嵌入式实验系统设计原则的一些探讨

郑宁汉　陶品　宋思超

摘要：嵌入式系统与实际应用密切相关的特性决定有效的实验教学对嵌入式系统课程的重要性。文章介绍对嵌入式系统实验教学的一些探索，分析嵌入式实验教学和当前大学本科生的特点，提出嵌入式实验平台的设计原则和概念模型。

关键词：嵌入式系统；实验教学；实验平台

1.背景

如今嵌入式系统在日常生活中扮演着越来越重要的角色。从消费电子产品到航天工业，从热门的电子应用（如智能手机和平板电脑等）到相对不起眼的应用（如人造卫星等），嵌入式系统直接或间接地影响人们生活的方方面面。嵌入式系统的巨大潜力使得教育工作者对它的讨论从来没有停止过。世界无数的教育工作者提出了大量新颖和具有创造性的方法和理论，以促进嵌入式系统教育水平的提高，他们大都赞同嵌入式系统具有与实际应用紧密联系的显著特点。

嵌入式系统应用在一个广阔的领域，如简单的微控制应用、控制系统、分布式嵌入式控制、片上系统、网络、嵌入式PC、关键系统、机器人、计算机外围设备、无线数据系统和信号处理。同时，一些交叉领域知识对于嵌入式系统设计者也同样重要，如安全、可靠性、节能、软件/系统工程、实时计算和人机交互等。

对于想成为合格嵌入式系统设计者的学生来说，他们希望能够亲手接触这些嵌入式应用，因此设计一个高效的实验系统非常重要。实验平台应该能联系抽象的理论知识和实际应用，以帮助学生领会嵌入式系统的知识奥秘。

2.嵌入式系统实验教学的特点

嵌入式系统实验教学与其他课程实验教学有两个方面的不同：软硬件高度结合、知识和技术更新速度快。嵌入式系统实验教学的特点如图1所示。

嵌入式系统实验教学的第一个特点是软硬件高度结合。一个完整的嵌入式系统需要在软硬件基础之上工作。在嵌入式实验教学中，任何一个环节的缺失或弱化都是错误的。我们过去就犯过这方面的错误。嵌入式系统是清华大学计算机科学与技术系大四本科生的一门专业必修课。学生希望在课程结束后对嵌入式系统有一个完整的认识，但是发现在学习完这个仅有2个学分的课程后，依然无法设计出一个软硬件兼备的完整嵌入式系统。因此，我们让学生使用开源软件工具设计诸如鼠标或键盘等设备的驱动程序，但是效果并不理想，冈为学生仅仅熟悉了他们所实验的部分内容，而这些内容只是他们应该掌握内容的一小部分，这不仅是由于实验任务的限制，还因为学牛无法接触硬件层面的操作，无法全面领会嵌入式系统。

嵌入式系统实验教学的另一个特点是嵌入式系统知识和技术更新速度快。在第1节我们曾提到过，紧跟实际应用是嵌入式实验教学的一个关键元素。由于嵌入式系统技术日新月异，嵌入式实验课程讲述的知识和技能以及嵌入式实验设备和组件都必须不断发展。我们在对清华大学计算机科学与技术系学生的调查问卷中发现，对传统嵌入式实验平台的主要批评是实验设备和组件过于陈旧，实验平台与当前技术联系不够紧密，实验内容缺乏吸引力。

综上所述，设计一个高效的嵌入式实验平台必须考虑软硬件结合和嵌入式技术飞速发展这两个因素。

3.当代学生的特点

除了嵌入式实验课程本身，学生是不可忽略的另一个关键因素。学生是实验的参与者，他们对实验的感受影响着实验课程教学的成败，但是我们发现传统的实验方法令当代学生逐渐失去学习兴趣，这主要是因为学生一代一代地不断发展与进步，而传统的实验方法却多年不变。

文献[2]指出当代学生与过去的学生有所不同：缺乏钻研精神、缺乏耐心和依赖于软件。当代学生的特点如图2所示。

当代学生的第1个特点是缺乏钻研精神绝大多数学生成长于用户至上主义日益流行的社会环境。相对于基础原理，他们更关注功能；相对于架构，他们更关注表象。简而言之，当代学生中很少有人理解嵌入式系统的基本原理，另一方面，传统的实验平台专门为演示和验证书本中讲述的原理而设计，因此学生渐渐地无法将实际应用与特别设计的实验相联系，产生的问题是如果学生无法预见所学知识的未来应用前景，就会将关注点转移到其他方面。由此可见，将实验平台与时兴技术相结合非常重要。

当代学生的第2个特点是缺乏耐心。生活节奏的日益加快和互联网络的日益普及，使得当代学生渐渐缺乏耐心。他们习惯在实验开始后急于见到结果，就好像点击鼠标后立刻能在屏幕上看见反应，但是在传统的教学方法中，教学总是从对课程的全面描述分析开始。实践证明这种描述很必要，它可以帮助学生全面了解课程的知识结构，但是这些内容有时会让学生退却，因为学生感觉课程非常抽象与枯燥。鉴于这些问题，新实验平台应该在嵌入式系统的第一堂课就引起学生的兴趣，同时提供一个吸引人的“结果”。

当代学生的第3个特点是依赖于软件。嵌入式系统的发展通常被认为是民众赋予的。在某种程度上，这种发展是电子工程向更智能化发展的结果。然而，电子工程这种不可见的层面，通常被复杂的用户界面和其他图标所伪装，使得大家将其归功于计算机科学，而不是电子工程。许多大学并没有意识到这个问题，而将大部分注意力放在嵌入式软件设计，忽略硬件层次的介绍。这种在嵌入式系统教学中的错误关注导致出现“软件比硬件更加重要”的错误认识。为了纠正这个偏见，我们应该重视硬件并将其引入嵌入式系统课程。

总之，为了设计一个高效的实验平台，当代学生的特点不容忽视。

4.设计嵌入式实验平台的原则

基于上述讨论，我们提出嵌入式系统教学实验平台的几项设计原则。

完整性：实验平台应该相对完整。学生不但能接触软件，而且能操作硬件。这个原则主要解决两个问题：首先纠正学生偏重于软件的错误；其次在第一节课就能吸引学生，告诉他们课程最后能够建立一个基本的却相对完整的系统。

开发性：实验平台应该能帮助学生自由地实现创新思想。实验平台在软件和硬件上都应为学生预留足够数量和种类的接口，使学生能够以此为基础构建自己的嵌入式系统。在实践过程中，越来越多的基于实际应用的嵌入式系统由学生实现，同时学生的创造热情也被激发出来。endprint

从教学的角度看，实验平台应包含以下特点。

可升级性：平台的软硬件应该能分别扩展和升级，而无需对整个平台进行修改。如第2节所述，嵌入式系统技术升级速度快，尤其是硬件设备。为了满足经常升级的需要，可升级性原则应该被放在关键位置。

灵活性：实验内容应该能根据课程的要求而裁剪，以便于实验平台的广泛推广。大多数定制的实验平台在灵活性上有所欠缺，其实验内容无法增加或减少，而为了适应课程学时的变化不得不重新设计实验。

为了达到上述目标，我们提出一个完整的概念模型。目标系统的概念模型如图3所示。

这个概念模型由3个中间层和2个外围层组成。中间层包括主系统层、中间通道层和从系统层。外围层包括应用层和组件层。我们将解释这个模型如何能实现前面提出的目标。

完整性：把中间3层看作一个整体，这个基本模型由一个典型嵌入式系统中的主要元素组成，从最顶层的应用层到最底层的功能组件层。学生可以接触完整系统的每一个组件。

开放性：模型的最顶层和最底层向学生开放。实验平台的设计者将足够多的软硬件接口提供给学生，这些接口必须是完整的和用户友好的。使用硬件接口，学生能够通过连接所需的硬件模块构建一个创新的嵌入式设备；使用软件接口，学生可以方便地加载硬件模块所需的软件资源。

可升级性：实验平台设计应该模块化和层次化，每一层为上一层提供上层接口，为下一层提供下层接口。每一层可独立地进行扩展和升级，与相邻层次的接口保持兼容。模型的中间层被设计为3层结构，这个灵感来自于Phidgets的设计，它能为实际设备的实现提供更多可能性。

灵活性：每个层次都能根据课程的重点而被加强或削弱，因此实验内容可根据课程要求而变化。实验课可被安排在两层或更多层之上。基础实验要求学生建立一个基本的嵌入式系统，而在高级实验中，学生能深入研究模型中的各个层，以实现创意设计。

基于这个概念模型，学生不难设计出一个高效的嵌入式实验系统。

5.结语

这些嵌入式系统设计原则和概念模型均由我们的实际教学经验总结而来，主要解决两方面问题：激发学生学习嵌入式系统的热情；为学生实现创意设计提供自由发挥空间，同时能克服传统嵌入式实验平台的缺陷。这些原则指导我们设计有效的嵌入式实验平台，加强嵌入式系统课程建设。我们希望并有信心在帮助学生深入理解嵌入式系统方面起到越来越重要的作用。endprint