基于ARM的嵌入式系统教学

杨俊成

(河南工业职业技术学院计算机工程系，河南南阳 473009)

嵌入式技术对于现代工业起着倍增器的作用，各行各业都存在着嵌入式的应用场景［1］。基于此，国内众多高校、职业技术学院和培训机构均开展嵌入式系统的教学和培训工作。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、科学、系统的教学体系绝非易事。

1 ARM教学方法的问题研究

嵌入式系统所包含的教学内容主要有ARM体系结构、汇编语言程序设计、中断系统、异常处理、I/O设置、UART设置、时钟、触摸屏、I2C、I2S及ARM芯片接口的设置，该课程融合了多方面的软硬件及综合知识。

大部分的高等院校均是购买某一公司的开发板或者实验箱，按照实验指导书指导做实验。该实验对于学生的能力培养效果较差，对ARM体系中的流水线结构、地址映射、异常等概念的理解也无法深入，较难综合应用驱动程序、中间接口层、操作系统等系统级软件，这样便导致软件和硬件脱节。对设计出复杂的综合性实验造成困难。实验过程中缺少考虑培养学生的创新能力、新技术的实践能力、团队协作能力和语言表达能力等，因而不符合当今对嵌入式人才的要求。

2 教学改革思路

2.1 教学方法的改革

为使学生更好的掌握基于ARM的嵌入式系统，充分调动学生学习积极性，即采用倒推法授课［2］，第一次上课就让学生了解一个实际的嵌入式产品。以2010年全国职业院校技能大赛中的自主探月车为实例，将产品分解，倒推出这一产品的开发过程。从产品到部件的倒推归属到课程不同章节的内容中，放到相关的教学单元进行讲解［3］。在每一教学单元中，以产品的部件为核心，设计出实际开发中需解决的问题。每一章节完成一个任务，这一任务也是其嵌入式产品的一部分，课程学习结束时所有的任务叠加后，就是一个实际的嵌入式产品。

2.2 根据需要调整教材

正确处理现有的教学资源，在了解现有教材的同时要不断融入更符合教学规律的教学内容［4］。教学内容力争接近工程实践，又带有一定的趣味性和启发性，让学生知道如何将学到的知识点应用于工程实践中。因此要对教材内容作适当编排和修正，使教学计划更符合学生的学习规律。

调整之前从第一到第八章的内容都是理论部分，主要讲述ARM的体系结构、ARM的异常模式、ARM存储器映射、ARM中断模式及中断系统［2］，这部分内容理论性较强、且比较抽象和枯燥，学生学完后无法真正了解ARM，无法用汇编语言实现相关功能，极大地影响了学生的自信心。

在修正后的内容安排中，教师将一些容易掌握并能够吸引学生注意力、容易看到实验现象的章节安排在前面，以激起学生的学习积极性。

(1)把S3C2440的I/O操作安排在前面，先用一个流水灯实验告诉学生，ARM虽然结构较为复杂，但也可像单片机那样，通过简单的设置，实现流水灯实验，以提高学生的学习兴趣。

(2)根据学生C语言的基础，讲解基于ARM的C程序设计，并实现一个串口驱动程序，加强学生对ARM体系的理解和C语言的编程能力。

(3)介绍ARM指令系统［3］，并根据指令介绍ARM的体系结构，讲解ARM中断和异常的处理过程，并用汇编程序模拟相应的处理过程，且在内容的讲解上要与月球车的启动代码结合，强化学生对概念的理解。

(4)将ARM的LCD显示功能和触摸屏的A/D转换放在一起讲解，定时器和计数器在实时时钟、看门狗系统中都会用到，所以这两章要统一讲较为合适。

(5)讲解两种常见的总线，I2C总线和I2S总线，并结合实验让学生掌握两种总线的工作原理。

(6)最后讲解在ARM体系结构中，ARM处理器与存储器之间的内存映射，这是课程的一个难点，并需要前面的一些基础，因此放到课程的后面学习比较合适。

(7)理论课程学习结束后，设计一个一周时间的综合实训，将理论课和实验课上的知识点链接起来，形成一个知识体系，用真实的案例提高学生分析问题和解决问题的能力。

该章节的调整以一种先易后难的方式编排教学内容，取得了较好的教学效果，但并不影响教学大纲所规定的学习内容。

2.3 实践教学

在实践教学中，教师并不是将实验代码事先写好，然后给学生分析代码，而是提出问题，比如如何在月球探测车上显示图片，还可将其改为更有趣的例子，比如如何把本人的照片显示在屏幕中，以提高学生的兴趣。之后引导学生分析问题，制定设计方案，带领学生从第一行代码开始编写，逐步实现相对应的功能。当然在实现的过程中，会出现大量的问题，比如寄存器设置错误、指针读取数据错误、内存溢出等。这就需要教师对整个项目十分清晰，能在短时间内解决学生所提出的问题并能处理一些突发性错误，随后带着学生去分析引起这些问题的原因，告诫学生如何避免这些问题，并解决问题，大大提高了学生的动手能力。

2.4 用嵌入式大赛作为实训项目

为培养学生对嵌入式开发的兴趣，在课程学习后期，将学生分成5人小组，以前一年的嵌入式大赛题目为实战项目，让学生用一周时间去实现一个嵌入式产品，完成一个正推过程，从一个产品的设计思想到各个部件的实现，最终完成这个产品，之后编写论文并参与答辩。待国家嵌入式竞赛题目公布之后，从中选择几名表现优秀的学生，提供实验场所和实验器材，由专门教师指导参加全国嵌入式大赛［5］。

3 结束语

文中改革措施已在教学实践中发挥了积极作用，在日后的教学中，将根据实际情况及时对该课程体系和培养模式进行调整，努力构建一个科学规范的人才培养方案，为企业培养出具有动手能力及创新能力的研发人才。

［1］ 田泽.ARM9嵌入式开发实验与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［2］ 周立功.ARM微控制器基础与实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［3］ 胥静.嵌入式系统设计与开发实例详解—基于ARM的应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［4］ 邓春健，李文生.“ARM嵌入式系统”课程教学方法研究［J］.计算机教育，2010(3):94 －96.

［5］ 章民融，徐亚峰.嵌入式教学关键点的研究和嵌入式实验教学平台的设计［J］.计算机应用与软件:2009(3):160－162.