Cortex时代嵌入式系统教学探索

张 立 温秀兰 黄家才

南京工程学院 江苏南京 211167



Cortex时代嵌入式系统教学探索

张 立 温秀兰 黄家才

南京工程学院 江苏南京 211167

摘 要：本文从ARM处理器的发展状况出发，结合现在高等教育电子类专业嵌入式方向的教学实际状况，分析了嵌入式专业的培养知识体系结构，提出了嵌入式技术课程的学习路径。

关键词：ARM；嵌入式；教学改革

ARM公司在ARM11处理器产品之后将所设计的处理器命名为Cortex，并将其分为A系列（主攻高端）、R系列（强调实时性）、M系列（针对低功耗）3个方向。［1］这标志着嵌入式处理器的发展进入了一个新的阶段，代表着嵌入式处理器在2010年后进入了一个新的发展时期。在这样一个新时期，嵌入式处理器可以为智能手机、移动计算平台、数字电视、服务器等一系列高端应用场景提供服务；也可为要求高可靠性、高可用性、容错功能、较强的可维护性以及具有可用的实时响应场景提供解决方案；对于成本与功耗敏感的MCU和终端应用也能有合理的解决方法，并且具有向上兼容的功能。

1　嵌入式课程现状及问题

近年来，各高校对于嵌入式技术及应用都展开了广泛的研究，譬如说在故障处理［2］、语音识别［3］、物联网的应用［4］、光纤信号处理［5］等方面，应用前景广泛、社会需求强烈。

反观现在的高等学校嵌入式方向教育，在20世纪80年代8位的51机的基础之上，近些年为了适应社会的需求，推出了基于ARM7ARM9的嵌入式设计课程。这些课程无论是教学内容上还是教学方法上或者是教学手段上乃至教学体系上仍跟不上嵌入式处理的发展以及社会对嵌入式人才的需求。究其原因，应当是多方面的。

（1）嵌入式处理器发展速度较快，但公认的、具有里程碑式意义的产品作为学习对象不够明确。以ARM公司为例，仅此一家公司几乎每年都有新的嵌入式处理推出或投放到市场上。而由于应用对象的不同，面向高端、实时性、低功耗这3个不同方向的处理器又有不同的设计特点。这使得嵌入式信息知识增长过快，让初学者摸不着头脑。唯恐刚刚学习一种处理器的使用，却很快就被淘汰。这种情况很容易打击学习的积极性。另外，嵌入式处理器虽然整体发展很快，但是最新阶段标志性产品不明确。而且缺乏对于最新阶段标志性产品的详细介绍与培训。同样以ARM公司为例，对于Cortex系列新型的处理器的介绍与公开培训较少。由于不能明确哪款处理器能够有绝对的性能与成本的综合优势，或者说某款产品在市场上占有绝对的市场份额，这使得高校教育者无法统一认定一款产品为基准来展开教学。

（2）嵌入式处理器设计公司对于高等教育，特别是国内的高等教育合作的力度还有待于加强。由于嵌入式技术的应用是近年来才在市场上火热起来，而现阶段嵌入式处理器设计公司与国内高校的合作还比较欠缺，无论是产品的适用性、软件工具的教学使用、配套开发硬件的教学开发板都存在较大的提升空间。这使得高校教育者应尽快根据市场需求与学生的实际情况加强与这些嵌入式处理器设计公司的合作；这些嵌入式处理器设计公司也应抓住机遇，主动向高校推广自家公司的嵌入式处理器产品的使用方法。

（3）嵌入式技术学习收到多方面因素的影响而显得困难重重。首先，嵌入式产品设计能力的培养本身就是一个长期经验积累的过程，也是综合应用能力的体现。而现在的高等教育，在有限的大学4年时间内，要完成的基础课与专业课学习已经占用了大部分的时间。在这有限的大学四年时间内，如果要求学习者能够快速具备较强的产品设计能力，难度较大。其次，现有的教学体系受制于大学专业设置的因素，多专业或者方向都开设了嵌入式课程。而各学院、各专业的基础课程设置却不尽相同，或者说各教学单位的教学侧重点并不一致，这使得学习者所具有的基础并不一致。原有知识结构基础的不一致显然不利于制定统一的教学计划与安排。再次，针对嵌入式方向的课程设计也缺乏明确的发展方向与统一的考核标准。第三，嵌入式技术教学的教材质量亟待加强。已有的教材往往就是开发板的说明书加上Linux 系统的基本操作与编程编译的软件工具使用。这些教材缺乏知识结构主线，或者说学习路径不够清晰，这就很难让学习者循序渐进地掌握嵌入式技术知识。最后，虽然在嵌入式教学中，实践的重要性已经得到了各高校广泛的认同。然而实践条件仍然不够乐观：所依赖的开发板由于标准不统一、性能不稳定、功能各异、可靠性不强、配套软件不完善等原因，使得实践教学内容有限、教学深度不够。

（4）全面掌握嵌入式技术需要很多现有高等学校专业课程以外的知识，譬如说专利、核心原理等等。而这些知识的掌握与获得暂且不能通过现有高校课堂教育的方式直接获得，全面普及尚有难度，需要企业、政府、高校的多方合作方能推动企业的技术尽快进入高等教育的课堂。

2　嵌入式专业的知识结构体系

已有的电子类大学专业课程知识体系，最基本的是电子信息技术，即以电路分析、模拟电子、数字电子以及C语言为代表的最基本的课程，这是电子类专业最基本的专业基础课。

掌握了最基本的专业基础课后，为了更好地了解硬件结构系统的运作过程，微机原理与汇编语言的掌握可以为后面学习嵌入式技术形成基本的框架结构。不至于在后面的学习中，处于一种混沌状态。

在掌握了微机原理与汇编原理之后，如果有时间与精力，应当掌握单片机技术与操作系统的基本知识，这相当于是从计算机运行原理的理论知识掌握跳跃到简单系统搭建的实际应用中，完成从理论到实践、从理性认识到感性认识的关键性转变。

在学习者能够熟练掌握单片机知识与操作系统原理之后，再学习嵌入式技术或者是DSP技术、EDA技术等等，相对来说就容易接受的多。

3　课程教学设置与实验室建设

现有的教学课程还是应当以linux操作系统教学与基于Cortex处理器的接口技术为基础。

（1）由于现有的操作体统中linux系统及其衍生版本占据了嵌入式应用领域的绝大部分市场，并且各种应用工具的获得较为方便，再加上是开源的系统，使得学习的成本能够有效控制。在实际教学过程中，如果学生有兴趣深入了解系统的运行原理，可以便利地获得相应的资源进行学习。

（2）在硬件方面，由于ARM处理器已经发展到21世纪第二个10年，进入了Cortex阶段，选择较新的支持64位的处理器进行硬件方面的教学，从代表性与持续性来说都是较大的优势。一方面ARM处理器已经进入64位时代，对于64位处理器的学习代表了能够掌握最新位宽的处理器处理能力；另一方面，根据以往的经验，进入新的位宽阶段，能够在较长的时间内保持技术的相对领先性，即现有处理器的设计还不会在短期内进入128位阶段，并且及时出现了128位的处理器，对于ARM处理器的应用领域其必要性还不会立刻凸显出来，则其应用普及更加漫长。故对于64位的Cortex处理器作为现阶段嵌入式技术的学习来说是比较理想的选择对象。

（3）在开发板的选择上除选用的处理器应为64位的Cortex系列处理器以外，在其他功能的集成上应当尽量的稳定、可靠，并且有详尽的系统说明和知识扩展，并自带完备可用的辅助开发工具软件。

（4）所选用的教材及实验指导书应尽量分阶段授课，以感性认识为主线，从简单到复杂，每一阶段都完成一个系统功能的实现，使得学习者从一开始就能对整个课程有基本的感性认识与概念。随着课程的向后学习，只是不断加深对嵌入式技术的理解。而不会在某一个理论知识部分陷入困境而无法对嵌入式技术整体把握，甚至失去学习的信心。

4　结束语

嵌入式教学已经成为现在高等教育不可阻挡的发展方向之一。由于其具有发展迅速、掌握周期长、经验积累要求较高等诸多学习难点，使得学习的过程较为漫长而掌握起来较为困难。本文通过分析高等教育的电子类专业知识体系结构组成，结合嵌入式技术现有的发展状况以及高等学校可具备的软硬件资源，建议从做好系统开发、处理器选择、开发板拓展、教材与实验指导书的编写这四个方面的工作入手进行改革。通过循序渐进的尝试，可以建立一条行之有效，甚至是具有标志性意义的学习过程成为可能。

参考文献

［1］ ARM官网简介［EB/OL］.www.arm.com.

［2］ 王仲根.基于嵌入式系统的故障录波器的研究［D］. 淮南：安徽理工大学.2008.

［3］ 宋艳.基于嵌入式语音识别系统的研究［D］.西安：西安科技大学，2011.

［4］ 朱强.面向物联网的嵌入式RFID中间件的研究与实现［D］.广州：广东工业大学，2012.

［5］ 韩艳军.嵌入式光纤位移传感器及其信号处理电路的研究与实现［D］.武汉：华中科技大学，2005.

［6］ 教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍［M］.北京：高等教育出版社，1998.

收稿日期：2015-12-02

作者简介：张立，博士，讲师。

基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目（编号：14KJ B460016）；南京工程学院科研基金（编号：YKJ201416）；南京工程学院高教研究课题（编号：JG201401，GY201320）。

The Study of Teaching Method with Cortex Chips in Embedded Technology

Zhang Li， Wen Xiulan， Huang Jiacai
Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China

Abstract：Base on the development of the ARM chips， this article analysis the study routers about the embedded technology system. It present the situation of the education environment of the embedded technology. It propose the methods to manage the skill of development of the chips.

Keywords：ARM； embedded technology； teaching reform