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【摘要】根据嵌入式系统教学的特点和信息类专业人才培养的特点,结合自已的嵌入式系统教学实践,讨论了教学、实验内容、模式以及课程体系的建设问题,并就如何开展嵌入式系统教学、人才培养提出了建议。
【关键词】嵌入式系统 教学 信息
【中图分类号】C42 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2009)02(a)-0140-02
Abstract: Some issues such as education method,contents of the experiments,training mode and curriculum construction were talked about in this paper according to the characteristics of the embedded system and the professional training in information major. Combined with our embedded teaching practice, some suggestions on the embedded system education method,professional training were given．
Key words:Embedded system;Teaching;Information;
嵌入式系统是近年来发展很快的计算机方面的学科,并迅速渗透到控制、自动化、仪器仪表等多门学科。所谓嵌入式系统,实际上是“嵌入式计算机系统”,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［1],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。
随着科技的发展和社会需求的推动,信息技术进入到以嵌入式系统为代表的后PC时代,嵌入式系统的市场快速增长,嵌入式人才缺口将急剧增大[2]。正基于此,国内众多高校纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作。但对于嵌入式系统这一跨学科、软硬件集成、与业界需求密切相关的综合性系统来讲,要在短期内建立起一套完整的、科学的、系统的教学体系绝非易事。现有教学体系缺少有效的实验环节,与业界需求脱节,目前尚无针对嵌入式系统特点,从基础理论、技能训练到工程实践的完整的教学体系。本文根据嵌入式系统的特点和通信工程人才培养的特点,结合自己的教学体会,讨论了嵌入式系统教学、实验内容、教学模式以及课程体系建设等问题．
1 嵌入式系统教学的主要特点
嵌入式系统教学主要具有以下特点:
1.1 涉及内容和知识点众多
嵌入式应用特点,决定了它的多学科交叉特点,随着软硬件技术快速发展,嵌入式系统不再是一门课程就可以介绍清楚,而逐步成为一个课程群,该方向的专业课程可划分为:嵌入式系统原理、嵌人式操作系统、实时系统、嵌入式软件设计、软硬件协同设计、嵌入式系统软件工程、嵌入式系统中间件、数字信号处理等。一些学校还开设了微机外围电路应用设计、单片机编程、ARM等课程。
1.2 应用场景及培养方法多
嵌入式方向包括软硬件协同设计、嵌入式体系结构、实时操作系统、嵌入式产品设计等方面的知识,需要掌握嵌入式系统设计的典型开发工具,培训学生具备嵌入式系统软、硬件的开发能力,对于特定行业领域(例如移动终端、数字家庭、信息家电以及对传统产业信息化改造)已经逐步形成了特定的嵌入式开发方法与手段。
1.3 强调实践能力培养
嵌入式系统教学体系强调嵌入式系统知识与相关学科的融合,加强学生实践能力和创新能力的培养。也就是说,人才培养方向及规格侧重于向工程技术教育方向倾斜,突出强调“工程技术应用”能力培养,是工程应用型人才培养的本质特性.
嵌入式系统发展到现在,客观上形成了两种应用模式:电子应用设计式和计算机应用设计模式。前者是以电子技术应用工程师为主体从事控制、仪器仪表、机械电子等方面的单片机应用开发。后者是以计算机专业人士为主的基于嵌入式系统软、硬件平台从事网络、通信、多媒体、商务电子等方面的单片机应用开发。为了实现人才培养目标,达到人才培养的基本规格。要求嵌入式系统教学体系涵盖计算机硬件基础知识,如计算机系统结构、微机原理知识、数字电路设计和单片机设计知识、人机接口和网络通讯接口知识等;计算机软件方面涉及到操作系统知识,如中断、优先级、任务调度、任务间通讯和同步等,程序设计知识,如C、C++、汇编语言等,以及软件工程基础知识和技能;嵌入式系统工程专门知识和技能。
2 信息类专业嵌入式教学主要内容
目前,嵌入式计算机技术,已成为现代电子应用技术中一项新型的工程应用技术,掌握嵌入式计算机技术是新一代电子设计工程技术人员必备的技能,也是现代电子技术专业学生学习的一项重要内容。然而电子信息类专业不少已学完微型计算机原理、汇编语言程序设计课程的学生,虽已有相当多的基础知识,但是由于缺乏系统设计方面的知识和实践经验,还是无法组成良好的应用系统。事实上,一旦大家掌握了嵌入式计算机控制应用系统的设计方法,凭着对应用领域的了解,就有可能设计出最适应的嵌入式计算机应用系统。
嵌入式系统与计算机系统之间的教学存在差别,嵌入式系统的教学中,硬件占20%、软硬件结合占30%,软件占50%;而计算机系统的教学中:硬件占5-20%、软件件结合占0-5%、软件占80%。因此,作为通信、电子、自动化等信息类专业,嵌入式系统也有其独特的特点。信息类专业的教学主要面向大三的本科生学生,由于他们已经完成了计算机组成、微机原理、接口、程序设计语言等先修课程,而对汇编、操作系统、程序设计语言、体系结构等课程不熟悉,因此,在教学中应该注意这方面知识的讲解,以减少嵌入式学习的阻碍。鉴于上述情况,针对电子信息类专业嵌入式技术的教学实践,在教学中,主要完成以下几个方面内容:
2.1 熟悉一种嵌入式处理器
目前世界上占有较大市场份额的嵌入式芯片有ARM、PowerPC、MIPS等等,由于ARM体系是目前嵌人式系统工业界事实上的标准，一般都以ARM体系为例介绍嵌入式体系结构,并介绍ARM汇编。在嵌入式体系结构部分,还需要介绍嵌入式系统的硬件系统,包括JTAG接口、外设、中断、总线等。通过这部分的介绍,使学生们可以了解嵌入式硬件系统的构成与软硬件接口。
2.2 熟悉一种嵌入式操作系统
嵌入式操作系统包括非实时嵌入式操作系统与实时嵌入式操作系统(RTOS),在嵌入式课程中主要介绍RTOS。在系统软件模块中将介绍实时系统概念、操作系统在嵌入式系统领域的改造,例如处理器调度的实时性改造、中断处理、文件系统、MMU 等。嵌入式领域主要使用的操作系统有PSOS、VxWorks、LynxOS、WinCE、Linux、PalmOS等等［3］。嵌人式系统课程主要介绍常见的各种嵌入式操作系统,包括它们的特点、应用领域。由于Linux操作系统具有源代码开发、内核小、效率高等特点,在教学中主要嵌入式Linux为例子,介绍Linux的改造、裁减与移植。
2.3 掌握一种嵌入式软件开发方法
嵌入式软件开发方法是嵌入式系统设计的重要手段,所以教学中重点介绍嵌入式软件开发的过程,嵌入式图形用户界面目前没有统一的标准,作为概论需要介绍各个嵌入式GUI的优缺点与适用范围。同样,介绍包括Tornado、CE．net等嵌入式开发环境,以及嵌入式中间件,使学生熟悉开发环境,最终达到熟悉嵌入式系统的开发流程。
3 嵌入式系统教学的实验与思考
3.1 采用多种形式的教学方法,激发学生积极性
注重综合性与专业性相结合:嵌人式系统是软件、硬件设计的完美结合,可以有效训练学生在综合能力,包括有关电子、计算机、自动控制等诸多专业知识。作为教师,除了指导学生完成基本的理论课程外,还要求能够抓住学生心理,引导学生自学的能力,重视学生独立思考问题的能力和创新精神。为了极大地发挥学生的学习积极性,老师可以给出多个项目,项目贯穿整个教学过程,充分发挥学生的主体作用。学生根据自己的特长和兴趣,选择自己感兴趣的项目,并且自由组合成项目小组,各个小组自行分析、设计并完成,最后由老师来评分并计算在期末成绩中。当涉及其他相关学科的知识可通过图书馆和网络让学生课外补齐。还可以组织课外竞赛活动,鼓励和其它相关专业的学生自行组合,这样能够激发学生的创新想法,有利于学生对其他知识的摄取,提高学生的综合能力[4]。
3.2 加强相关实验室建设的力度,合理安排实验
必须摈弃只重视理论,而轻视应用技术的观念,紧跟技术发展的趋势,以期理论与应用并举。改革课程体系和课程内容,加快相关课程建设的速度。编写满足技术发展需要的相关教材体系,尽快开设一些与当前技术发展相适应的课程,使我们的教学思想、教学内容、实验方法与手段得到及时更新,以适应新形势发展的需要,应淘汰陈旧落后的实验方法和实验手段,添置新设备、新仪器。适当减少验证性、演示性实验,开设具有创造性、由学生进行自主设计与制作的实验题目,以提高学生理论与实践相结合的能力及其创造性思维能力和科研能力。第一层次基础型实验这部分实验采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生了解开发环境和开发流程,掌握实验开发工具的使用方法,熟悉软件编程环境,根据实验指导书的内容进行实验的调试,读懂实验源程序和程序的运行过程,并能进行修改、组合和补充应用编程;第二层次 综合设计型实验这部分实验是在基础型、验证型实验的基础上,综合整个课程的知识,尽可能多地利用实验系统上的资源,构造一个具有实际意义的嵌入式应用系统,即做一个较为复杂的综合实验;第三层次研究型实验这部分实验是提供给基础较好的学生深入学习的,目的是使他们能够更深入的掌握嵌入式系统的理论知识,并有更多的实践机会进行综合课题的设计,从而培养学生的科研能力、创新能力和工程实践能力。
3.3 加强教师队伍建设
嵌入式技术产业是一个新兴的产业,技术的发展急需一支专业化很强的、庞大的技术队伍。要满足这种社会需求,培养大量的技术应用型人才,这就要求高等院校电子信息类专业要有较强的相关师资力量。嵌入式系统授课的教师要具有很深的专业背景和工程项目经验因此,要尽快解决师资力量严重不足的问题,大力加强师资的培训及师资队伍的建设工程,使现有教师的知识得到及时更新和提高。
3.4 教学与科研结合
建立以培养创新能力为核心的实验体系各专业课设有相应实验项目,如计算机专业侧重实时操作系统分析、软硬件模块化设计,自动控制专业侧重外围接口设计、应用编程等;开设2～3个课程设计或开放型实验;毕业设计与企业、科研项目的结合,拓宽嵌入式应用领域和资金的支持。鼓励学生积极参与国家和地区举办的各种电子设计大赛。在实践中强化知识,锻炼综合能力与检验学习效果。
4 结语
为了突出适用性及理论紧密结合实际的特点,培养出具备创新的、独立研发能力的人才,应该使信息学院的所有学生熟悉这门课程,以实验室为依托,以教师、实验人员高年级本科生为队伍,建立嵌入式技术创新开发应用体系,力争取得能为社会带来经济效益的高技术成果。
时代在变,观念在变,伴随着这种发展变化,作为肩负培养电子技术应用人才重任的高等理科院校的电子信息类专业,应清醒地意识到所肩负的历史重任,培养出具有创新素质的优秀人才,迎接新世纪的挑战,在高技术的各个领域中及后PC时代单片信息化革命的浪潮中发挥作用。
参考文献
[1] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发一基于ARM徽处理器与uCOsⅡ实时操作系统[M].北京:清华大学出版社,2003．
[2] 盛鸿宇.魏志光.关于开展“嵌人式系统人才培养项目”的设想[J].实验室研究与探索,2005.24(S):60,64．
[3] 金中.世界系统芯片未来大趋势[J].电子产品世界,2000.4.
[4] 安琦.系统培养创新能力的教学模式[J]．高等工程教育研究,2004(1):77～79.
【关键词】嵌入式系统 教学 信息
【中图分类号】C42 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2009)02(a)-0140-02
Abstract: Some issues such as education method,contents of the experiments,training mode and curriculum construction were talked about in this paper according to the characteristics of the embedded system and the professional training in information major. Combined with our embedded teaching practice, some suggestions on the embedded system education method,professional training were given．
Key words:Embedded system;Teaching;Information;
嵌入式系统是近年来发展很快的计算机方面的学科,并迅速渗透到控制、自动化、仪器仪表等多门学科。所谓嵌入式系统,实际上是“嵌入式计算机系统”,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［1],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。
随着科技的发展和社会需求的推动,信息技术进入到以嵌入式系统为代表的后PC时代,嵌入式系统的市场快速增长,嵌入式人才缺口将急剧增大[2]。正基于此,国内众多高校纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作。但对于嵌入式系统这一跨学科、软硬件集成、与业界需求密切相关的综合性系统来讲,要在短期内建立起一套完整的、科学的、系统的教学体系绝非易事。现有教学体系缺少有效的实验环节,与业界需求脱节,目前尚无针对嵌入式系统特点,从基础理论、技能训练到工程实践的完整的教学体系。本文根据嵌入式系统的特点和通信工程人才培养的特点,结合自己的教学体会,讨论了嵌入式系统教学、实验内容、教学模式以及课程体系建设等问题．
1 嵌入式系统教学的主要特点
嵌入式系统教学主要具有以下特点:
1.1 涉及内容和知识点众多
嵌入式应用特点,决定了它的多学科交叉特点,随着软硬件技术快速发展,嵌入式系统不再是一门课程就可以介绍清楚,而逐步成为一个课程群,该方向的专业课程可划分为:嵌入式系统原理、嵌人式操作系统、实时系统、嵌入式软件设计、软硬件协同设计、嵌入式系统软件工程、嵌入式系统中间件、数字信号处理等。一些学校还开设了微机外围电路应用设计、单片机编程、ARM等课程。
1.2 应用场景及培养方法多
嵌入式方向包括软硬件协同设计、嵌入式体系结构、实时操作系统、嵌入式产品设计等方面的知识,需要掌握嵌入式系统设计的典型开发工具,培训学生具备嵌入式系统软、硬件的开发能力,对于特定行业领域(例如移动终端、数字家庭、信息家电以及对传统产业信息化改造)已经逐步形成了特定的嵌入式开发方法与手段。
1.3 强调实践能力培养
嵌入式系统教学体系强调嵌入式系统知识与相关学科的融合,加强学生实践能力和创新能力的培养。也就是说,人才培养方向及规格侧重于向工程技术教育方向倾斜,突出强调“工程技术应用”能力培养,是工程应用型人才培养的本质特性.
嵌入式系统发展到现在,客观上形成了两种应用模式:电子应用设计式和计算机应用设计模式。前者是以电子技术应用工程师为主体从事控制、仪器仪表、机械电子等方面的单片机应用开发。后者是以计算机专业人士为主的基于嵌入式系统软、硬件平台从事网络、通信、多媒体、商务电子等方面的单片机应用开发。为了实现人才培养目标,达到人才培养的基本规格。要求嵌入式系统教学体系涵盖计算机硬件基础知识,如计算机系统结构、微机原理知识、数字电路设计和单片机设计知识、人机接口和网络通讯接口知识等;计算机软件方面涉及到操作系统知识,如中断、优先级、任务调度、任务间通讯和同步等,程序设计知识,如C、C++、汇编语言等,以及软件工程基础知识和技能;嵌入式系统工程专门知识和技能。
2 信息类专业嵌入式教学主要内容
目前,嵌入式计算机技术,已成为现代电子应用技术中一项新型的工程应用技术,掌握嵌入式计算机技术是新一代电子设计工程技术人员必备的技能,也是现代电子技术专业学生学习的一项重要内容。然而电子信息类专业不少已学完微型计算机原理、汇编语言程序设计课程的学生,虽已有相当多的基础知识,但是由于缺乏系统设计方面的知识和实践经验,还是无法组成良好的应用系统。事实上,一旦大家掌握了嵌入式计算机控制应用系统的设计方法,凭着对应用领域的了解,就有可能设计出最适应的嵌入式计算机应用系统。
嵌入式系统与计算机系统之间的教学存在差别,嵌入式系统的教学中,硬件占20%、软硬件结合占30%,软件占50%;而计算机系统的教学中:硬件占5-20%、软件件结合占0-5%、软件占80%。因此,作为通信、电子、自动化等信息类专业,嵌入式系统也有其独特的特点。信息类专业的教学主要面向大三的本科生学生,由于他们已经完成了计算机组成、微机原理、接口、程序设计语言等先修课程,而对汇编、操作系统、程序设计语言、体系结构等课程不熟悉,因此,在教学中应该注意这方面知识的讲解,以减少嵌入式学习的阻碍。鉴于上述情况,针对电子信息类专业嵌入式技术的教学实践,在教学中,主要完成以下几个方面内容:
2.1 熟悉一种嵌入式处理器
目前世界上占有较大市场份额的嵌入式芯片有ARM、PowerPC、MIPS等等,由于ARM体系是目前嵌人式系统工业界事实上的标准，一般都以ARM体系为例介绍嵌入式体系结构,并介绍ARM汇编。在嵌入式体系结构部分,还需要介绍嵌入式系统的硬件系统,包括JTAG接口、外设、中断、总线等。通过这部分的介绍,使学生们可以了解嵌入式硬件系统的构成与软硬件接口。
2.2 熟悉一种嵌入式操作系统
嵌入式操作系统包括非实时嵌入式操作系统与实时嵌入式操作系统(RTOS),在嵌入式课程中主要介绍RTOS。在系统软件模块中将介绍实时系统概念、操作系统在嵌入式系统领域的改造,例如处理器调度的实时性改造、中断处理、文件系统、MMU 等。嵌入式领域主要使用的操作系统有PSOS、VxWorks、LynxOS、WinCE、Linux、PalmOS等等［3］。嵌人式系统课程主要介绍常见的各种嵌入式操作系统,包括它们的特点、应用领域。由于Linux操作系统具有源代码开发、内核小、效率高等特点,在教学中主要嵌入式Linux为例子,介绍Linux的改造、裁减与移植。
2.3 掌握一种嵌入式软件开发方法
嵌入式软件开发方法是嵌入式系统设计的重要手段,所以教学中重点介绍嵌入式软件开发的过程,嵌入式图形用户界面目前没有统一的标准,作为概论需要介绍各个嵌入式GUI的优缺点与适用范围。同样,介绍包括Tornado、CE．net等嵌入式开发环境,以及嵌入式中间件,使学生熟悉开发环境,最终达到熟悉嵌入式系统的开发流程。
3 嵌入式系统教学的实验与思考
3.1 采用多种形式的教学方法,激发学生积极性
注重综合性与专业性相结合:嵌人式系统是软件、硬件设计的完美结合,可以有效训练学生在综合能力,包括有关电子、计算机、自动控制等诸多专业知识。作为教师,除了指导学生完成基本的理论课程外,还要求能够抓住学生心理,引导学生自学的能力,重视学生独立思考问题的能力和创新精神。为了极大地发挥学生的学习积极性,老师可以给出多个项目,项目贯穿整个教学过程,充分发挥学生的主体作用。学生根据自己的特长和兴趣,选择自己感兴趣的项目,并且自由组合成项目小组,各个小组自行分析、设计并完成,最后由老师来评分并计算在期末成绩中。当涉及其他相关学科的知识可通过图书馆和网络让学生课外补齐。还可以组织课外竞赛活动,鼓励和其它相关专业的学生自行组合,这样能够激发学生的创新想法,有利于学生对其他知识的摄取,提高学生的综合能力[4]。
3.2 加强相关实验室建设的力度,合理安排实验
必须摈弃只重视理论,而轻视应用技术的观念,紧跟技术发展的趋势,以期理论与应用并举。改革课程体系和课程内容,加快相关课程建设的速度。编写满足技术发展需要的相关教材体系,尽快开设一些与当前技术发展相适应的课程,使我们的教学思想、教学内容、实验方法与手段得到及时更新,以适应新形势发展的需要,应淘汰陈旧落后的实验方法和实验手段,添置新设备、新仪器。适当减少验证性、演示性实验,开设具有创造性、由学生进行自主设计与制作的实验题目,以提高学生理论与实践相结合的能力及其创造性思维能力和科研能力。第一层次基础型实验这部分实验采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生了解开发环境和开发流程,掌握实验开发工具的使用方法,熟悉软件编程环境,根据实验指导书的内容进行实验的调试,读懂实验源程序和程序的运行过程,并能进行修改、组合和补充应用编程;第二层次 综合设计型实验这部分实验是在基础型、验证型实验的基础上,综合整个课程的知识,尽可能多地利用实验系统上的资源,构造一个具有实际意义的嵌入式应用系统,即做一个较为复杂的综合实验;第三层次研究型实验这部分实验是提供给基础较好的学生深入学习的,目的是使他们能够更深入的掌握嵌入式系统的理论知识,并有更多的实践机会进行综合课题的设计,从而培养学生的科研能力、创新能力和工程实践能力。
3.3 加强教师队伍建设
嵌入式技术产业是一个新兴的产业,技术的发展急需一支专业化很强的、庞大的技术队伍。要满足这种社会需求,培养大量的技术应用型人才,这就要求高等院校电子信息类专业要有较强的相关师资力量。嵌入式系统授课的教师要具有很深的专业背景和工程项目经验因此,要尽快解决师资力量严重不足的问题,大力加强师资的培训及师资队伍的建设工程,使现有教师的知识得到及时更新和提高。
3.4 教学与科研结合
建立以培养创新能力为核心的实验体系各专业课设有相应实验项目,如计算机专业侧重实时操作系统分析、软硬件模块化设计,自动控制专业侧重外围接口设计、应用编程等;开设2～3个课程设计或开放型实验;毕业设计与企业、科研项目的结合,拓宽嵌入式应用领域和资金的支持。鼓励学生积极参与国家和地区举办的各种电子设计大赛。在实践中强化知识,锻炼综合能力与检验学习效果。
4 结语
为了突出适用性及理论紧密结合实际的特点,培养出具备创新的、独立研发能力的人才,应该使信息学院的所有学生熟悉这门课程,以实验室为依托,以教师、实验人员高年级本科生为队伍,建立嵌入式技术创新开发应用体系,力争取得能为社会带来经济效益的高技术成果。
时代在变,观念在变,伴随着这种发展变化,作为肩负培养电子技术应用人才重任的高等理科院校的电子信息类专业,应清醒地意识到所肩负的历史重任,培养出具有创新素质的优秀人才,迎接新世纪的挑战,在高技术的各个领域中及后PC时代单片信息化革命的浪潮中发挥作用。
参考文献
[1] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发一基于ARM徽处理器与uCOsⅡ实时操作系统[M].北京:清华大学出版社,2003．
[2] 盛鸿宇.魏志光.关于开展“嵌人式系统人才培养项目”的设想[J].实验室研究与探索,2005.24(S):60,64．
[3] 金中.世界系统芯片未来大趋势[J].电子产品世界,2000.4.
[4] 安琦.系统培养创新能力的教学模式[J]．高等工程教育研究,2004(1):77～79.