、航空航天和移动通信等多个领域[1-4]。随着嵌入式技术的高速发展，社会对嵌入式人才需求也迅速增加[5-6]。许多高校在机械、电气信息类专业开设了嵌入式课程。嵌入式系统与计算机专业具有天然联系，不少高校的计算机专业整合嵌入式相关课程，形成嵌入式方向，建立嵌入式实验室，系统培养嵌入式人才。

嵌入式方向的人才培养和实验教学研究有：王冠军等[7]结合卓越工程师计划与学科竞赛平台，构建以创新实践能力培养为导向的卓越工程师理论课程体系;吴玉峰等 [8]以应用型人才培养为宗旨，在“3+1”人才培养模式基础上建立嵌入式人才培养课程体系;刘钰等 [9]通过研究国外先进的CDIO工程教育模式，结合应用型本科院校实际情况，提出了计算机专业嵌入式系统方向人才实践能力培养方案;何煦岚[10]在分析普通高校计算机专业学生的知识结构特征以及该知识结构对嵌入式系统课程学习利弊的基础上，从嵌入式系统课程所需基础知识、嵌入式系统硬软件课程教学以及实践课程建设4个方面，提出了普通高校计算机专业嵌入式方向课程建设方法;胡青等 [11]面向自动化专业，打造学生“随身”实验室， 将MOOC和翻转课堂教学方式引入嵌入式实验教学，提出了嵌入式系统课程实验的一种新模式;张美平[12]结合福建师范大学数计学院计算机科学与技术专业特点，面向《嵌入式系统》课程提出了一种分层次、多方位的立体实践教学方案，探索了多样化的嵌入式系统实践教学形式。但目前对计算机专业嵌入式方向的实验教学体系研究还不够完善，各个实验的前后关系及从属课程之间的联系还不够明确。因此，必须结合计算机专业背景和嵌入式系统特点，针对计算机专业嵌入式实验教学中存在的问题，加强计算机专业嵌入式方向系列课程整体研究，整合构建规范的嵌入式实验教学体系，以适应社会对嵌入式系统人才的迫切需求。

1 嵌入式方向实验教学现状

计算机专业嵌入式方向实验教学虽然历经多次改革，但仍然与嵌入式产业发展存在脱节现象。

1.1 实验涉及内容多但不成体系

高校计算机专业嵌入式方向设置了一系列嵌入式相关课程及实验[13-14]，这些课程的实验或过于强调软件而弱化硬件，或过于强调应用而弱化原理，在内容安排上各自为战，缺乏统一布局，不成体系。而且嵌入式方向的各门课程分别使用不同的硬件平台、操作系统和开发环境，缺乏连贯性和整体性。学生学完这些嵌入式方向系列课程后，往往只是掌握各门课程中各个孤立的知识点，不能前后联系灵活应用。

1.2 硬件平台结构封闭

我国高校计算机专业嵌入式方向实验硬件平台多以实验箱为主[15-16]。实验箱通常以一块或多块可替换的微控制器为核心，资源丰富、功能强大、封装完整，易于实验室管理和维护，但成本高、更新速度慢，容易与市场脱节。实验箱系统封闭结构较为复杂，对于嵌入式初学者难以上手，在实验过程中容易出现畏难心理。即使上手，也往往是知其然而不知其所以然，尤其对嵌入式硬件缺乏感性认识，达不到预期的实验效果。另外，实验箱外设接口固定，开放性和灵活性较差，难以动手改装;适于验证性实验，难以满足设计性及更高层次实验要求。实验箱与实际的嵌入式产品有着较大差距，使实验教学与嵌入式开发实际之间存在脱节现象。

1.3 实验时间少

不少高校计算机专业嵌入式方向教学安排仍以课堂授课为主，实验教学尤其是硬件实验时间不足[17]。在新一轮教学改革缩减本科总学时背景下，计算机专业嵌入式方向实验也相应削减。受时间、成本、管理和师资等条件限制，硬件实验受影响最大，个别学校甚至完全取消。但硬件是嵌入式系统的基础，嵌入式软件的运行依赖于硬件。硬件实践的缺乏，既不利于学生形成嵌入式系统整体概念，也使学生无法深入理解嵌入式软件尤其是嵌入式操作系统和驱动软件。

嵌入式实验涉及内容广，软硬件更新速度快，实验时间少，不利于学生消化和吸收知识。因此，如何充分利用有限的实验教学时间加强硬件实验，最大限度地提高实验教学效率，成为嵌入式实验教学亟待解决的问题。

2 实验教学体系构建

针对嵌入式技术特点及嵌入式实验中存在的问题，构建覆盖嵌入式相关课程和嵌入式系统开发生命周期的嵌入式实验体系非常必要。以下从目标定位、能力要求、内容设计、平台建设4个方面自顶向下、层层递进，构建计算机专业嵌入式方向实验教学体系。

2.1 目标定位

明确人才培养目标和定位，是构建计算机专业嵌入式方向实验教学体系的第一步。由于嵌入式技术涉及的行业和领域很广，要求学生在有限的实验教学时间内精通嵌入式软件、硬件及应用等各方面内容相当困难，必须在夯实基础上突出重点应用领域。

根据学校特色和学生基础，笔者学校计算机专业嵌入式方向实验教学体系定位于面向微控制器应用领域，培养具备扎实的嵌入式系统基础知识、能从事嵌入式系统基础与技术应用、软硬件及相关技术研发、嵌入式系统设计规划与运行维护等方面工作的应用型专业技术人才。

2.2 能力要求

根据以上目标，在深入调研嵌入式行业现状和人才需求基础上，设计计算机专业嵌入式方向实验教学体系，主要培养学生具备以下能力：

（1）嵌入式系统认知分析能力：掌握嵌入式系统基本概念，熟悉嵌入式系统开发环境，能剖析实际生活中典型的嵌入式系统组成及其特点。

（2）嵌入式硬件实践能力：掌握一种主流嵌入式处理器的体系结构、常用的片上外设及接口设计。

（3）嵌入式软件实践能力：熟练使用一种嵌入式开发工具，精通一种嵌入式开发语言，深入理解一种常用的嵌入式操作系统，掌握常用的嵌入式软件架构、开发技术和开发方法，至少熟练掌握某一个嵌入式应用领域的软件开发。

（4）嵌入式系统工程应用能力：熟悉嵌入式系统的整个研发过程和主要步骤，能从实际生活中抽象概括出嵌入式工程问题，并能进行需求分析、预算评估、设计、规划、开发、调试和运行维护。

2.3 内容设计

基于上述能力要求，以嵌入式系统知识体系架构为线索，自下而上、由硬件到软件依次设计嵌入式系统导论课内实验、嵌入式操作系统课内实验、嵌入式软件开发技术课内实验和嵌入式系统综合实验等实践环节，分为不同类型（验证性、分析性、设计性、综合性和创新性）在不同时间开设，循序渐进、逐步深入，基本覆盖专业学习的各个阶段，如图1所示。

嵌入式系统导论课内实验，位于嵌入式系统知识体系架构的最低层——硬件接口层，在第四学期开设。作为嵌入式方向系列课程的首个实践环节，从生活中常见的嵌入式系统入手，培养学生对嵌入式系统的认知兴趣和分析能力，并以微控制器为核心，以验证性实验为主，突出微控制器的基本原理，使学生掌握其系统结构和存储映射，并熟悉常用的嵌入式I/O设备，掌握它们与主流微控制器的接口设计，能开发基于主流微控制器常用接口的简单应用程序。

嵌入式操作系统课内实验，位于嵌入式系统知识体系架构的中间层——操作系统层，在第五学期开设。该实践环节从嵌入式操作系统与PC操作系统之间的区别和联系入手，以分析性实验为主，通过案例层层深入引导学生探索嵌入式軟件核心——嵌入式操作系统，着重培养学生对典型嵌入式操作系统内核原理的理解能力、实现机制的分析能力以及在主流微控制器上运行的移植能力。

嵌入式软件开发课内实验，位于嵌入式系统知识体系架构的最高层——应用软件层，在第六学期开设。在前两个实践环节的基础上，以设计性实验为主培养学生结合具体应用（如网络通信、视频采集等），基于主流微控制器和嵌入式操作系统开发较为复杂的应用软件。

嵌入式系统综合实验，是计算机专业嵌入式方向系列课程中创新性、综合性实践环节，贯穿嵌入式知识体系架构的所有层次，在第七学期开设。在前面实践环节的基础上，引导学生首先从实际生活中发现问题、形成嵌入式产品创意，运用需求分析法确定嵌入式产品的功能性要求和非功能性要求;进行嵌入式产品的架构设计和软硬件划分，形成人员分工和开发计划，评估开发风险和开发成本;使用嵌入式软硬件开发工具和开发语言，构建硬件平台并进行软件编程和调试;开发出嵌入式产品并撰写产品开发文档和使用文档。

本实验教学体系内容在能力培养方向上各有侧重却又紧密联系，在整体上以嵌入式系统的知识体系架构为主线，自下而上、层层递进，从而对计算机专业嵌入式方向人才培养形成跨时间、多角度、不同力度的支撑，如表1所示（★表示关键支撑，√表示一般支撑，△表示辅助支撑）。

2.4 平台建设

一个完整全面的嵌入式实验教学体系，不仅要有精心设计、合理安排的实验内容，而且要有一个统一开放、贯通软硬、前后兼顾的实验平台。对于嵌入式实验教学体系而言，实验内容与实验平台，一主一辅，两者紧密相连，缺一不可。因此，在确定计算机专业嵌入式方向实验体系的具体内容之后，必须构建一个与之适应、紧密结合的实验平台。

基于实验教学内容并考虑不同实验类型，设计与之相应的嵌入式实验平台如图2所示（实线箭头表示该实验平台主要面向的实验内容，虚线箭头表示该实验平台兼顾的实验内容）。

嵌入式实验平台由嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统平台和嵌入式开发工具等3部分组成。

嵌入式硬件平台往往是认知和构建嵌入式系统的第一步，也是整个嵌入式实验平台的物理基础，不仅是计算机专业嵌入式实验教学体系中的首项内容——嵌入式系统导论课内实验的主要支持平台，而且是后续实验内容的硬件基础平台。因此，嵌入式硬件平台选择和设计的原则是主流、开放與兼容。

嵌入式硬件平台的核心是微控制器。考虑市场占有率、技术支持及价格等因素，嵌入式硬件平台采用意法半导体公司的基于ARM Coretx-M3内核STM32F103微控制器为核心开发板。相比传统的实验箱，开发板删繁就简、易于上手，使学生对嵌入式硬件结构有直接和感性的认识，降低学习难度，既满足嵌入式导论课程验证性实验需要，又满足嵌入式后续各项实验基础平台的需要。

嵌入式操作系统平台位于嵌入式硬件平台之上，是最接近硬件的嵌入式软件，主要面向计算机专业嵌入式实验教学体系中的第二项内容——嵌入式操作系统课内实验，同时也是后续内容——嵌入式软件开发课内实验和嵌入式系统综合实验的软件基础平台。根据嵌入式操作系统课内实验要求，并考虑嵌入式硬件平台的适用性和后续实验内容的扩展性，选用uCOS-II作为操作系统平台。uCOS-II是一个可裁剪、抢占式、实时多任务的嵌入式操作系统内核，能在嵌入式硬件平台核心——STM32F103微控制器上运行。uCOS-II源码开放、结构清晰、注释详尽、教学免费，很好地满足了嵌入式操作系统分析性实验要求。uCOS-II通过联邦航空局商用航行器认证，具有良好的可靠性、安全性、移植性和扩展性，可满足后续设计性、综合性和创新性实验要求。

嵌入式开发工具是嵌入式系统开发必需的辅助工具，它贯穿计算机专业嵌入式方向实验教学体系的所有实验内容，不可或缺。嵌入式开发工具主要分为硬件开发工具和软件开发工具两部分。在实验平台构建中，无论是硬件开发工具还是软件开发工具都应与嵌入式硬件平台和嵌入式操作系统相适应。本文采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103开发板为核心的嵌入式硬件平台和以uCOS-II为内核的嵌入式操作系统，实验平台选择KEIL MDK作为软件开发工具、J-Link仿真器作为硬件开发工具。KEIL MDK也称MDK-ARM，为基于ARM内核的微控制器应用开发提供了一个集成开发工具，采用MicroLib C库，包含C/C++编译器（armcc）、宏汇编器（armasm）、链接器（armlink）、库管理器（armar）、调试器（μVision）和实时内核（RTX）等组件[18-20]，提供软件模拟和目标机硬件两种调试模式，可满足嵌入式软件开发和调试的所有需求。J-LINK是用于嵌入式处理器仿真调试和软件固化的JTAG仿真器，支持几乎所有基于ARM内核的微控制器仿真和程序下载，还可与嵌入式软件开发工具KEIL MDK无缝连接[18]，可满足执行程序的硬件下载和实时仿真要求。

本实验教学平台紧密围绕教学内容，以嵌入式系统构成为依据，划分为硬件（STM32F103开发板）、软件（uCOS-II）和工具（KEIL MDK、J-Link）3个部分，环环相扣，依次递进，如表2所示（★表示关键支撑，√表示一般支撑，△表示辅助支撑）。

3 结语

嵌入式系统是一门以应用为中心，以计算机技术为基础，融合微电子技术、通信技术和自动控制技术的新兴交叉学科，要求从业人员具备全面的知识结构和较强的实践能力，这对高等院校计算机专业嵌入式方向实验教学提出了新的挑战。本文从分析嵌入式技术的特点和当前实验教学存在的问题入手，对现有实验教学体系进行改革，采用自顶向下的设计方法，以“目标—能力—内容—平台”为主线，构建了计算机专业嵌入式方向实验教学体系，为计算机专业嵌入式人才培养提供支撑。

参考文献：

[1] DAVE. Embedded systems[M]. Chennai： Pearson Education press， 2017.

[2] SAI KRISHNA V  N  R， KARI. Embedded system[M]. Riga： Scholars" Press， 2017： 20-23.

[3] BLOKDYK G. Embedded system：a practical handbook[M]. South Carolina：CreateSpace Independent Publishing Platform， 2017： 8-11.

[4] ICON GROUP INTERNATIONAL. The 2018-2023 world outlook for embedded systems[M]. Las Vegas： ICON Group International， Inc ， 2017.

[5] 王福刚，杨文君，葛良全. 嵌入式系统的发展与展望[J]. 计算机测量与控制，2014，22（12）：3842-3847，3863.

[6] 中国计算机学会. CCF2016-2017中国计算机科学技术发展报告[M]. 北京：机械工业出版社， 2017：154-156.

[7] 王冠军，江海峰，林果园. 卓越计划与学科竞赛平台相结合的嵌入式方向人才培养创新实践[J]. 实验室研究与探索，2017，36（8）：187-190.

[8] 吴玉峰，白凤娥. 高校嵌入式人才培养的探索与实践[J]. 实验技术与管理，2018， 35（3）：172-176.

[9] 刘钰，张燕，沈奇. 计算机专业嵌入式系统方向人才培养探究[J]. 实验技术与管理，2010，27（9）：164-167.

[10] 何煦岚. 普通高校计算机专业嵌入式方向的教学探讨[J]. 计算机教育，2014（8）：61-64.

[11] 胡青，余嘉苏，玉刚. 面向工程实践能力培养的嵌入式实验教学改革[J]. 实验技术与管理，2017，34（9）：160-163.

[12] 张美平. 计算机专业《嵌入式系统》课程实践教学探索[J]. 福建师范大学学报：自然科学版，2011，27（3）：10-13.

[13] 冯源，刘晓虎，夏立. 基于ARM平台的嵌入式技术综合设计实验教学[J]. 实验室研究与探索，2014，33（9）：205-207，235.

[14] 汪湛清，彭熙伟，郭玉洁. 嵌入式系统实验教学中的挑战问題[J]. 实验室研究与探索，2013，32（11）：364-366，392.

[15] 杨泽林，何莉. ARM嵌入式教辅系统的教学实践[J]. 实验室研究与探索，2018，37（2）：188-192.

[16] 徐志江，彭宏，孟利民. 开放共享嵌入式系统实验网络平台建设[J]. 实验室研究与探索，2015，34（5）：86-89.

[17] 张辉，何青，刘铮. 嵌入式系统实验教学改革与实践[J]. 电气电子教学学报，2016，38（1）：135-137.

[18] 王益涵，孙宪坤，史志才. 嵌入式系统原理及应用——基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器[M]. 北京：清华大学出版社， 2016：45-46.

[19] 徐成，凌纯清，刘彦，等. 嵌入式系统导论[M]. 北京：中国铁道出版社， 2011：24-25.

[20] 蒋建春，曾素华. 嵌入式系统原理及应用[M]. 北京：高等教育出版社， 2014：118-124.

（责任编辑：杜能钢）