以目标板任务为导向，整合嵌入式软硬件教学

王　彦　李宏力　赵家华　徐　亮

摘 要:本文提出一种从工作原理和技术参数方面设计目标板的思路,并将设计、制作、调试、开发目标板的实验引入教学中,对各种软硬件教学都适用。使用目标板替代实验箱、实验台,提高了学生的动手能力,培养了学生的实践能力,是一种创新型人才的培养方法。

关键词:嵌入式系统;目标板;任务驱动;创新

中图分类号:G642 文献标识码:B

创新是一个民族的灵魂,是人类社会发展的不竭动力。在建设创新型国家的过程中,高等学校承担着培养拔尖创新人才的神圣使命。要以加强大学生创新精神和实践能力的培养为核心目标,就必须积极推进大学人才培养模式的改革和创新。

嵌入式系统的产生是多学科融合的结果,这些学科包括计算机、电子、半导体、通信、控制等。嵌入式系统广泛应用于工业自动控制、智能交通、信息处理、仪器仪表、航空航天、汽车电子、通信技术、安防系统和信息家电中,它的设计方法的演化由应用需求牵引和IT技术推动。嵌入式系统通常面向用户、面向产品、面向特定应用,产品具有较长的生命周期,软件固化存储,OS内核小,OS和应用程序的区分不明显。

1 嵌入式系统教学方法变化的背景

嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备管理、网络通信、图形界面、文件系统等模块。它具有通用操作系统的基本特点,能够有效管理越来越复杂的系统资源;能够把硬件虚拟化,使开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来;能够提供库函数、驱动程序、工具集以及一些典型应用程序。嵌入式系统开发与桌面应用开发有很大区别,它的软件和系统平台紧密相关;嵌入式系统将迅速发展和普及,但不会取代传统的单片机嵌入式测控系统,二者的发展空间并不冲突;嵌入式系统设计开发中的处理器、操作系统选择比传统的单片机具有低功耗高性能的优点。

以“应用型”人才培养为目标的理工科院校的实践教学中,应特别重视学生嵌入式系统设计能力的培养,加强实践教学环节,提高学生实践能力、职业技能与就业能力。以下就结合地方高校通信工程专业的特点,对学生“嵌入式系统设计”能力培养的相关课程内容、实践教学方案和实践教学环节等进行探索,探讨地方高校理工科学生创新型人才的培养体系。

目前,大多数学校嵌入式实验实训课授课都采用嵌入式实验箱,它虽然降低了嵌入式课程的授课成本和实验难度,但也带来了一系列问题。嵌入式实验箱的硬件相对固定,扩展其他硬件相对困难;硬件线路固定,相当于一个“黑匣子”,使用者无法知晓硬件线路就可以完成实验;对使用者来说,使用机器码输入枯燥无味,只是查找输入错误,与嵌入式程序调试概念大相径庭。

长期使用嵌入式实验箱会阻碍使用者对嵌入式学习的兴趣,扭曲对嵌入式设计的概念:认为输入些机器码就是嵌入式设计了。其实嵌入式设计是一个范围非常广的概念,从系统设计到软、硬件的设计,从嵌入式核心到外围器件的选取,甚至非电量器件等交叉学科的内容,都属于嵌入式设计的内容。

2 嵌入式系统设计最小目标板教学实践

嵌入式系统设计最小目标板主要完成以嵌入式为核心的,包含存储器、A/D、D/A、键盘显示、输入输出端口、时钟等外围电路的几种嵌入式目标板的硬件设计与制作,并编写相应的软件。核心板提供相对应微处理器的最小系统,包括了处理器、RAM、ROM、寄存器接口等;扩展板提供电源、LCD显示、串口、USB、以太网口等模块,以利于学生学习及创新设计。设计工作以完成嵌入式最小系统板任务为导向,将理论与实践进行有效合理的整合,将工程实践分解成可供实际推广操作的学习任务,辅以必要的教育技术支持手段,强调学生自主学习,在实际工程环境中掌握和内化工程理念。

嵌入式系统最小目标板设计任务包括嵌入式系统硬件与软件的设计,以模拟电子技术、数字电子技术及计算机辅助设计与单片机原理与接口技术等课程教学为基础,旨在加强对学生设计能力的培养,提高学生的电路设计和软件开发能力。通信技术专业的实践教学可基于现代电子技术进行信息的采集、传输、处理、检测、控制,应用现代通信网工程,以信息与通信工程技术为主线,融电子技术、计算机技术、自动化控制技术于一体,软硬件课程结构如图1所示。

教学改革了考核方式,加强对学生动手能力的培养,单片机技术、DSP技术、EDA技术、嵌入式系统、可视化程序设计等技术课程的考核成绩全部采用实践方式,实验占总成绩的40%,课程设计(要求有硬件和软件制作)占总成绩的40%,创意制作占总成绩的20%。实验与课程设计题目每年更新,学生在完成实验的基础上选定题目进行设计,根据自身能力选择不同难度的题目,分值依据题目难易程度而定。学生在不断改进、反复锻炼中提高了分析问题、解决问题的能力,在实践过程中真正做到举一反三。

为了使实践内容和教学内容联系得更紧密,教师可结合前面所讲的教学层面要求,要求学生设计实践核心板与扩展板,将“嵌入式系统设计”系列课程实践教学融合到地方理工科院校的人才培养体系中。通过加强开放实验、科技制作及科技竞赛等创新学分的管理,改革相关课程考核方式,综合考虑知识、能力和素质三者的关系,统筹实践教学体系,提供丰富的工程设计课题,加强“嵌入式系统设计”的工程训练,促进大学教育中创新型人才的培养。

在教学过程中,学生完成了以计算机、电子、半导体、通信、控制等多学科相融合的嵌入式最小系统板的软、硬件设计任务,加强了对嵌入式软、硬件和“嵌入式设计”概念的了解,从而实现对软、硬件课程教学的整合。

3 结束语

以目标板任务为导向,整合嵌入式软硬件以嵌入式目标板的软、硬件结构的设计任务驱动教学,制定切实可行的教学计划、大纲及实施细则,并在教学过程中逐渐完善,是一种新的尝试,是创新。该项教学的主要特点有:

(1) 嵌入式系统是多学科融合的结果,包括计算机、电子、半导体、通信、控制等技术。教学过程以学生完成任务为导向,是对教学方法的创新尝试。

(2) 嵌入式目标板的设计可以培养学习者对嵌入式学习的兴趣,学生通过学习和完成嵌入式目标板的设计,掌握嵌入式系统设计和嵌入式软、硬件设计的正确思路,熟悉嵌入式硬件和编程语言,增加对嵌入式外围器件和非电量器件等交叉学科的了解,在完成任务的过程中整合有关的硬件课程,为以后的学习和工作打下良好的基础。

(3) 学生设计嵌入式最小系统时熟悉硬件结构,再进行创新设计,突破了以往教学验证实验的单一模式。

(4) 嵌入式最小系统可以回收再利用,供软件类专业学生仿真编程或练习用,节约了实验成本。

(5) 嵌入式技术发展迅速,学生在嵌入式最小系统的制作过程中可以更快地跟进技术的发展,有利于就业。

参考文献:

[1] 大学计算机课程报告论坛组委会. 大学计算机课程报告论坛论文集[C]. 北京:高等教育出版社,2007.

[2] 伍宗富,李敏.“嵌入式系统设计”系列课程实践教学研究[J]. 计算机教育,2008(3).

[3] 沈连丰,宋铁成,叶芝慧,等. 嵌入式系统及其开发应用[M]. 北京:电子工业出版社,2005.

[4] 沈文斌. 嵌入式硬件系统设计与开发实例详解[M]. 北京:电子工业出版社,2005.

[5] 伍宗富,陈日新,王建君. 基于Web的开放实验教学管理系统[J]. 高校实验室工作研究,2007(2):78-80.