嵌入式系统的基本原理篇1
关键词:嵌入式系统;课程体系;实践教学
随着嵌入式系统在工业生产和社会生活中的广泛应用,嵌入式系统技术越来越得到国内各大高校的重视。嵌入式系统涉及的知识面广、技术新、难度大,相关的技术资料少,并且仍然在快速发展中,这使得教学面临较多的困难[1-2]。因此,如何有效地进行教学,在相对紧张的学时内使学生掌握更多的嵌入式系统知识,成为许多高校开设“嵌入式系统”课程要首先解决的问题[3]。
本文结合作者几年来的“嵌入式系统”本科教学实践,提出和总结了教学工作中的一些思路和体会,主要有以下一些经验。
1主要课程体系的设置
嵌入式系统作为后pC时代的核心,所涉及的知识非常广泛,既有计算机底层硬件的知识,又包含操作系统、应用程序、特定领域的知识等,建立良好的课程体系,对学习者非常重要。
从狭义上讲,嵌入式系统知识可分为两大类,一是针对将来只是应用嵌入式系统硬件、软件平台来进行二次开发的学生,应侧重学习特定软硬件平台的应用系统设计和开发;二是针对将来从事嵌入式系统软硬件平台设计的学生,需要重点学习嵌入式系统体系结构及接口设计原理[4]。综合上述嵌入式系统的知识特点并结合目前教学的实际,把嵌入式系统教学分为三个层次:
(1)学习嵌入式操作系统,主要掌握特定嵌入式操作系统的基本工作原理、特点及应用。这是学习嵌入式系统的基础,主要为基于操作系统的软硬件开发做准备。
(2)学习嵌入式系统硬件,主要掌握特定嵌入式CpU的体系结构及其相关的接口电路的工作原理、特点,并学习无操作系统下的编程技术。使学生深入理解底层硬件的工作机制及控制技术,为顶层开发作准备。
(3)学习嵌入式软件开发,在具备了操作系统及相应硬件知识的基础上,学习基于操作系统之上的驱动程序及应用软件的开发。
在这三个层次中,前两个层次是基础,第三层次是目的,只有掌握好嵌入式操作系统及相关硬件机制,才能更好地进行嵌入式软件开发工作。建议开课的具体时间及学时如表1所示。
在表1中,特别加重了实验教学学时,因为嵌入式系统课程体系要求较强的实践性,让学生多动手实践对提高教学质量很有帮助。
2教学内容的选择
2.1软硬件平台选择
由于嵌入式系统技术在国内出现时间不长,并且处于快速发展阶段,新技术和应用成果不断涌现,这给软硬件平台的选择带来了一定的困难。而且不同的选择直接导致嵌入式软件开发的技术差异,对教学及学生将来应用的影响很大,需要仔细分析、认真选择。
选择的基本原则是应用广泛或未来有发展潜力的嵌入式技术。根据目前嵌入式系统在国内外发展的现状,aRm微处理器以其体积小、功耗低、成本低、性能高和应用广泛成为目前嵌入式系统硬件的首选。而操作系统的选择则比较困难,既有出现时间较长,市场占有率很高的系统,如Vxworks等,也有出现较晚但很有发展潜力的系统,如windowsCe、嵌入式Linux、μC/oS-ii等,各种不同的嵌入式系统均有各自的特点,像Vxworks经过多年的发展,市场占有率高,非常稳定但价格昂贵;windowsCe由微软公司开发,技术力量雄厚且容易为大多数开发人员接受;嵌入式Linux开源稳定且免费,受到很多企业的推崇;而μC/oS-ii结构紧凑小巧,适合教学。
根据选型原则,嵌入式Linux在很多企业得到了应用,并且它的免费特点会有助于未来应用的扩大,因此选择学习嵌入式Linux有利于增强学生的竞争力。
2.2课程内容选择
精心选择授课内容,组织好授课知识体系并详略得当,略去一些繁杂深奥的细节,而把授课内容集中在需要重点学习的知识点上,对本科学生接受相关内容帮助很大。针对我们的课程体系,各门课程主要讲授内容如下。
(1)Linux操作系统:本门课程主要是以普及Linux操作系统基础知识为主,使得学生掌握其工作的基本原理、组织结构、配置方式等,学会Linux操作系统的基本操作及常用软件的应用。为开发基于嵌入式Linux操作系统的软件打好基础。
(2)嵌入式系统原理:本门课程主要学习嵌入式系统的基础知识,介绍基于aRm微处理器的软硬件开发环境,并学习无操作系统的硬件编程技术。重点学习内容包括三个方面:一是aRm处理器的组织结构及特点,使学生对aRm处理器的整体结构有较好的理解,为学习其接口技术做好准备;二是aDS开发环境,掌握aDS的基本操作流程、相关的配置、理解交叉编译连接等概念;三是aRm处理器的接口技术,这是学习本门课的重点,不仅要掌握各种接口的工作原理、工作流程及配置方法,还要求能够利用C语言对其进行编程控制。
(3)嵌入式软件开发:本门课程以嵌入式Linux作为软件开发平台,在基于aRm处理器上完成软件开发工作。授课重点主要包括:一是Linux操作系统的深入学习,包括Linux系统的工作机理、系统裁减移植及其系统的开发环境等;二是嵌入式Linux下的驱动程序开发,包括Linux设备驱动的工作原理、开发流程,常用设备驱动程序编写方法;三是图形界面的设计,主要介绍基于Qt的图形界面开发方法。
3教学方法的运用
教学方法的有效运用对提高教学效果的作用是不言而喻的,如何在“嵌入式系统”教学中采用合适的教学方法,提高教学的质量,使学生能够从教学中得到最大的收获,对教学的成败至关重要。评判有效的教学方法的标准是看是否能增加学生的学习热情,能否变被动学习为主动学习。
3.1注重基础,重点突出
“嵌入式系统设计”是一门综合性的课程,涉及的知识面比较广泛,例如既有计算机学科的计算机体系结构、操作系统、程序设计等知识,也有电子学科的电子技术、微机原理等知识。因此,在课堂内容组织上,要分清主次,明确哪些知识仅需了解,那些知识需要重点掌握,并根据重要程度有计划地组织教学内容和学时,使得整个教学体系层次清楚,详略得当,为学生顺利接受提供保障。
例如在规划的教学体系中,硬件方面重点是接口技术、要求学生掌握各种接口的工作原理及其编程方法,软件方面重点是基于嵌入式操作系统的驱动程序设计及应用程序开发,而对于比较复杂的操作系统的内部工作原理分析、操作系统移植、BootLoader等仅作原理性介绍。
3.2以实践教学带动理论教学
通常理论教学比较抽象枯燥,学生接受大量的理论知识比较困难,为了提高理论教学的效果,为课程配备了较多的实验课时,每当在课堂上学习完成一部分理论知识,即安排相应的实验,由学生亲自动手验证理论知识的正确性并加深对理论知识的理解,这样把较抽象的理论具体化形象化,学生接受起来相对容易,提高了理论知识的学习效果。
3.3兴趣创新的培养
兴趣及创新能力的培养需要以应用为驱动力。学生对把所学理论如何应用到实际应用中非常感兴趣,以此为切入点,在理论教学时,把实际产品经简化后引入课堂,介绍所学理论知识在具体产品中的应用方式、方法,并进一步指出理论或产品的优缺点,改进方向等,为学生进一步学习指明方向,从而激发学生求知欲及创新的潜能。如在实际的教学中,介绍mp3产品的工作机理及软硬件设计方法,学生对此兴趣非常高,教学效果明显。
4实验教学的设计
嵌入式系统是面向应用的,实践是整个嵌入式系统课程体系中非常重要的环节。也是加深对嵌入式系统知识理解,培养兴趣及创新能力的必经途径。
我院购买了基于aRm9的实验教学平台,该平台拥有大量的接口设备并配备了嵌入式Linux操作系统,为学生学习aRm底层编程技术、嵌入式Linux操作系统及其上的软件开发提供了保障,
根据学生的能力特点,我们把实验课程分为三个层次,便于不同类型的学生选择。
(1)基础性实验:本类实验主要是相关课程中最基本的实验,要求所有学生必须掌握。如在“嵌入式系统原理”课程中,需掌握aDS开发环境、通用端口、中断、Dma、UaRt等;在“嵌入式软件开发”课程中,需掌握Linux实验环境搭建、各种基本驱动程序设计、简单应用程序设计等。
(2)综合性实验:是在前面基础性实验的基础上,综合整个课程的知识,尽可能利用实验系统上的硬件资源,构造一个具有实际意义的嵌入式系统,综合性实验提供多个题目,要求学生选做。如在“嵌入式系统原理”课程中,可以实现无操作系统下的音频录放、俄罗斯方块等程序设计;在“嵌入式软件开发”课程中也可以实现基于操作系统的类似程序设计。
(3)设计性实验:设计性实验主要提供给学习能力较强并对嵌入式系统感兴趣的学生,本实验主要在计划外学时进行,由学生自主提出课题或通过其他方式选择课题,教师适当指导并利用实验室对外开放时间进行。如通过国家大学生创新性实验计划,设立了“智能生命救助仪研究”课题供学生进行实验。通过完成该实验,提高了学生研究能力和实际动手能力,使学生进一步理解了不同课程之间知识的有机联系并深入体会了嵌入式系统面向应用的含义。
5结语
嵌入式系统应用的广阔前景和未来发展的巨大潜力已得到了全社会的共识,作为培养高级人才的大学,要想又快又好地培养出大批嵌入式系统方面的优秀人才,就需要从嵌入式系统课程体系的设置、课程内容的选择、教学方法的运用及实验课程的设计等方面精心研究及组织,其最终目的是提高嵌入式系统的教学质量,培养学生对嵌入式系统的学习兴趣,激发学生自主创新能力,为我国嵌入式系统领域发展提供优秀的人才保障。
参考文献:
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[4]符意德.嵌入式系统设计原理及应用[m].北京:清华大学出版社,2004.
explorationofembeddedSystemteachingSystemandmode
LiJun,YUanman,LiUYan-jun
(CollegeofComputerandinformationtechnology,Daqingpetroleuminstitute,Daqing163318,China)
嵌入式系统的基本原理篇2
abstract:embeddedsystemcoversmicroelectronicstechnology,electronicinformationtechnology,computersoftwareandhardwareandmanyothertechnicalfields.withthedevelopmentofhighervocationaleducation,andmoreandmorewidelyusedinembeddedtechnology,embeddedtechnologyteachingbegantobepromotedintheadvancedvocationaltechniquecollege.Basedonourpersonneltraininggoalinembeddedsystemsorientation,thearticledescribedembeddedsystemscoursearchitecture,practiceteachingsystemandmulti-platform,multi-levellaboratoryconfiguration,andproposedanumberofeffectivemethodsforteachertraining.inpracticebaseconstruction,firstlyembeddedsystemcoursesystem,theexperimentcontent,andteachingstaffandsoonweredesignedandplanned,toensurethepracticalbaseembeddedsystemcanmeetthatthestudentsmasterthebasicrequirementsandtheneedofsomegoodstudentsandteachers.
关键词:嵌入式系统;教学体系;实验室配置;师资建设
Keywords:embeddedsystem;coursearchitecture;laboratoryconfiguration;teacherdevelopment
中图分类号:G642.0文献标识码:a文章编号:1006-4311(2010)11-0249-02
0引言
嵌入式系统涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算机软件和硬件等多项技术领域的应用。国内许多高校已在研究生和本科生中,较早开设了嵌入式系统的相关课程,并筹建了嵌入式系统教学实验平台,高职类院校进行嵌入式系统教学的院校相对较少。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,而且嵌入式技术本身学习难度比较大,由此导致嵌入式系统的人才培养比较困难。嵌入式技术教学目前还没有完整和现成的体系可供参考,而高职由于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参考,我校根据自身的特点在嵌入式系统教学和实验室建设方面进行了有益的尝试与探索。在实践教学基地建设时,首先对嵌入式系统课程体系、实验内容、师资队伍等诸多方面进行详细设计和规划,以保证嵌入式系统实践基地能够满足学生学习掌握嵌入式技术的基本要求及部分较好学生和老师的需要。
1高职嵌入式人才培养的目标定位
通过对嵌入式系统人才需求报告的研究,我们发现嵌入式系统行业和一般的制造业并不相同,即高技能人才的需求并不在嵌入式产品的制造过程,而是在研发及技术支持环节,这两个环节一个在产品生产之前,一个在产品生产之后。这也是由嵌入式产品自身的特点决定的。由于嵌入式产品普遍采用32位RiSC技术,芯片采用超大规模集成电路制造,也决定了产品的生产过程全部采用Smt设备完成。很多从事嵌入式产品设计制造的公司可能都没有自己的制造厂,而是直接委托行业的制造厂家来生产。针对嵌入式技术的特点及高职学生和我校师资的实际情况,我们把培养的嵌入式系统人才定位在嵌入式助理工程师(主要岗位:研发助理工程师,硬件测试工程师,软件测试工程师,系统功能测试工程师,硬件维修工程师和嵌入式产品销售工程师,技术支持工程师等岗位。)
通过对这些岗位的分析,我们能得出所需的嵌入式知识体系:(1)掌握基本的电路知识;(2)掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理;(3)掌握一个嵌入式操作系统;(4)熟悉嵌入式软件开发流程并至少做过一个嵌入式软件项目。
2嵌入式系统理论教学体系
嵌入式技术是一门理论性和工程实践性都很强的技术,是公认的有一定难度的技术,对高职学生来说,一定要遵循学生认知的客观规律,由简单到复杂,循序渐进,合理选取理论和实践内容,与工程实践紧密结合,才有助于对嵌入式技术相关内容的理解与掌握。我们的专业课程体系分为三个层次,第一层次:包含通用的基础知识与基本技能课程,适度的可持续发展基础课程;第二层次:包括嵌入式系统与工程应用的专业知识与技能(嵌入式系统基础及应用、实时操作系统、嵌入式软件开发与工具等)。第三层次:涉及相关应用方向的领域知识。主要基础课程包括:电子技术(数电)、微机原理与接口、eDa技术、操作系统、C/C++、网络技术。主要专业课程包括:单片机原理与应用、嵌入式基础及应用(aRm+uC/oS-ii)、嵌入式操作系统、嵌入式系统工程技术(涉及嵌入式应用方向的领域知识,主要以项目教学为主)。为真正体现对学生相关能力的培养和学生容易入门,不致产生畏难情绪,为以后进一步的学习打下基础,嵌入式微处理器以aRm7进行嵌入式硬件结构与原理的讲解,以uC/oS-ii来进行嵌入式操作系统原理的讲解。在高年级和毕业设计阶段,可以要求学生进行aRm9和Linux的学习与项目的开发。
嵌入式系统的基本原理篇3
关键词：嵌入式系统课程体系课程设置
20世纪末，随着计算机技术、集成电路技术和智能控制技术的发展，单片级嵌入式系统迅速发展，企业对嵌入式开发人员的需求量极大，因此嵌入式系统课程在高校设置势在必行。同时，由于近年来物联网产业的发展，嵌入式系统更是备受关注。而嵌入式系统良好的发展潜力和发展机遇也预示着对相关技术人才的巨大需求。但由于嵌入式系统涉及的相关知识多、硬件和软件结合紧密等特点，嵌入式系统的开发难度很大，培养这样的人才对高校也是个挑战。
嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，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。本文针对学校的教学现状，总结目前通信工程专业的嵌入式系统课程教学的变化特点，依据课程培养方案，从课程的预备课程体系、教学内容规划和设置等方面入手，讨论课程的整体系统建设的内容。
一、我院嵌入式课程教学的特点
2007年电子、通信工程专业在全院率先开设了嵌入式系统课程，并将其定为电子信息类专业的一门重要的专业技术课程，同年引进了适合教学使用的英蓓特embesteDUKit-iii多核嵌入式实验开发平台（基于aRm7架构的Samsung3C44B0x和aRm9架构Samsung3C2410x嵌入式芯片，实时、开放源码的多操作系统μC/oS-ii、μCLinux和Linux）。经过几年的教学实践，课程的培养计划也随着课程的教学要求和学校“技术立校，应用为本”的办学指导方针做了一定的调整，以培养21世纪电子信息类高水平技术人才为目的，将嵌入式开发与应用课程建设成为我院具有特色的专业课程。在教学实践中发现存在一定的问题。
（1）课程的体系规划不断变化
自嵌入式系统课程开课以来，课程的培养计划也在不断的变化中，以适应专业的培养目标和学校人才培养的需求。几经调整之后，课程的设置基本稳定。因为典型的软硬件结合的特点，课程的设置主要从理论和实践两方面考虑，理论内容安排48课时3学分的内容，实践内容安排了32课时1学分的实验，这些是必修的嵌入式教学内容。此外，还可以在学生科创项目和毕业设计中加入相应的选修实践内容。课程具体内容规划如图1所示。
图1课程体系规划
教学课时调整的同时，教学内容和教学方法也在不断的变化和改进，以适应教学目标的实现。
（2）课程实践内容设置不合理
开发与应用课程典型的特点就是实践性强，如何让学生在掌握理论的基础上形成实践能力，是该类课程的教学难点，并且要做到和专业培养结合。主要考虑的就是实验教学内容如何设置，才能和理论有机结合，达到培养目标。
二、课程系统的建设内容
1.建立合理的预备课程体系
嵌入式系统课程内容涉及广泛，系统性和综合性强，嵌入式系统本身就是一个包含软件和硬件的完整微型计算机系统。因此，嵌入式系统的原理和应用技术不是一两门课程就能讲授的，首先需要建立一个合理的嵌入式系统课程预备知识体系的教学来支撑嵌入式系统教学。
结合嵌入式系统的教学要求，需要有两部分的预备知识储备。一是硬件部分需要模拟电路、数字电路、计算机系统结构和微机原理课程的支持；二是软件部分需要C语言、汇编语言、数据结构和操作系统的课程支持。这些课程不是为了嵌入式系统而重复开设的，而是结合嵌入式系统重新调整和优化，以便于嵌入式系统的课程学习。
2.根据专业培养目标设置课程教学内容
嵌入式系统课程目前已经是各大工科高校必不可少的课程。课程教学的培养目标有两方面：一是学生通过课程的学习能够了解嵌入式系统的基本原理，熟悉嵌入式系统开发的整体概貌，掌握某种嵌入式系统开发环境的搭建方法，熟悉嵌入式系统开发的完整流程。这一部分是嵌入式教学的基本要求目标。二是在专业知识背景下能够完成一个相对完整的小型应用系统的开发，为毕业后求职或创业提供一定的基础。
针对专业培养目标与课程的性质，教学内容的设置主要分为两部分：理论和实践，这两部分应该相辅相成，实践内容帮助理论内容的理解，并且理论可在实践中得到验证和发展。如何设置两者的内容就成了教学过程中的关键问题。
（1）理论教学环节
嵌入式系统内容多而泛，需要理论教学内容与实践环境一致，才能使教学达到目标要求。依据实验环境的配备以及与嵌入式主流技术一致的原则，确定理论教学环节一是掌握aRm嵌入式处理器的体系结构，汇编指令集以及在aRm体系下的嵌入式编程，使学生掌握基于aRm7和aRm9典型嵌入式处理器的硬件开发平台，硬件接口开发；二是Linux嵌入式操作系统，嵌入式软件设计，以及Linux嵌入式系统开发举例；三、系统设计过程中电磁兼容特性的影响和改善的措施。
（2）实践教学环节
实践教学的内容设置不仅要做到对理论教学的支持，还需要能够调动学生的主动意识，更好的帮助教学目标的实现，同时兼顾学生的特点和专业方向，达到“由浅入深，由简单到复杂”的多层次实践教学内容。
首先是实验课程教学，内容依照对比验证、设计扩展和综合应用三个层次来设置，这是实践课程的必修环节。对比验证实践内容主要根据实验室的标准配置，掌握嵌入式系统的基本结构、编程方法和开发环境的使用等内容。设计扩展实践内容和项目指实验环境有扩展的空间，给学生发挥的空间。锻炼学生独立思考，独立解决问题的能力。综合应用实践内容随着理论知识的积累和基础实践的锻炼，实践内容应该以综合性、系统级的为主，目的是锻炼学生综合运用知识的能力。
其次是可以通过科创、竞赛或毕业设计等实践环节，此为选修环节，针对基础好的同学可以在通信专业方向上设置实践内容，在这个阶段，应该在工程和企业层面来要求学生，要引入设计说明书、设计流程图、开发进度表、软件工程控制文档和测试报告等概念。
嵌入式系统课程体系的建立要从专业的培养目标出发，结合学校资源，建立符合相关专业培养方向的课程体系，以及适当的应用环境，体现课程的综合性，经过几届学生的教学活动，该课程体系可以基本达到培养目标的要求。但由于师资和实验设备等的局限，我们的课程体系还存在很多的不足，今后需要在师资培养和实验环境上加大重视，将课程体系不断完善，培养出有开发能力的嵌入式人才。
基金项目：嵌入式开发与应用课程建设（2012KCJS-11）；上海电机学院校级重点课程建设项目。
参考文献：
嵌入式系统的基本原理篇4
基础课程改革教学体系教学方法教师培养
一、引言
嵌入式系统的应用日益广泛，可以说无所不在、无处不在，嵌入式系统的快速发展也极大地丰富、延伸了嵌入式系统的概念。嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继it网络技术后，又一个新的技术发展方向。ieee（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义为：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”。嵌入式系统已广泛应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域，可以说嵌入式技术无处不在。由于社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求，使嵌入式软硬件工程师成为未来几年最为热门的职业之一。
二、嵌入式系统教学特点
嵌入式系统开发与应用的内容繁杂，涉及基本的硬件知识（如嵌入式微处理器及其基本的接口知识、扩展的人机接口、网络通信接口等）、操作系统（应该至少了解一种操作系统的中断、优先级、任务间通信、同步等知识）、程序设计知识（C、C++、汇编语言程序设计，至少熟悉C语言）；同时，还涉及一定的数字电路知识以及使用示波器、逻辑分析仪等基本技能。因此，在系统学习本门课程之前，必须先修微机原理与接口、C语言程序设计课程，有一些计算机操作系统原理、体系结构和系统结构的基本概念，同时对于网络协议有一定的了解。在ieee计算机协会2004年6月的ComputingCurriculaComputerengineeringReport，ironmanDraft报告中，把嵌入式系统课程列为计算机工程学科的领域之一，把软硬件协同设计列为高层次的选修课程。美国科罗拉多州立大学“嵌入式系统认证”课程目录包括实时嵌入式系统导论、嵌入式系统设计和嵌入式系统工程训练课程。美国华盛顿大学嵌入式系统课程名称是嵌入式系统设计导论，它基本包括了前面三门课程的内容。
三、嵌入式系统教学现状
从2002年起，全国许多高校的计算机系、电子系、自动化系和软件学院陆续开设了嵌入式系统课程，据估计大约有200多所院校开设了这门课程，有的院校甚至还开设了嵌入式技术专业和嵌入式技术系，本校也在计算机、自动化等专业开设了这门课程。但由于受传统教学体系的影响以及实验条件的限制，目前本校的嵌入式系统课程在教学内容设置、教学方法手段、实验实习等方面都与这门课程以实际应用为主的基本特征严重脱节。学生完成这门课程后，只能进行一般的、基于指令基础上的简单编程，而不能进行基本的应用系统设计，而要想进行较大规模的应用系统设计则需要更长的时间。经过仔细分析，存在的问题主要有以下几个方面：
（1）教学内容不够合理。各个专业的教学内容基本一样，重点不突出，无法发挥学生所学专业的特长。通常嵌入式开发人员由两部分人组成，一部分是电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人，另一部分是学软件编程的计算机专业出身的人。电子工程、通信工程等专业的学生在硬件设计方面比较突出，而计算机专业的学生则比较善于软件的设计。
（2）教学方法手段不合理。课程的授课方式以理论课为主，实验学时较少，一般理论课时都会占了全部课时的80%左右，而实验课时一般只占了20%。实验的内容也不够合理，实验的深度不够，学生的动手能力得不到充分的锻炼。
（3）本校目前的嵌入式实验教学，仍停留在20世纪80年代初发展起来的以8位51单片机为核心的教学水平上。在面向实际的工程应用中，以32位aRm为核心的嵌入式技术日益成为高性能嵌入式技术应用的基础，所以建立一个全面的、新的、基于aRm技术的嵌入式实验教学体系十分必要和紧迫。
（4）没有安排专门的嵌入式系统课程设计，使学生无法把所学的知识联贯起来运用，系统开发的能力得不到提高。
（5）师资力量匮乏，熟悉嵌入式技术的教师数量不多，教师的实践能力不强，造成只能照本宣科，无法实际指导学生。
四、嵌入式系统课程教学改革措施
针对这些问题，应从基础课程改革、新教学体系建立、教学方法、教师培养等方面入手，对嵌入式系统课程进行不断探索和改革。
（一）对基础课程改造
将单片机课程改造为嵌入式系统应用，完成从定式设计到实时设计的转变；将计算机原理课程改造为嵌入式系统原理，着重介绍嵌入式系统原理和体系结构，将电路课程改造为集成电路工程应用，由模拟电路、数字电路通过HDL/eDa/CpLD向ip设计、SoC设计发展；开设“嵌入式系统工程设计方法学”课程，介绍知识平台的观念与方法、计算机工程方法、系统工程作业方法、企业项目管理方法等。
（二）建立基于aRm的嵌入式系统课程教学体系
1.理论教学
理论教学的教学内容设置如下：
（1）嵌入式概述
主要介绍嵌入式开发的基本知识。
（2）硬件环境
这部分应对aRm技术进行论述，包括aRm指令集、thumb指令集、存储控制器、i/o端口、Dma功能、UaRt接口、中断控制器、时钟电源管理器、pwm定时器、LCD控制器、a/D转换器、RtC功能、iiS总线等。
（3）嵌入式操作系统
现在大部分院校都开设了Linux操作系统的课程，而且国家也大力提倡使用Linux操作系统，所以建议选用嵌入式Linux。这部分应主要介绍操作系统概念、操作系统内核、Linux和μCLinux、任务和任务调度、实时oS(RtLinux)、GUi、api、文件系统等。
（4）软件开发环境
主要介绍软件开发环境、软件开发过程、交叉编译、链接调试、下载、板级支持包(BSp)、miniGUi图形应用程序设计、Linux内核移植与编译等。
（5）驱动程序
主要介绍设备驱动机制、键盘鼠标驱动、触摸屏驱动、网口驱动、红外、USB驱动等。
2.实验教学
实验硬件平台可选择基于aRm9内核的微处理器芯片，如S3C2410（基于aRm920t），软件平台可选择aRm-Linux。实验内容包括基础实验和综合实验。
（1）基础实验。
基础实验内容可包括熟悉Linux开发环境、多线程应用程序设计、串行端口实验、a/D接口实验、D/a接口实验、Can总线通信实验等。
（2）综合实验
综合实验内容可包括Linux内核移植实验、触摸屏驱动实验、系统中断实验、键盘鼠标驱动实验、SD驱动使用实验、基于pCmCia的CF卡读写和无线局域网通信实验等。
3.课程实习
在整个课程完成后，还应该安排专门的嵌入式课程实习。课程设计的任务是完成一个应用程序的开发，课程设计题目每年不断更新，学生可以根据自身掌握的程度选择不同难度的题目，分值依据题目难易程度而定。学生也可以自拟题目，为保证题目的难度和规模能达到教学要求须经任课教师认可。题目有:在Linux环境下的闹钟提醒程序、串口调试程序、文本编辑器、计算器、画图、贪吃蛇等。
实习的过程可以模仿企业嵌入式系统开发过程进行，如厂商新推的嵌入式微控制器（mCU），模拟开发mCU评估板。因为嵌入式系统的开发一般包括硬件设计和软件开发两部分，所以可以安排不同专业的同学混合编组，共同实习，这样即贴近开发实际，又培养了组员之间的合作精神。
如果有条件的话，还可以与企业合作，建设与产业水平同步的工程实践环境。另外，可以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。
（三）合理的教学方法
应多采用多媒体教学，制作符合教学内容和教学实验的Cai课件。教学时注重启发式教学，引导学生思维，充分发挥学生的主体地位，培养学生的思维能力与自学能力，提高书面表达能力。
嵌入式系统是一门实践性很强的学科，它的教学目的是为了让学生学到一种嵌入式平台开发和设计的方法，所以实验教学在整个教学体系中占了很重要的地位，所以在课时分配上，理论课可以占总课时的1/3，基础性实验课可占总课时的1/3，综合性实验课可占总课时的1/3。授课地点可以设在实验室，实现“边做边学，先学后做，现做现学”等灵活的教学手段，提高学生的学习效率。
采用合理的考核方式，由应试教育向素质教育的转变，考核方式的改革是一个重要因素。本课程学生的综合成绩的评定，由期末考试成绩(60分)+实验成绩(20分)+实习成绩(20分)构成。这样更能全面和客观地反映学生的学习情况。
（四）嵌入式教师培养
由于“嵌入式系统”作为一门新兴的学科，需提供更多的研讨学习交流机会，鼓励青年教师多参加相关的科研项目，以建立一批既具有嵌入式理论知识和实践经验、又有较高教学水平的教师队伍。
五、结束语
本文针对嵌入式系统课程存在教学效果不理想的实际情况，分析了问题存在的原因，针对信息类学科特点和学生学习的特点提出了一些改革建议，以此努力构建融课堂教学和包括实践教学在内的多样化教学形式相结合的新型教学模式。希望对于广大教师能够具有一定的参考价值，进一步促进该门课程教学水平的提高和教学效果的增强。
参考文献：
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嵌入式系统的基本原理篇5
1嵌入式实验教学中存在的问题
嵌入式系统课程的实践性非常强,为了加强学生对嵌入式系统理论知识的认知,提高学生解决实际问题的能力和创新能力,实验教学在嵌入式课程教学中有着至关重要的作用。到目前为止,在嵌入式实验实际教学中发现了以下问题。缺乏针对性强的实验平台。嵌入式课程教学和人才培养具有高度的实践性,通常情况下,教学所用的实验平台(实验箱)是委托科教仪器公司开发的。由于教学投入不足,经常出现设备板子烧毁,讲义资料不全,实验箱不完善导致能开设的实验不多,由于部分源代码不开源等现象,所以相关实验基本上都是演示性的实验,或者与其他学科共同使用一套实验设备,没有本学科专业特色,很难实现视频采集、音视频压缩、网络传输等功能。这些因素皆不利于通信专业学生实践能力的培养。其次,缺乏灵活的实验设计及讲义。在嵌入式系统应用领域,嵌入式系统中的软件开发困难,既要考虑不同平台的差异,又要具备一定的稳定及易行性条件。以往这些类型的软件开发都是由硬件厂商包办,且提供的嵌入式系统软件解决方案五花八门。而实验设计应侧重于主流操作系统下软件的实践和创新。此外,大多数学生照着详细的实验指导书按部就班,缺乏自主创新的意识,甚至不深入思考实验现象背后的理论知识。这显然与培养学生创新性思维和能力的目的背道而驰。而实验课时少也是实践教学中亟待解决的一个问题。嵌入式系统课程对学生的专业知识要求较高,学生先要学习单片机原理及应用、C/C++程序设计、DSp原理及应用等嵌入式相关课程,等到具备了一定的实验操作和编程能力之后,在大三下半学期或大四上半学期开设嵌入式系统课程。理论性教学和实验教学交叉进行,再加上总课时的限制,使得学生自主实验时间大大减少。虽然已从原有实验课时占较少课时的状态,调整到实验课时占总课时一半的状态,课内实验还是远不能满足对学生的培养需求。
2实验教学配套设施
本研究所自主开发的嵌入式系统实验平台是一套功能完善的实验箱,选用aRm处理器+Linux操作系统的主流配置。实验箱上提供有教学系统采用的各种测试点(包括图像视频采集输入、i/o输出等),方便教学中使用示波器等测试仪器;多路数字信号源(包括四路视频输入功能);aRm开发系统功能等众多功能。此套基于双核处理器架构(双核处理器架构,是指采用一个aRm核及一个SoC图像处理核的架构芯片)的四路DVR教学实验箱,可以实现视频采集,H.264压缩,音频压缩,网络传输以及嵌入式Linux操作系统等功能,主要为高等院校通信工程类专业、电子信息类专业等高年级学生的通信专业课程设计、通信专业大型实验、毕业设计、电子设计竞赛以及研究生的数字通信实验而设计,也可供相关专业的本专科毕业班学生使用以及自学使用。此外,还配有教学资料光盘,以及分层次、系统的实验指导书。实验系统构架如图1所示。由于嵌入式系统涉及的知识广、综合性强和应用性强,且软硬件技术不断革新,这就需要授课老师具有一定的项目开发经验。而本套实验箱正是由授课老师参与研发,对于一些新进的通信类教师也开放学习与研究。在对嵌入式实验平台有个系统的认识之后,遇到突发问题也可以及时解决,这大大降低了教师的授课难度,提高了实验课效率。
3实验教学设计
结合理论教学,嵌入式系统实验的重点放在软件的开发上。充分考虑到嵌入式软件系统的结构、开发内容和方式的特殊性,从而设置多种配置方案、多层次实验项目的实验教学内容。学生边学习理论知识,边进行实验操作,设置一些基础型和模块化的实验使其对原理有更透彻的认知。当学生理论知识积累到一定的程度,可通过设置综合型的实验使学生进行系统学习与提高。此外,为了达到学生自主创新能力提高的目的,创新型实验的设置也必不可少。减少基础型实验,同时增大综合型和创新型实验的比例,并加入可选项,学生可根据自己的能力兴趣,自主制定实验内容。另外,为了适应本专业学生的培养,除了需要掌握嵌入式系统基本的方式方法之外,还在综合型实验中设置了较多通信类实验课程。这样,学生在实验过程中,由浅到深、由基础到综合地进行实践操作,符合渐进性的教学规律。为了解决课时少的问题,设置了一部分课外可操作的实验,使一部分有兴趣而不满足于课内学习设计的学生有更广阔的学习时间与空间。
3.1基础型实验基础型实验多为验证型实验,其目的是为了让学生掌握基本的理论知识以及嵌入式软件的一般开发流程,熟悉开发工具与开发环境,为之后的综合型实验和自主创新型实验做好准备。这部分实验指导书较详细,学生能够扎实地掌握嵌入式系统的基本软件开发知识。基于本实验系统设计的基础实验主要如下。aDS环境下的汇编指令实验。本实验介绍了aDS环境下用汇编语言进行编程和调试的一般流程,以及使用汇编语言实现对Gm8180开发板进行初始化的方法。目的是为了让学生熟悉和掌握aDS开发环境。建立Linux虚拟机及熟悉常用命令实验。通过本实验,学生需要掌握如何在windows系统下面搭建Linux服务器,并学会基本的Linux命令和操作。Linux交叉编译平台实验。通过在Linux下建立交叉编译平台和使用交叉编译平台编译源代码的方法,使学生熟悉和理解交叉编译的原理和概念,学会建立Linux交叉编译平台。程序下载烧写实验。本实验介绍了配置和编译BootLoader(aRmBoot)和Linux内核的方法,从而学生可以掌握下载编译好的BootLoader(aRmBoot)和Linux内核的方法以及建立nFS文件系统的方法。mount挂载(nfs/usb/sd)实验。通过本实验,学生能掌握配置linux下nfs服务的方法和mount挂载usb/sd的方法。
3.2综合型实验综合性实验旨在培养学生的综合设计能力。根据之前的理论教学与基础性实验的练习,综合所学知识,具备基本的软件开发能力。这部分教学实践实行“教师逐步放手,学生动手去做”的原则,故实验指导书编写得简明扼要。为了达到综合培养的目的,既要包括多方面的知识与设计要求,又要有空间让学生自己发挥。aDS下混合编程。本实验让学生熟悉和掌握在aDS环境下C语言和汇编语言的混合编程和调试,巩固使用aXD和mulit-iCe调试的方法。C语言程序设计与串口通信实验。通过本实验,学生可以掌握在aDS环境下的操作和JtaG的下载和调试,掌握使用C语言对Gpio端口控制。Gpio驱动实验、i2C驱动实验。在理解Linux驱动程序的结构、原理和i2C协议的原理,掌握Linux驱动程序的编程的基础上,学生能够掌握Linux动态加载驱动程序模块的方法。图像合成实验。本实验要求学生具有图像合成的知识,熟练进行实验设备的连接和调试、寄存器的设置,能够修改配置文件,深入理解图像合成的原理。mmC/SD驱动实验。在学生掌握了mmC/SD卡接口的基本原理、mmC/SD驱动的结构以及SD卡的挂载的方法和测试方法后,能够配置、编译Linux内核,在实验箱上烧写Linux内核,建立nFS文件系统,并运行测试程序进行SD卡的读写。视频网络传输实验。学生在了解了视频网络传输协议工作过程及原理之后,学会在ip网络中实现视频传输的方法。web服务器实验、单Server多Client实验。在本实验之前,学生已经熟悉了web服务器原理及工作过程,通过路由器将实验箱和pC机连接,编写简单的服务器代码,在pC机上运行ie浏览器,能够查看网页服务器是否运行;以及熟练开启Linux,能向多个客户端发送视频数据。远程控制视频实验。本实验要求学生理解远程控制的原理,通过本实验掌握在windows下tCp客户端建立及通信的过程,及Linux下tCp服务器建立及通信的过程。
3.3创新型实验在嵌入式系统的应用领域里,嵌入式软件已经逐渐成为嵌入式产品设计创新和增值的关键因素,所以实验教学应侧重于软件实践和创新。理论和实践要相结合,而学生的创新能力要着重培养。针对本实验系统的可开放性,设计了一些具有创新型的实验,比如修改内核的内部代码,从而能使学生深入理解实时操作系统的一些机制,加深对理论知识的理解与巩固。再加上指导教师对实验系统原理的熟知,即使学生在操作的过程中导致实验系统瘫痪也能及时得以解决,让学生放心大胆进行实践设计。在实验课堂上,学生难免会依赖于实验设备以及教师的指导而缺乏自主思考的动力,再加上实验室开放场地和时间的限制,要在有限的时间和空间里完成自主创新设计有些困难。课程选用aRm处理器+Linux操作系统的主流配置,学生可以在课外利用pC机上的Linux进行代码编写,可行之后再利用实验箱进行验证。这样,一方面可以减少场地和时间的限制,加强学生对所学知识渗透性的认知,另一方面提高了学生自主学习能力,培养其创新能力。基于此,在课程设置上,加进了学生自主安排时间。
3.4课外实践鼓励学生参加院校级“建龙基金”、“运河杯”等课外科技立项活动。活动基金提供实验平台,而通信类学生可以根据自己的兴趣与长处设立通信网络与设备等的项目计划,申请资金设备并在导师的同意后获得实验室开放资源。此外,通过组织学生参加省级、部级电子设计大赛及其他各种嵌入式应用型竞赛,让感兴趣、学有余力的学生得到更好的实践与创新能力锻炼的机会。
嵌入式系统的基本原理篇6
关键词：Linux；操作系统原理；嵌入式系统；课程群建设
Linux作为一款开源操作系统已经成为it界的主要平台之一。为了使计算机专业学生的培养更加符合市场需求，从2005年开始，我国高校逐步开设了Linux类课程[1-3]。在课程开设之初，以介绍Linux操作系统的管理和使用为主，如Linux操作命令、Linux用户管理、Linux网络管理等。随着课程建设的发展，一部分高校开始开设以Linux操作系统为平台的编程课程，如Linux的C语言程序设计、Linux网络编程等。
现阶段我国高校对于Linux课程的建设并不均衡，一部分高校已经走到了课程建设的前列。如北京大学针对计算机专业本科生，不仅开设了Linux编程类的课程，还开设了实时嵌入式操作系统等与Linux操作系统相关的课程。但在大部分普通高校中，Linux类课程还是作为选修课程供计算机专业学生学习，如笔者所在的高校，从2009年开始才设置一门“Linux程序设计”课程。
基于Linux的快速发展，Linux操作系统、基于Linux平台的软件在越来越多的企业得到应用。能否熟练使用Linux操作系统以及在Linux操作系统平台下进行软件的设计和编程，已经成为了不少企业要求计算机专业学生的必备素质。这也对计算机专业的大学教师提出了挑战：如何对学生进行培养，使得学生能够适应企业需要。普通高校的Linux课程体系已经不能适应形势，需要进行教学改革。借鉴国内外一流大学在Linux课程的教学内容和实验方法，结合本校计算机人才培养目标，我们提出了“Linux课程群”建设思路，并进行了教学实践。
1国内外一流高校相关课程教学情况
在欧美国家，由于Linux已经成为一门最普遍的教学平台和工具。在计算机专业本科教学中，一流高校并没有设置专门的Linux课程。麻省理工学院和斯坦福大学的课程设置只是在操作系统类的课程中讲授Linux原理，如虚拟内存管理、ia32体系结构、虚拟文件系统等。
我国不同高校在Linux课程群的设置各不相同。如清华大学对于计算机专业本科学生没有设置专门的Linux课程，而在北京大学计算机专业本科课程设置中按照专业方向设置了Linux课程，如图1所示。
“1-3-3操作系统”介绍了Linux操作系统原理，包括进程管理、存储管理、设备管理、文件系统和驱动程序；“1-3-4操作系统实习”主要包括在Linux操作系统上进行模块编程、Shell编程及存储系统编程等；“1-5-10实时嵌入式操作系统”主要讲授µ-CLinux在嵌入式系统的应用；“1-6-5Linux程序设计”作为一门选修课主要讲授了Linux平台下的文件编程和网络编程等。
可见在这类课程中，国内外的教学方式和内容完全不同。国外由于Linux已经十分普及，并不需要开设专门的Linux课程，只需要在操作系统课程中讲授Linux的原理。而在我国，由于Linux普及程度不高，各层次高校都比较注重Linux课程的教学。但是各个学校根据学生的生源情况，Linux课程的教学侧重点也不一样。一般而言，普通高校学生很难适应国内著名高校的Linux课程的教学内容。为了提高普通本科高校计算机专业学生的就业能力，亟待建立普通高校Linux课程群[4-5]。
2Linux课程群建设思想
随着操作系统的发展和社会对计算机人才需求的提高，原有的操作系统课程已经不能完全适应学生的需要。仅开设一门“操作系统原理”只能让学生了解和掌握操作系统最基本的理论知识，而且因为课时的限制，在课程的讲授过程中，也无法过多的对一款实际的操作系统进行介绍和分析。在与本校计算机专业学生进行交流后发现，学生普遍反映该课程不能与时俱进，也没有与windows、Linux操作系统相关联；而且学生普遍对Linux课程有浓厚的学习兴趣。结合本院实际情况，我们有必要在“操作系统原理”课程基础上，增开Linux类课程，而且有必要将Linux有关课程建设成课程群，作为一个完整的课程体系进行教学。因此，从2009年开始，我们提出了“Linux课程群”的建设方案，并在具体的教学过程中进行了实施。
2.1Linux课程群目标
由于“操作系统原理”是计算机专业核心的课程之一，作为其后续课程的Linux课程群必须在计算机专业学生已经掌握了最基本操作系统原理的基础上开设。结合我院计算机专业学生的实际情况，我校Linux课程群的建设目标是：在学生掌握操作系统原理的基础上，提高学生对于具体操作系统――Linux的认知水平和软件设计能力，建立整套Linux操作系统概念，使其适应市场和企业的需求。具体包括以下几个方面：
1)了解和掌握最基本的Linux操作系统原理，加深对操作系统原理的理解；
2)阅读一定量的Linux内核代码，了解Linux内核的实现方式；
3)掌握Linux的各种命令，熟练使用Linux操作系统；
4)能够在Linux操作系统上进行Shell、模块、C和网络编程，提高学生基于Linux的编程能力；
5)学习嵌入式系统相关课程，了解Linux在嵌入式领域的应用。
2.2Linux课程群建设思路
在普通高校开设Linux类课程，不仅要考虑到课程的实用性，还要考虑普通高校计算机专业学生的生源。虽然Linux作为一门工具在国外已经非常流行，但我们对于国外大学的Linux和操作系统类课程不能生搬硬套；由于国内高水平大学的学生生源好于普通高校，其Linux课程设置偏重于Linux原理和Linux内核分析，这对于普通高校学生在学习和理解上存在着很大的困难。
因此，结合普通高校的实际情况，我们提出了如下Linux课程群建设思路。
1)Linux课程群的地位。
“操作系统原理”作为计算机专业核心课程已经开设多年，但是其后续课程的开设却没有明确的规划，只有部分高校开设了基于windows编程或基于Linux编程的课程。我们提出的Linux课程群是“操作系统原理”课程的后续课程群，是对该课程的扩充和深入。在Linux课程群中包含了必修课程和选修课程，通过必修课程和选修课程构成完整的Linux课程群体系。
2)以市场需要为向导，开设适合的Linux类课程。
在Linux课程群建设过程中，要以市场需求为向导，以学生素质为基础，开设合适的Linux类课程。计算机专业学生通过Linux课程群的学习，掌握基本的Linux管理、开发技能，具备it企业和科研院所对于计算机人才素质的要求。
3)项目驱动。
在Linux课程群建设过程中，并不是简单讲授Linux原理。课程群中的各门课程是相互联系，有前驱课程和后续课程。建设以项目为驱动的Linux课程群，使学生在学习Linux课程群之初，首先确定通过Linux课程群学习后必须完成的综合项目。将项目实施带入课程学习过程中，在不同的学习阶段，完成项目的某个部分。比如，通过Linux课程群中必修课程的学习，学生完成项目的需求和整体设计；然后学生通过选修课实现各个模块。
4)选取适合于普通高校计算机专业学生的教材。
考虑到普通高校计算机专业学生的实际情况，选择适合于普通高校学生的教材是很有必要的。在教材的选取过程中，基于以下三点原则：第一，所选取教材必须具备时效性，即教材中的知识点不能过于陈旧；第二，所选教材应理论性和实践性并重；第三，所选教材在难易程度上应该适合普通高校计算机专业学生。
5)重视实验教学环节。
实验教学环节是Linux课程群建设过程中十分重要的步骤。学生通过完成基于Linux各类基础实验，锻炼自身的动手能力，加深对Linux的了解。Linux课程群的各门课程均设置了大量的实验课时，平均实验课时占总课时的40%左右。而且在实验教学环节，并不是简单的代码操作，各门课程均开设了符合课程内容的实验教学内容。
3Linux课程群设置
在“操作系统原理”和“数据结构”课程的基础上，开设Linux课程群。课程群包括四门课程：Linux操作系统原理与实践，Linux分析与编程，嵌入式系统原理和嵌入式Linux编程。图2显示了Linux课程群与“操作系统原理”、“数据结构”课程之间的关系及课程群中各门课程的相互联系。图中的箭头代表课程开设在时间上的先后顺序。
这四门课程并不同步：学生首先通过学习“Linux操作系统原理和实践”，了解和掌握Linux各个模块的实现原理；然后通过实验单元去熟悉和使用Linux环境，并开设适当的模块编程实验单元。其次，开始学习“Linux分析与编程”和“嵌入式系统原理”。前者系统地讲授在Linux环境下的进程编程、文件编程以及网络编程，使学生掌握最基本的Linux编程技能；后者系统地讲授嵌入式系统的概念、各个组成部分(硬件部分+软件部分)、原理以及典型的嵌入式系统，使得学生掌握基本的嵌入式系统知识以及相应开发工具的使用。由于嵌入式Linux也是Linux非常重要的分支，在第4学年开设“嵌入式Linux编程”，课程不再阐述基本的Linux编程技能，着重讲解嵌入式Linux在嵌入式系统上的应用，通过案例的学习让学生具备在aRm9+嵌入式Linux平台上进行软件开发的能力。
4Linux课程群建设实践
在建设Linux课程群的过程中，如何把握各门课程内容的讲授以及各门课程之间的衔接是最为重要的。我们在Linux课程群建设之初，通过充分的论证，提出了Linux课程群各门课程的性质、开设学期、理论授课学时和实验学时，如表1所示。
4.1Linux课程群各门课程的讲授内容
1)Linux操作系统原理与实践。作为Linux课程群中的必修课程着重于Linux操作系统基本原理的讲授。其中以Linux内存管理、进程控制和调度、文件系统以及驱动程序的基本概念为主。
通过讲授内存管理单元，使得学生掌握Linux的分页机制、请页机制、进程用户空间管理。
在进程控制和调度单元中，主要讲授进程控制块、进程调度和进程控制，其中进程调度是本单元的核心模块，在进程调度的讲授过程中，不仅需要讲授Linux进程调度的原理、时机，还要讲授Linux进程调度的依据，最后通过指导学生阅读Linux调度函数schedule()，让学生将Linux进程调度原理运用到实际项目实施中，不仅加深了学生对于Linux进程调度原理的理解；并且通过指导学生对Linux内核代码的阅读，将学生带入到Linux内核模块编程阶段。进程控制和调度单元没有涉及对于进程的编程，在后续的课程中将系统讲授Linux进程的编程。通过文件系统单元，讲授虚拟文件系统知识点和Linux对于文件系统的基本操作。
在驱动程序单元中，主要讲授Linux的驱动程序基础、字符设备驱动程序以及块设备驱动程序的基本框架。此单元中没有实际开展驱动程序设计，仅作为与后续课程的衔接部分。
2)嵌入式系统原理。由于嵌入式Linux操作系统是业界最流行的嵌入式操作系统之一，“嵌入式系统原理”课程具有很强的现实性。它作为Linux课程群中的必修课着重于嵌入式系统基本原理的讲授。其中以嵌入式微处理器、存储系统、输入与输出子系统和嵌入式操作系统为主。
嵌入式微处理器单元以讲授aRm920t处理器状态、处理器模式、内部寄存器和aRm指令集为主；存储器单元讲授了Rom、Ram、norFlash和nanDFlash的功能模块、接口电路及工作模式；在输入\输出单元中主要讲授了复位电路和时钟电路的设计；嵌入式操作系统单元讲授经典的嵌入式操作系统μC/oS-ii和嵌入式Linux的体系结构与移植。
3)Linux分析与编程。作为“Linux操作系统原理与实践”后续选修课，在学生掌握基本的Linux原理的基础上，教师从以下三个方面向学生讲授Linux环境下编程：文件系统编程、进程编程和网络编程。通过文件系统编程和进程编程与“Linux操作系统原理与实践”课程衔接；以网络编程作为授课重点，使得学生掌握基于tCp协议、UDp协议和ip协议的编程。在网络编程讲授过程中通过具体的实例代码，如基于tCp协议的文件传输、基于UDp协议的广播信息等。
4)嵌入式Linux编程。在学生掌握基本的嵌入式系统原理和Linux环境下编程的基础上开设的此专业选修课程。课程中以嵌入式Linux为基础，通过嵌入式Linux环境下的应用程序和简单的驱动程序的讲授，使得学生能够在嵌入式Linux环境下进行基本的程序开发。
4.2Linux课程群各门课程的实验教学环节
1)“Linux操作系统原理与实践”在实验教学环节上与理论教学内容紧密结合。实验部分共分为以下几个模块：Linux系统管理、Linux进程控制、Linux模块编程、Linux下pro文件系统编程和Linux下简单驱动实践。实验部分基于Linux内核，且各个单元具备延续性。通过实验教学环节加深学生对于Linux操作系统的理解，并且掌握基本的Linux内核编程技能。
2)“Linux分析与编程”实验教学环节采用C语言在Linux平台下进行文件操作、进程操作和网络编程。如文件上单词的统计、哲学家问题的实现、大文件的网络传输等。
3)“嵌入式系统原理”和“Linux分析与编程”课程的实验环境是由博创科技公司出品的Up-netaRm2410-S开发平台。其中主要的实验教学单元有：μC/oS-ii操作系统的移植、嵌入式Linux操作系统的移植、嵌入式Linux应用程序的烧写、bootloader程序的编制以及简单驱动程序的编制。
5结语
Linux作为一款流行的操作系统，计算机专业学生掌握Linux的管理和编程是十分必要的。如何使得学生在大学学习期间掌握基本Linux管理和编程技能，达到企业的能力要求是大学计算机专业教师必须思考的一个问题。经过近几年的教学实践，我校Linux类课程从无到有，从单一课程到课程群的发展，取得了一定的教学成绩，学生对Linux课程群也表现出极大的热情。Linux课程群的建设不仅需要考虑其在整个计算机课程中的地位，还要考虑到与其他计算机课程的衔接。本文详细介绍了普通高校Linux课程群的建设，指出了Linux课程群各门课程与其他课程的关系，并对Linux课程群各门课程的理论教学环节和实验教学环节做了充分的阐述。相信通过Linux课程群的教学实践，可以使学生掌握Linux这一利器，提高学生的综合能力。
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ConstructionofLinuxCoursesGroup
HUtao1,wanGting2,LUoHaojia1,ZHULi1
(1.Schoolofinformationengineer,HubeiUniversityfornationalities,enshi445000,China;
2.Schoolofinformationmanagement,wuhanUniversity,wuhan430072,China)
嵌入式系统的基本原理篇7
摘要：本文以社会对嵌入式人才的需求为基础，对嵌入式系统及应用课程的特点、教学方法和经验进行了总结，主要分析了嵌入式软件开发模式。
关键词：嵌入式系统，启发式教学，嵌入式软件开发，实验系统设计
中图分类号：G642
文献标识码：a
1课程特点介绍
目前国内高校大多已开设和嵌入式系统有关的各种课程，以电子科技大学为例，自20世纪90年代中期开设嵌入式实时操作系统课程以来，以“科研促教学”为国家培养了一大批嵌入式系统方面的高级人才，并撰写了多部嵌入式方面的书籍和教材。目前该课程发展为“嵌入式系统及应用”，本课程坚持理论、实践相结合的原则，特别重视对学生实际应用能力的培养。本文首先讲述了该课程如何结合现实生活激发学生对课程的兴趣，以及如何使用启发式教学方法提高教学质量，接着重点讨论本课程在注重实践、培养应用型人才方面所采用的一些方法和经验。
2结合现实生活激发学生的学习兴趣
计算机科学与技术的发展日新月异，新技术、新方法、新产品层出不穷。学生经常对所学的课程产生疑问，一方面社会上也流传今天的计算机教育是“用昨天的知识教今天的学生去做明天的事”。另外，学生对这样一门较新的学科不是很了解，不明白它的重要性，所以一些学生缺乏学习动力，学习的积极性不高。爱因斯坦曾经说过：“兴趣是最好的老师”。为了调动学生学习的兴趣，嵌入式系统及应用课程的第一节课我们安排的教学内容是：嵌入式计算机的发展史和未来发展趋势。目的就是要让学生知道，嵌入式计算机与通用计算机一样积累了大量的理论、技术和工程实现的经验。并以图片方式告诉学生嵌入式计算机跟我们的生活息息相关，它们在不断地为我们的工作和生活服务，同时让大家充分发挥想象力对“后pC时代”进行美好的憧憬和遐想。然后，告诉大家在这样“无处不在”的计算机时代里嵌入式计算机的作用和重要性，即它们是本学科理论和技术的精华，是几代计算机人经验的结晶，是创新的源泉。当代计算机技术的进步以及高性能的获得，与创造性的应用技术是分不开的。科学技术的进步，人类的创造发明，嵌入式计算机的“无处不在”，激起了学生对嵌入式系统的浓厚兴趣，使学生有了学习的动力，从而“教”与“学”都成为一种享受。
3用启发式教学方法提高课堂教学质量
孔子说过：“不愤不启，不悱不发”。意思是学生不到想求明白而不得的时候，不去开导他；不到想说说不出的时候，不去启发他。启发式教学的真谛就是要充分体现学生在教学过程中的主体地位，活跃课题气氛，激励学生主动思考，使课堂达到“师生互动”的完美效果。听课时，学生感觉到已知中有疑问，这种疑问便成为认知的起点，从而由产生疑问向解决疑问的方向转化。
所以，我们在嵌入式系统及应用课程的教学中大量使用启发式教学方法，让学生带着疑问听讲，最大限度的吸引学生注意力。比如，在讲到嵌入式实时操作系统通常会出现“优先级反转”的严重问题时，首先分析问题产生的原因，并列举历史上曾因为此问题而导致的严重事故，然后向大家提问“谁有最好的方法来解决这个问题？”这时发现同学的兴趣非常高昂，个个都在冥思苦想，紧接着就会有同学举手回答。不管同学回答的是否正确都应该给予最大的鼓励和掌声，从而就会有更多的同学抢着回答自己的想法，这样课堂就“互动”起来了。最后再逐步推出当前比较成熟的经典解决算法，同时将大家的想法和现有的算法进行对比分析，找出各自的优缺点。另外，不要忘记给想法比较好的学生多一些夸奖，这样他们学习和思考的兴趣就会更加高昂。
这种教学方法学生非常喜欢，一致反映容易理解，记忆深刻，而且有利于培养学生独立思考和解决问题的能力。
4注重实践、培养应用型人才
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。结合嵌入式系统的特点，在教学过程中，对嵌入式系统涉及的硬件和软件部分进行详细阐述，确立以教学实验板为物理基础，以软件应用设计开发为主的指导思想，结合市场需要设计出多个综合实验题目；同时还组织学生参加相关的大学生嵌入式设计大赛，激发学生的学习热情和潜在能力。为了促进学生在校期间工程实践素质的培养，提高学生的动手能力和软硬件设计的综合能力，消除大学生就业过程中理论脱离实际的尴尬场面，在教学过程中我院始终坚持方法、能力和品质的培养，积极鼓励、引导有能力的同学结合课程提出课题，参加有关竞赛甚至提前进入我们的科研团队，从而使优秀的人才脱颖而出。
5课程实验设计
为了让学生理论联系实际，尽快熟悉嵌入式系统的开发过程，并达到能够独立开发嵌入式软件的目标。本课程的实验系统特定针对当今非常流行的嵌入式处理器而开发了3套实验系统，该实验系统使用开源的嵌入式实时操作系统µC/oS-ii。
5.1嵌入式软件开发模式
嵌入式软件的开发模式为交叉开发模式。交叉开发指嵌入式系统软件的开发由宿主机和目标机共同完成。如图1所示。
宿主机(Host)：是用于开发嵌入式系统的计算机。一般为pC机(或工作站)，具备丰富的软硬件资源，为嵌入式软件的开发提供全过程支持。
目标机(target)：即所开发的嵌入式软件系统，是嵌入式软件的运行环境，包括嵌入式操作系统、嵌入式应用软件，其软件是为特定应用而定制的。
通过交叉开发工具进行交叉编译和调试，做过调试和测试的最终程序通过工具“固化”到目标机上，从此该程序就永久运行于目标机了。
5.2基于µC/oS-ii的实验系统设计
嵌入式系统及应用课程的教学内容与实验密不可分，由于嵌入式软件开发方式的特殊性，实验的开设有一定难度，需要特殊的软硬件环境。结合课程内容，我们设计了软、硬件两种平台搭建实验和7个综合软件开发实验，覆盖了课程所讲述的主要章节。实验系统采用开放源代码的嵌入式实时操作系统µC/oS-ii。
5.2.1实验内容
第一部分：平台搭建实验
(1)软件平台的搭建。实验使用的嵌入式软件开发工具是科银京成公司的LambdatooL嵌入式集成开发工具。本部分实验要求学生自己动手安装并熟悉此工具，同时搭建基于此工具的交叉开发环境。本实验使学生对嵌入式开发工具及交叉开发模式进行更为深入的认知和学习。
(2)三个硬件平台的搭建。为加强学生对当今流行的嵌入式处理器的学习以适应社会需要，本实验系统采用三种实验平台：基于×86系列的pC虚拟实验平台，基于aRm7-tDmi处理器的w90p710开发板实验平台，基于SH3-7709S微处理器的清华YU-SH3-VeR2开发板实验平台。通过这部分实验使学生对嵌入式系统的硬件知识有更深入和直观的认识。
第二部分：软件开发实验
本部分实验考查各章节知识的学习情况，并将各章节所学知识进行实践开发；锻炼学生的综合应用能力和嵌入式软件开发能力。本部分实验根据各章节内容共设计了7个实验题目。
5.2.2实验环境介绍
(1)硬件环境
实验硬件环境分为宿主机、目标机两种硬件平台。
(1)宿主机：为X86系列的pC机，主频2.5G，内存512m
(2)开发板：
l基于X86系列pC虚拟平台
l基于aRm7tDmi处理器的w90p710开发板
l基于SH3-7709S微处理器的清华YU-SH3-VeR2开发板
(2)软件环境
(1)宿主机操作系统：windowsXp/2000
(2)目标机操作系统：嵌入式实时操作系统µC/oS-ii
(3)开发工具
本实验系统所采用的嵌入式开发工具是科银京成公司自主研发的LambdatooL集成开发环境的教学免费版本。LambdatooL是一个通用、统一、开放的新一代32位嵌入式软件集成开发环境，支持多种嵌入式操作系统和32位嵌入式处理器，具备先进的新一代交叉开发环境和系统配置工具。该教学版本具备支持嵌入式软件仿真开发的完整功能，包括：编辑环境、系统配置、编译环境、目标机管理和调试环境。
5.3软件开发实验
为培养学生的综合应用能力和嵌入式软件开发能力，同时锻炼学生的团队协作能力和管理能力，本部分实验提供了7个综合实验题目。学生以3个人为一个小团队，为锻炼同学们的团队管理能力，每个小团队推举一位负责人，负责安排每个人的分工和进度管理，并及时向老师汇报实验进展情况和存在的问题。综合实验题目的设计紧扣教材，进一步巩固所学知识，7个实验的内容为：
1.任务管理实验
实验目的：理解任务管理的基本原理，了解任务的各个基本状态及其变迁过程；掌握µC/oS-ii中任务管理的基本方法(创建、启动、挂起、解挂任务)；熟练使用µC/oS-ii任务管理的基本系统调用。
2.优先级反转实验
实验目的：掌握在基于优先级的可抢占嵌入式实时操作系统的应用中，出现优先反转现象的原理。
3.优先级继承实验
实验目的：掌握嵌入式实时操作系统µC/oS-ii解决优先级反转的策略――优先级继承的原理。
4.哲学家就餐实验
实验目的：掌握在基于嵌入式实时操作系统µC/oS-ii的应用中，如何使用信号量资源。通过经典的哲学家就餐实验，了解如何利用信号量来对共享资源进行互斥访问。
5.内存管理实验
实验目的：掌握嵌入式实时操作系统µC/oS-ii内存管理中内存分配和回收的功能。
6.时钟中断实验
实验目的：掌握嵌入式实时操作系统µC/oS-ii。
7.消息队列实验
实验目的：掌握嵌入式实时操作系统µC/oS-ii中消息队列机制的基本原理和使方法。本文仅以实验2为例讲述综合实验的设计内容。
5.4优先级反转实验的设计内容
1)．优先级反转原理
在本实验中，要体现嵌入式实时内核的优先级抢占调度的策略，并显现由于共享资源的互斥访问而出现的优先级反转现象。
优先级反转发生在有多个任务需要使用共享资源的情况下，可能会出现高优先级任务被低优先级任务阻塞，并等待低优先级任务执行的现象。高优先级任务需要等待低优先级任务释放资源，而低优先级任务又正在等待中等优先级任务，这种现象就被称为优先级反转。
2)．设计要点
1)设计了3个应用任务ta0～ta2，其优先级逐渐降低，任务ta0的优先级最高。
2)除任务ta1外，其他应用任务都要使用同一种资源，该资源必须被互斥使用。为此，创建一个二值信号量mutex来模拟该资源。虽然μC/oS-ii在创建信号量时可以选择采用防止优先级反转的策略，但在本实验中我们不使用这种策略。
3)应用任务的执行情况如图2所示：
图2应用任务执行情况
注意：图中的栅格并不代表严格的时间刻度，而仅仅表现各个任务启动和执行的相对先后关系。
3)．本实验中所涉及的µC/oS-ii相关资源和知识
本实验涉及到µC/oS-ii的任务和信号量两种内核资源的使用，并充分体现了基于优先级可抢占式的调度方式和资源互斥访问的重要性。这些知识都是进行嵌入式软件开发最常用的基础知识，通过本实验的学习，锻炼了学生的嵌入式软件开发能力。
6组织学生积极参与嵌入式设计大赛
本课程组组织并指导学生积极参加嵌入式相关的各类比赛。自2003年起，本课题组组织学生分别参加了两次“全国大学生嵌入式专题竞赛”和“全国大学生电子设计竞赛”，并分别获得了两次国家二等奖和一次国家一等奖、一次四川赛区一等奖的优异成绩。不仅为学校取得了荣誉，还充分锻炼了学生的大赛能力、学习能力和创新能力。
ResearchandpracticeonteachingembeddedSystemandapplications
abstract:thispapersummarizedthefuturesandteachingmethodsandexperiencesofthecourseofembeddedSystemandapplications.weanalyzethemodeofembeddedsoftwaredevelopment,andmostlyexplainthedesignanddevelopmentoftheexperimentationsystem,whichwillimprovethepracticeabilityofembeddedapplication.
Keywords:embeddedsystem,elicitationteaching,embeddedsoftwaredevelopment,thedesignofexperimentationsystems
参考文献
[1]罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发[m].北京航空航天大学出版社,2005.
[2]王丽芳.计算机组成原理教学研究与实践[J].计算机教育,2006,(4).
嵌入式系统的基本原理篇8
【关键词】嵌入式;系统;aRm;硬件系统
前言
嵌入式系统在信息技术处理以及通信技术上有着先进性，基于aRm的嵌入式系统硬件更具有系统精简、针对性强的优势。嵌入式系统具体要做好的就是处理器、接口、针对性设计以及软硬件协作处理这四个方面。
一、嵌入式系统原理综述
基于aRm视域下的嵌入式系统在计算机系统中具有特殊性，嵌入式系统的构成基本上包含着硬件系统设备平台、aRm操作系统以及嵌入式的应用软件。嵌入式的系统能够集硬件与软件为一体并具有独立工作的效果，在相关的硬件系统中有的设备平台和一般的计算机处理器一样有着储存器和处理器这两种输入和输出的设备，这些共同构成了潜入式系统的基本硬件。
基于aRm的嵌入式系统与一般的计算机系统不同，它的容量和信息储存没有繁杂的截至，更多的属于山村。在嵌入式的操作系统在系统信息处理中占据主体地位，嵌入式系统的信息处理和功能调整控制是嵌入式系统操纵的主要方向，嵌入式的操作系统是嵌入式的系统软件处理运行的基础，能够更好地实现和完善嵌入式系统的应用和开发。
它有着以下两个主要特点。
（一）系统精简
嵌入式的系统融合了先进的计算机技术并吸取了电子行业的经验和现金技术，让其成为高效高能的集成系统，它形成了一个良性的发展模式，在相应的行业中不断吸收先进的经验来完善自身。
（二）针对性强
嵌入式系统更偏向于定向设计，在使用上更具有针对性和专业性。嵌入式系统能够按照用户的需求来提升自身的性能，它不仅有较小的体积还具有很大的集成能力，有利于集成系统的丰富和发展。
二、基于aRm嵌入式的系统硬件设计
嵌入式的软件和程序运行都需要嵌入式的系统硬件来支撑，是整个操作可行的基础，也是系统的支架。嵌入式系统硬件为嵌入式系统的功能发挥提供良好的运行基础，基于aRm视域下的嵌入式系统硬件设计要对以下几个重点进行把握。
（一）处理器设置
基于aRm视域下的嵌入式系统硬件在处理器上有自身特有的优势，它的处理器不仅有着较小的体积，消耗的资源能源较低，同时还有较好的性能和保护系统。所以aRm的嵌入式处理器在网络产品中运用得十分广泛。处理器是硬件系统中较为重要的一个环节，它是系统运行的核心，针对处理器的设计要注重性能、质量以及保护，要摒弃繁杂的成分，不断提升处理器的运用效率，从而实现整个系统的高效使用。
（二）接口设置
嵌入式的硬件系统需要选择合理的配件，各个硬件之间的连接和组合都要做到优化，从而让个配件之间的配合取得良好的效，能够有效地提升运作质量和效率。接口的设计要注重巧妙和灵活，尽量小化，要符合嵌入式的特点。通过设计较为精简的接口，可以有效地保证硬件系统运行的稳定性和持续性。针对嵌入式系统最好的接口设计要能够完美地将处理器和接口连接在一起，达到无缝的效果。的电路要尽量精简，不仅能够有效地节省成本，还能够适当地压缩硬件系统的体积。
（三）针对性设计
基于aRm的嵌入式硬件系统，要根据实际需求来进行设计，不同的用户和项目有着不同的设计需求。最基础的目标是嵌入式系统设计，其他的各项设计都是围绕这个基础展开并继续进行的。因为嵌入式硬件系统有着使用周期长的特点，所以在设计上要对系统的软件和硬件升级等各个方面要考虑，从而实现整体系统迎合实际需要。在正式的系统设计投入运用前，要现行试验程序的配置和模拟运行，通过调试来不断改善针对性设计从而真正地满足用户和项目的实际需求，更好地为系统运行服务。
（四）软硬件协作处理设计
嵌入式的硬件系统运行还需要有对应的软件来配套，硬件要进行周密和详细的设计与分析。嵌入式在设计过程中经常使软件硬件共同配套进行，刚开始的设计要注重对软件和硬件的功能进行划分，根据软件硬件的功能来固定区域，利用部分带动整体的效果，将硬件软件系统在功能区域划分之下实现设计嵌入式系统的优化组合。软件和硬件的功能划分区域需要在嵌入式系统中相互融合达到协作的效果，达到最佳效益的嵌入式系统组合，让整体的功能和效益得到最大价值的发挥。
图1
总而言之，嵌入式系统的设计具有整体性和系统性，基于aRm的嵌入式系统设计需要注重整体功能和作用的设计。系统的开发和运行是一个不断创新的过程，嵌入式的硬件系统在发展中体现出复杂多变且与互联网生存息息相关的方向，嵌入式系统的发展正逐步走向更高的领域。例如，嵌入式的处理器CS89712，它是由CirrusLogic公司出品的基于aRm的嵌入式处理核16/32位处理器，它所采用是即具有较高性能32位的RiSC结构，主要为消耗能源低、工业控制设计的移动通信的SoC芯片。该新片的构建逻辑是基于aRm702t的处理器，带有8K字节4路联合设置集高速缓存与写缓冲器为一体的，并具有64个入口tLB的mmU。构建设计如图1所示。
三、结语
计算机技术在不断地发展，嵌入式系统凭借其优势更广泛地应用于计算机系统处理，从目前来看，嵌入式系统具有较好的发展前景和上升空间。嵌入式的灵活性和嵌入型强的优势使其在电子系技术上更好地迎合社会的需求。
参考文献
[1]王维新.基于aRm的嵌入式系统的应用技术[J].西安文理学院学报：自然科学版，2009（07）.
[2]姚锡忠.嵌入武系统及其发展趋势的分析与研究[J].it论坛，2009（31）.
嵌入式系统的基本原理篇9
关键词：智慧农业嵌入式系统体系建设
中图分类号：G643文献标识码：a文章编号：1673-9795（2014）01（a）-0141-02
随着计算机信息技术的发展，我国传统农业正在加快向现代农业转型，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。智慧农业将农业看成一个有机联系的系统，依托嵌入式技术、感知技术、互联互通技术、智能化技术等综合、全面、系统地应用到农业系统的各个环节，使得农业系统的运转智能化、多功能，大力推进农业科技创新。
智慧农业所涉及的关键技术包括嵌入式技术、检测技术、通信技术等。嵌入式是当前发展最快、应用最广、最有发展前景的信息技术应用领域之一。目前，许多高等院校的计算机、电子、软件等专业针对市场需求，开设了嵌入式系统相关课程，也在逐步完善适应社会需求的嵌入式系统的教学体系。本文基于智慧农业背景，结合都市型现代农业开设嵌入式课程的经验，对农林院校嵌入式课程教学改革进行了探讨。
1智慧农业物联网嵌入式系统
智慧农业是最近兴起的一个概念，出现的时间很短，目前还没有一个公认的定义。中国农业大学李道亮教授认为：智慧农业是以最高效率地利用各种农业资源，最大限度地降低农业成本和能耗、减少农业生态环境破坏以及实现农业系统的整体最优为目标，以农业全产业、全过程智能化的泛在化为特征，以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流和电子化交易为主要生产方式的高产、高效、低耗、优质、生态和安全的一种现代农业发展模式与形态。
要建设智慧农业，就要依托物联网等先进的科学技术。物联网（theinternetofthings，简称iot）的概念是在1999年提出的，2005年国际电信联盟（itU）的itU互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别（RFiD）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
智慧农业物联网唯一的物联源头是嵌入式系统。随着嵌入式系统的各个领域应用需求的多样化，嵌入式技术已成为当今电子技术发展的主流。
本文基于嵌入式技术，针对农林院校计算机专业嵌入式系统方向课程体系的特点，通过一系列教学尝试，对计算机专业嵌入式系统方向的课程体系建设进行了一些探索，使学生在保证专业原有课程的基础上，根据专业方向的不同，侧重点有所差别，将智慧农业贯彻课程体系始终，使学生在软件和硬件设计方面都得到很好的锻炼，最终为都市型现代农业培养全方位的信息技术人才。
2嵌入式课程体系建设
（1）我校计算机专业嵌入式系统方向培养和教学目标。
我校计算机专业嵌入式系统方向培养目标培养侧重嵌入式软件设计开发的嵌入式系统开发人员。根据学生的接受能力，嵌入式系统的学习体现层次性、渐进性、注重实践性，尤其侧重培养在农业领域中的嵌入式系统应用能力。（图1）
嵌入式系统课程体系的设置体现“注重工程能力培养的嵌入式系统人才知识体系”，学习侧重嵌入式软件设计部分。嵌入式系统教学体系教学目标是掌握四个“1”，即“一种主流嵌入式微处理器、一门开发语言、一种嵌入式操作系统、一套开发工具”，嵌入式开发语言主要有汇编语言、C和C++语言、Java语言等；嵌入式操作系统主要有windowsCe、Linux等；集成开发工具主要有windowsCe开发工具、aDS等。
（2）嵌入式系统课程体系。
北京农学院计算机与信息工程学院自2011年设置了计算机专业嵌入式系统方向，根据自由选择的原则在大学三年级实施特定方向培养，同期购买了30套嵌入式开发实验平台设备，可实现每人一台的教学环境。
嵌入式系统课程体系大致可分为：基础课程、专业基础课以及专业课。
基础课程在大学一、二年级开设，主要学习理工科的一些基础课程，如高等数学等。
专业基础以及专业课的开设时间以及内容如表1所示。需要特别说明的是根据我校“3+1”本科人才培养模式，大学前六个学期完成的是课内学习，旨在掌握较宽厚的基础知识和扎实的专业知识，最后一学年有计划地到校内外实调基地进行为期一年的实践和实训，所以第七学期和第八学期是专业实习和毕业设计实习环节。
嵌入式导论课程：介绍嵌入式的主要应用领域、嵌入式软件开发的基本概念、嵌入式软件开发的基本流程和基本方法、嵌入式系统的特点。
嵌入式操作系统课程：介绍嵌入式系统基本知识，嵌入式操作系统与通用操作系统的差别。结合典型的嵌入式操作系统对操作系统的基本构成、工作机制、系统移植剪裁和实时任务调度等内容进行介绍。我校根据具体情况选择、Linux、winCe等嵌入式操作系统进行教学。
嵌入式程序设计基础：介绍嵌入式系统体系结构、嵌入式系统设计的基本方法、软件编程及设备接口和驱动等。通过该课程的学习，学生了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法学的概念、方法和工具嵌入式程序设计基础，掌握嵌入式系统的基本原理与设计开发思想，学生能完成简单的嵌入式系统的软硬件设计。
JaVa开发语言：介绍Java语言的体系结构、Java语言的基本概念和程序设计的基础知识、面向对象的程序设计的思路和方法。培养学生的编程能力，使学生能够运用Java语言作为完成应用程序设计。
嵌入式接口技术：介绍键盘接口、LeD显示器接口、触摸屏、通信接口、中断接口、a/D和D/a转换、aRm的JtaG接口。
嵌入式高级编程：介绍android嵌入式开发环境搭建的方法，项目结构；android的体系结构，嵌入式软件开发流程；嵌入式特性开发，多媒体开发，数据存储开发，联网开发等开发方法，学生通过实践能达到独立完成开发单机、网络嵌入式软件的能力。
3嵌入式课程实践教学
（1）层次化实验实践教学。
实验室选用Up-magic6410嵌入式实验开发平台，着重培养学生在该平台下进行嵌入式Linux程序开发的相关环境搭建与软件设计方法的能力。针对各模块以及嵌入式系统的应用背景，按照由浅入深，不同课程层次对应不同实验项目等原则，组织设计了三个层次的实验，循序渐进，逐步提高，以满足不同阶段的实验和实践需求，分别为涉及嵌入式导论的基础性实验、涉及嵌入式程序设计基础的实操性实验、设计嵌入式高级编程的提高性实验。基础性实验多以理论验证为主，在于学习方法；综合性实验和提高性实验则多以应用为主，在于提高能力。三个层次的实验教学内容，为学生提高了动手能力，进一步的实践开发和毕业设计打下了良好的基础。
（2）通过项目案例，强化实践教学。
首先，依托教师实际的科研或工程项目，教师在实验课程实施时，可以按照模块化将案例的分解到各个部分，鼓励学生对实例所采用的技术和方案进行不同角度的评价，变被动知识灌输为主动探索思考，使教学理论知识与科研实践有机地结合在一起。
其次，在设计综合课程设计等综合性实验时，结合教师实际的科研或工程项目，在强调基础性知识掌握的同时，鼓励学生创新的综合设计。使得学生既掌握了一些具体的通用的嵌入式系统的开发方法，也能发挥主观能动性，独立设计并实现较完整的嵌入式系统，激发学习、创造热情。在课程设计综合实验中，考虑到学生水平差异，按照“自由组合、自主选题”的原则，要求学生课外查找资料进一步地学习，引导学生进行主动性学习，对某些问题进行深入的分析研究，进而提出自己的设计思想，此环节中设计思想的原创性也将作为课程考核的重要内容。
（3）鼓励学生参与科研项目，注重培养创新能力。
通过项目实践来锻炼和提高学生动手能力是非常重要的。我校实行导师制指导学生，在参与教师科研项目的过程中，本科生导师负责学生在整个科研期间从理论到具体操作的各个环节的指导工作，加强了指导力度。
学生在家禽食品安全追溯系统的嵌入式系统应用项目中，教师组织学有余力的同学成立兴趣小组，直接参与到前沿的课题和项目中去，将食品安全追溯系统按照生产链的六个环节分解成若干子题目，交由各兴趣小组，模拟项目的形式实践开发，真正做到“在学中做，在做中学”，以务实的项目培养学生的实践科研能力。
（4）鼓励学生积极参与课外科技活动。
近年来，高等院校加大了学生的课外科技活动开展的力度，笔者指导的学生参与了北京市大学生科研计划，利用嵌入式平台，对温室环境等参数检测，进而对温室大棚实现智能化控制，学生在该课题中，运用所学理论知识，系统的完成了整个项目，获得了北京市大学生科研计划成果二等奖，尤其值得一提的是，毕业的学生在担任京郊村官期间，将课题成果应用于所服务的村镇，取得了良好的效果。实践证明，鼓励学生参与课外科技活动，将会拓展学生的知识体系，并学以致用，对进一步提高学习兴趣以及培养合作精神发挥了至关重要的作用。
（5）做好毕业设计及毕业实习
我校实行的是采取“3+1”人才培养模式。以往学生在第八学期进行毕业论文和实习，部分学生在校内机房根据教师给出的题目完成毕业实习和设计论文，学生如果不走出去。就无法完成理论与实践的有机结合，部分同学虽然通过实习单位的学习完成毕业论文，但是毕业设计和论文的时间和质量也难以保证。因此，我们将毕业论文提前到第七学期安排任务，进行设计、论文的前期准备及调试工作，既可以保证充分的毕业设计时间又可以提高学生专业课的学习兴趣和主动性，做到有的放矢.提高设计.论文和专业课的学习质量。
针对在校学生缺少行业背景知识这一缺点，在教学中大力开展了与企业的合作，直接把学生派到相关企业进行实习和毕业设计，使得培养的嵌入式人才能够适应企业的需要，目前我院已经建立了中软、中国农业科学院信息所等校外实习基地，并签订了相关的实习协议。一方面学生在实践工程项目中完成毕业设计和论文，综合能力得到极大的提升，另一方面用人单位在与学校合作办学的过程中也为自己培养了急需的技术人才，实行了定单式培养，最终构筑高校.学生和企业获利的共赢平台，从而实现人才培养和社会需求的无缝对接。从以往经验来看，选择嵌入式系统开发课题并能按时保质保量完成课题的的学生知识面更广，就业面更宽，既可以从事软件开发，也可以适应硬件的开发工作。
4结语
嵌入式系统作为应用性极强的课程，其教学体系建设是一项复杂而艰巨的任务，包括完整的课程设置体系结构、不断的丰富实践教学内容，获取更多的实践项目等内容。随着嵌入式在现代农业应用的迅猛发展，如何真正立足于农业院校发展特色，培养高素质嵌入式系统农业信息化人才，将是我们今后教学的方向和努力目标。
参考文献
[1]李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程，2012（1）：1-7.
[2]朱仲英.传感网与物联网的进展与趋势[J].微型电脑应用，2010（1）：1-3.
[3]柳翔.嵌入式软件工程人才培养的探索与实践[J].计算机教育，2005，11：55-57.
[4]马忠梅.嵌入式系统教学模式探讨[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（11）：5-8.
[5]李岩，孙玉，孙丞春.嵌入式系统教学研究[J].电气电子教学学报，2006，（3）：45.
嵌入式系统的基本原理篇10
关键词：aRm嵌入式系统；教学辅助系统；教学实践；自主学习能力
中图分类号：tp368；G642文献标志码：a文章编号：1006-8228（2017）03-40-04
abstract：thispaperintroducesateachingassistantsystemforaRmembeddedsystemcoursebasedonaRmLpC2148mCU.thesystemhardwaredesignincludestheminimumsystem，theserialcommunicationandprogramdownloadinterfacecircuits，thematrix-keyboardandtheindependentkeysusedastheinterruptinput，andthecharacterLCDanddot-matrixLCDinterface.thesoftwaredesignincludesthestandardprojecttemplateofaRmembeddedsystem，completeproteuscircuitschematicandtheapplicationpackagefortherelatedhardwaremodules.provedbytheteachingpractice，theteachingassistantsystemplaysagoodsupportingroleintheclassroomteachingofembeddedsystemcourses，andintheexperimentandpracticetrainingofembeddedsystemcourses，andinthestudents'extracurricularscientificresearching.italsoeffectivelyhelpsstudentslearningtomasterthetechnologyofembeddedsystem，andhelpstothestudents'autonomouslearningabilityandengineeringqualitytraining.
Keywords：aRmembeddedsystem；teachingassistantsystem；teachingpractice；autonomouslearningability
0引言
S着嵌入式软件技术的发展，高校对嵌入式系统应用型人才的培养日益重视[1-5]。国内很多高校在电子类、仪器类、计算机类等专业都开设了嵌入式系统课程。其课程特点：①软硬件技术相结合，专业性、综合性强；②嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合，实用性强。③门槛高，要求学生具有相应的专业基础素质及自主学习能力。其教学大纲要求通过课程学习，学生能够掌握基本的嵌入式系统设计、开发和调试方法。但是在实际教学中往往发现“学生理论学习理解困难，实验过程与理论知识融合困难以及课程综合设计能力差”等问题，而且目前的实验装置普遍追求功能强大，实验内容广，配置高档等指标，使得装置的软硬件复杂，忽视了学生的实际情况，学生很难在课时内实现对装置的理解掌握以及达到课程的教学目的要求。
根据我校的实际情况，考虑学生学习的个体差异，本着简单易懂，实用方便原则，紧密结合课堂教学内容，细分教学例程，研发设计了aRm嵌入式系统课程教学辅助系统，学生和教师每人一套。该系统作为嵌入式系统课程基础阶段的辅助教学装置，既可以在理论课堂上帮助教师很好地展现授课内容，又可以在实验和课程设计等实践教学环节中作为便携的实用开发工具，帮助学生切实地掌握aRm嵌入式系统的开发技术，提高学生的工程实践动手能力。
1教学辅助系统设计
1.1硬件设计
如图1所示，该教学辅助系统以经典的aRm7LpC2148/38mCU为学习对象，分为核心板和扩展板两部分，配有串口通信/iSp下载控制接口，USB接口等常用接口，扩展有矩阵键盘，可以用作中断输入的独立按键，字符/点阵LCD显示接口等输入/输出人机界面接口。系统基本功能齐全，所有引脚及电源均有引出，体积小，携带方便，便于学生自主扩展应用。
1.1.1aRm处理器
系统mCU采用aRm7系的一款经典产品aRmLpC2148/38mCU作为系统的核心CpU。其引脚少，功能模块较为齐全，配有512KB的高速Flash存储器和32KB的Ram，具有丰富的外设资源。它还含有向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址，片内Boot装载程序可以实现iSp/iap编程，具有空闲和掉电两种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒[6]。aRmLpC2138/48mCU工作原理简单且具有强大的处理和控制功能，同时在proteus仿真软件和keill编程软件中均支持该mCU，因此特别适合用于aRm嵌入式系统课程基础阶段的教学与学习。
1.1.2串口通信接口及iSp电路
串口通信使用的是LpC2148/38mCU的串口0。LpC2148/38mCU的串口0是其主要组成部分之一，不仅可以用于学习与pC机的串行通讯，配以相应的iSp电路后，pC机借助编程软件还可以将应用程序直接下载到mCU中，从而降低了教辅系统的使用要求，方便了实践教学的需要。
1.1.3USB接口及电源
为了使用方便，教辅系统直接利用pC机USB接口为其供电，无需额外配接电源。同时LpC2148mCU自备有USB2.0从控制器，配以相应的接口电路后，可以方便地进行关于USB的相关教学，有效地提高了系统功能资源的利用率。
1.1.4输入/输出及引脚扩展
为了提高教辅系统的通用性、实用性和扩展性，同时兼顾教学案例的需要，在系统扩展板中设计了显示接口、键盘输入端口、a/D采集及调节电位器、LeD及蜂鸣器输出以及相应的电源输入输出端口。在系统扩展板中将mCU的p1端口用于字符LCD（Lm1602）与点阵LCD（QC12864）共用输出，配合矩阵键盘输入端口，以及aD采集及两个电位器分别设计有相应的教学案例，有效地降低了学生的使用难度，提高了学生对嵌入式系统技术的直观理解。在扩展板上还通过插针引出了对应的全部引脚和电源，极大地方便了学生对其他应用硬件电路的设计，这也对教辅系统实现进一步的应用开发使用提供了便捷。
1.2软件设计
软件设计工作主要体现在开发环境搭建、驱动开发，应用开发及SDK程序的移植等方面。
1.2.1开发环境搭建
该教辅系统的软件开发环境搭建主要是proteus仿真软件，Keill开发软件，Flashmagic编程下载软件安装，以及项目工程的建立与配置，程序文件的新建与添加，工程的编译与链接，电路原理图的绘制，程序下载与仿真运行，程序纠错等。这是学习嵌入式系统不可绕开的基础环节，学生在实际学习过程中容易出错，导致学习的自信心受挫。根据这一特点，除了在课程学习资料中细分教学例程讲解、对关键步骤进行详细注解外，还在教学过程中要求学生跟着教师逐步操作学习，而且写出书面总结作业，确保学生在嵌入式系统学习中能顺利迈出这第一步。
1.2.2例程开发
例程开发是帮助学生更好地进入嵌入式系统技术学习的有效方式，既是理论课堂授课的范例教学，也是实践教学的应用例程。因此，例程设计至关重要，它不仅是对课程教学内容的验证，也能使学生加深和巩固对嵌入式系统技术的认识，是合理组织教学内容、设计教学例案、帮助引导学生自主学习提高实践创新能力的主要方式。例程开发设计按照单元模块知识架构以及系统开发应用的连续性，遵循“从基础开始，由简而难，从小模块到大系统，应用与原理并存”的原则，设计了教学基础例程与教学综合例程。基于aRm嵌入式教辅系统设计的教学基础应用例程有10个，涉及了对系统的基本认识、验证以及基本使用等工程应用实践的各个方面，如表1所示。
教学综合例程主要是将aRmLpC2148硬件资源、教学案例及其他应用所涉及内容的驱动程序，应用程序集合在一起，供学生阅读和参考，方便学生在练习中模仿和借鉴，帮助学生逐步过渡到独立自主应用开发阶段。同时，通过综合教辅案例，为学生建立嵌入式系统开发的规范与好的应用习惯打下基础。基于aRm嵌入式教辅系统设计了近30余道综合训练题目，学生可在综合实验和课程设计环节自主选择训练，进度快的学生也可在此基础上进一步发挥，提高嵌入式产品开发和设计能力。
2教学应用
aRm嵌入式系统相较于其他单片机应用技术等专业基础课程教学而言，aRm芯片资源丰富，实际应用广泛，具有综合性、实践性强的特点，学生不容易理解和掌握。因此在教学中要以应用为主，强调体系结构及实用的设计开发技术等工程实践概念，基于教辅系统配以相应的例程项目及实践，结合项目驱动式教学模式[7-8]，在课堂教学、实验教学以及课程设计实践环节中进行项目分解讲授，直观、实用，引导学生自主学习，由浅入深，由易到难，由基础到综合，切实让学生从硬件到软件，再从软件到硬件实现对嵌入式系统技术的完整认识。
2.1课堂教学应用
在课堂教学中，以应用为主，借助教辅系统，帮助学生了解嵌入式系统的特点，理解嵌入式系统的基本构成（微处理器、存储器、外设驱动和i/o接口、电源管理、硬件调试等）；认识嵌入式操作系统，知道操作系统内核，能够对内核进行移植、修改和裁减；掌握某一种嵌入式操作系统，能够构建嵌入式软件的开发环境，编写一些基本的嵌入式设备的驱动程序等。同时，在传统教学模式的基础上，重新调整学时分配，部分引入翻转课堂教学模式，以例程教学和项目开发驱动教学内容的更新，课堂教学更多的辅以实际范例演示讲解和回答学生在课外实践环节中出现的问题，提高学生对嵌入式系统技术的认识和掌握程度。在proteus仿真软件和教辅系统的支持下，加大实际编程训练内容，针对讲授内容独立设计立足于基本概念原理的例程，根据学生个体差异提出不同的任务要求，至少要求学生能跟着教师操作演示，在训练过程中再学习和升华讲授的知识。
2.2课程实验应用
嵌入式系统是一个综合性、实践性强的软硬件设计开发平台，实验教学是重要环节，实验教学是嵌入式系统课堂教w的重要延伸。在实验教学中以教辅系统为载体设计实验内容，配合课堂教学，能更好地帮助学生建立对嵌入式系统的完整认识。实验教学除了设计有基础的aRm嵌入式教学内容，如应用开发入门实验、基础接口和显示实验，还有提高的aRm嵌入式教学内容，如音频、麦克风、SD卡、触摸屏等扩展接口实验，UaRt驱动与应用、LCD驱动及应用、USB接口、pwm驱动及应用等等，基本满足目前嵌入式系统初级阶段的教学需求。经过实际教学应用证明：借助该教辅系统进行实验教学，学生能有效地认识掌握嵌入式系统实验装置的开发环境及软硬件设计方法，理解对应的教学内容与教学目标，提高了学习主动性和实践动手能力。
2.3课程设计应用
在课程设计教学环节，以教辅系统为支撑设计了近30组综合训练内容，如电子日历制作、音乐播放器、直流电机调速、正弦波示波器、条码扫描显示等，供学生自主选择。由于该系统不仅提供了LpC2148/38的所有硬件资源，还提供了有关输入/输出的SDK，大大节省了aRm基础软硬件平台搭建的时间，使学生将主要精力和时间放在应用开发上，课程设计的效果和质量明显得以提高，而且学生还可在此教辅系统基础上自行研发应用项目，参与各级课外科研竞赛活动，效果良好。学生借助于该教辅系统进行综合应用学习，可掌握和巩固嵌入式系统应用技术的基本原理，掌握了32位aRm单片机和嵌入式操作系统应用的基本技术，能够完成一些简单的项目研发，他们走出校园能尽快适应相应的工作岗位。
3结束语
该教辅系统已经在我校测控专业两届学生的教学中投入使用。该教辅系统将课堂教学、课程实验、课程设计教学环节无缝连接在一起，并可直接应用于其他课外实践的开发应用中，使得嵌入式系统课程的教学体系具有更好的系统性、实用性和连续性，基本解决了嵌入式系统课程难教、难学、难懂的系列问题。同时该教辅系统也使得嵌入式系统课程的课堂教学更加具体形象化，互动性更好，实验教学内容更加丰富，学生设计制作参与性更强，明显改善了学生以往对理论知识学习的茫然和不明确性，以及对实验装置的畏难情绪，提高了对理论学习和实验的兴趣，培养和锻炼了自主学习能力和工程实践能力。
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