论CDIO模式下的计算机硬件嵌入式技术

吴文庆

【摘要】 本文以CDIO模式为指导，从嵌入式技术发展现状着手，分析了当前计算机硬件课程教学存在的问题，明确了未来计算机硬件嵌入式技术发展方向，在此基础上，探讨了CDIO模式下计算机硬件嵌入式技术人才培养内容与方法，旨在培养先进的计算机嵌入式系统研发设计人才，促进嵌入式技术进一步的应用和发展。

【关键词】 CDIO模式 计算机 硬件嵌入式技术

近年来，嵌入式技术在工业控制、通信设备、医疗仪器及航空航天等领域中的应用越来越广泛，新兴的物联网技术、智能家居等都以嵌入式系统为基础，在这样的背景下，市场对嵌入式人才的需求越来越重视。但就目前来看，当前高校计算机专业关于嵌入式技术方面的教学还存在一定问题，往往过于注重软件方面的程序开发，忽略了硬件嵌入式技术的研究和教学。

在这样的背景下，本文以CDIO功课教学模式为基础，探讨了计算机硬件嵌入式技术的发展方向和人才培养内容与方法，旨在为相关研究与实践提供参考。

一、CDIO模式概述

CDIO模式属于一种工程教育模式，是国家工程教育改革的一项突破性成果，由麻省理工学院等四所大学组成的研究团队历时四年研究获得。CDIO模式代表构思、设计、实现及运作四个过程，以产品整个生命周期为载体，让学生对产品研发到产品运行各个阶段进行学习，实践性较强。

CDIO理念继承了欧美先进工程教育改革观念，创新性的提出了可操作性的教学标准，对于提升功课教学质量有着重要的意义，代表了当代工程教育的发展方向和趋势[1]。

就我国来看，工科教育体系需要积极培养出与世界接轨的工程师，但我国工科教育实践还存在着诸多问题，过于注重理论和轻视实践，过于注重学习而忽略创新，在这样的背景下，应当积极学习并应用CDIO工程教育模式。

二、基于CDIO理念分析计算机硬件课程存在的问题

CDIO的核心为构思、设计、实现及运作，强调实践性和创新性，基于这一理念，分析我国计算机课程中存在的主要问题。

2.1缺乏设计能力培养

近年来计算机技术发展较快，应用越来越广泛，使得计算机系统复杂度提升，传统软硬件相隔离的设计方式已经难以满足现代计算机系统要求。计算机系统平台搭建、软硬件协同设计等成为主流设计思想，但当前计算机硬件技术相关课程缺乏对学生这种先进设计能力的有效培养。

2.2缺乏可编程芯片设计能力培养

我国工科高校开设计算机硬件课程很少涉及到关于芯片编程的实验课程，仅有的实验安排在大肆，但受到教育体制的影响，许多学生毕业设计不涉及到芯片编程就不会认真学习，这就大大弱化了对学生可编程芯片设计能力的培养。

2.3缺乏创新能力培养

收到实验条件等因素的影响，现有计算机硬件实验大多针对的是纯硬件逻辑，缺乏横向功能拓展和纵向功能延伸，给予学生的创新空间较少，学生在现有条件下难以完成综合性和创新性的设计。

三、嵌入式技術发展现状

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，其以计算机技术为基础，以具体应用为核心，软硬件可进行裁剪来满足应用系统的相关要求，例如功能要求、稳定性要求、功耗要求、成本要求及体积大小要求等[2]。嵌入式系统的应用能够实现计算机技术、电子技术与各行各业应用的有效结合，其应用前景广泛。

嵌入式技术的快速发展和应用使得计算机分类模式发生了改变，从传统的按体积进行分来变化为通用型和嵌入型两类，涉及到的领域十分广泛，例如医疗领域、航天航空领域、军事领域、工业控制领域及金融领域中都能够看到嵌入式系统的身影。嵌入式系统中软硬件结合，要想从事此项工作，需要具备较高的计算机技能水平，具体来说如下：

一方面，是电子工程、通信工程等硬件专业方面的人才，这些人才以硬件设计和开发为主，开发硬件驱动程序，对硬件原理掌握较为清楚，但这些人才对复杂的软件系统往往能力较差，例如复杂应用软件、嵌入式操作系统的程序设计等。

另一方面，是偏软件专业的人才，这些人才在软件开发和嵌入式系统开发上造诣较高，且如果软件方面人才掌握了相关硬件原理，完全可以自主开发硬件驱动程序，硬件设计完成后则需要依赖于软件实现系统功能。但就目前来看，许多企业将硬件设计部分外包，硬件设计能力较弱，对硬件有所忽视，这就造成市场上对硬件嵌入式技术方面的人才短缺。

四、基于CDIO模式计算机硬件嵌入式技术发展方向

4.1无线网络技术

近年来，移动设备发展快速，无线网络也随之发展起来，人们对无线网的需求也越来越大，而软件系统是否能够支持无线网络也成为了嵌入式系统发展的关键所在[3]。因此，在今后的一段时期内，无线网络应用将成为嵌入式技术的重要发展方向，就目前来看，WIFI、蓝牙技术及无线传输技术等的应用越来越成熟，但需要注意的是，这些技术有着一定的局限性，其传输距离大多较近，这就需要在未来研发的过程中着重解决远距离传输的问题，例如3G协议栈的开发等。

4.2网络互连技术

在嵌入式系统不断发展和应用的背景下，各种互联网接口受到关注，传统的单片机难以满足对互联网接口的要求，从而催生了各种新型的嵌入式系统，例如微型处理器，从互联网接口方面来看，嵌入式处理器能够支持TCP/IP、USB、CAN、IEE1394等多种通信接口，一些先进的嵌入式处理器甚至能够同时支持几种接口，但同时也需要一些硬件驱动程序，只有这样才能够实现轻松上网，打破众多用户上网的时空限制。

4.3人工智能技术

归根结底，嵌入式技术的应用就是满足人类相关的应用服务，人工智能化的发展和使用则能够提升嵌入式技术的服务水平，将人工智能技术与嵌入式系统或产品相结合，实现人机交互，扩展嵌入式系统的服务应用范围。就目前来看，人工智能技术与嵌入式系统的结合在医疗卫生领域应用较为成熟，能够降低手术病人受到的伤害[4]。

而随着技术的发展和社会的进步，人工智能技术的应用范围将会得到进一步拓展，例如自动控压装置、自动控温装置等智能化仪表的应用越来越多，这都会促进人工智能技术的进一步发展。

五、基于CDIO模式的计算机硬件嵌入式技术人才培养

计算机硬件嵌入式技术课程的学习是一个系统性、长期性的过程，需要循序渐进，不仅涉及到原油的硬件课程，还涉及到后续嵌入式技术理论知识和嵌入式设计开发等。本文结合CDIO工程教育模式和理念，探讨计算机硬件嵌入式技术的人才培养方向和方法，具体来说如下。

5.1学习嵌入式系统基本知识

CDIO工程教育模式强调对构思、设计、实现及运作等产品整个生命周期的研究和学习，而对于嵌入式系统来说，其构思、设计、实现及运作都离不开嵌入式系统的基本知识，因此，在计算机硬件嵌入式技术人才培养过程中，嵌入式基本知识的学校至关重要。

嵌入式系统大体可以分为三类，其一为传统的实时多任务系统，即RTOS系统，主要包括Vxworks操作系统、Tornado开发平台等；其二为嵌入式Linux操作系统，其不仅可以作为服务器的操作系统，在嵌入式领域也有着良好的应用前景，系统免费，支持的软件众多，这会大大降低嵌入式产品的开发成本；其三为Windows CE嵌入式操作系统，如Microsoft等，其进入嵌入式市场前景良好，Windows CE嵌入式操作系统虽然于近几年才被研发出来，但却能够迅速抢占市场，尤其对于智能手机、显示仪表等对界面要求较高，Windows CE嵌入式操作系统的应用有着良好的效果。通过对嵌入式系统这些基础知识的学习，能够让学生全面掌握嵌入式软件整体开发环境情况和开发平台，形成对系统开发理性、直观的认识[5]。

5.2 ARM技术及嵌入式微处理器

当前嵌入式处理器种类较多，例如ARM处理器、MIPS处理器及PowerPC处理器等，其中应用最为广泛的处理器当属ARM，ARM有着四个通用处理器系列，不同系列能够提供的性能有所差异，但基本覆盖了大多应用领域，有效满足了不同应用领域的应用需求。以SecurCore系列为例，其专门应用于对安全等级要求较高的场合。因此，应当让学生积极学习ARM技术及相关嵌入式微处理器结构，为后续产品设计研发实践奠定基础。

5.3指令系统与硬件电路设计

一般来说，ARM微处理器有两种工作状态，且其能够在两种工作状态之间随时切换，第一种工作状态为ARM状态，在这种工作状态下，处理器执行的ARM指令为32位字对齐指令[6]；第二种工作状态为Thumb状态，在这种工作状态下，处理器执行的是Thumb指令，属于16位半字对齐指令。两种状态下指令有着一定的关系，即Thumb指令集合为ARM指令集合的功能子集，但相较于等价ARM代码来说，其能够有效节省存储空间，节省比例能够达到30%-40%之间。

对于嵌入式技术来说，其软硬件可以裁剪，因此应当做好硬件电路设计工作，通过有效的硬件电路设计来获取最优硬件组合，提升嵌入式系统的硬件性能。

除了上述提到的说那个方面之外，数字电路、数据结构算法及汇编语言和编程语言等也较为重要，需要在计算机硬件嵌入式技术人才培养中有所侧重。

六、结论

综上所述，在计算机领域，嵌入式系统的应用越来越广泛，计算机硬件嵌入式技术越来越受到关注，计算机嵌入式技术人才的培养应当以CDIO模式为指导，以市场需求为导向，以嵌入式技术发展趋势为依据，合理选择教学内容，培养先进的计算机硬件嵌入式技术人才。

参 考 文 献

[1]苏英.基于CDIO的微机原理与接口技术教学研究[J].中国管理信息化，2016（10）：218-219.

[2]杨伟力 李伟民 杨盛毅.基于CDIO理念的嵌入式系统课程改革实践[J].科教导刊（上旬刊），2016（06）：56-57.

[3]徐武雄.基于CDIO的地方高校嵌入式系统仿真实验室建设研究[J].中国电力教育，2012（19）：98-99.

[4]王伟 王杨 孟炜 李明.变电站自动化IED设备嵌入式通信模块的开发[J].科技资讯，2014（24）：9-10.

[5]张利芬 袁普及.嵌入式冗余计算机的设计与实现[J].計算机工程，2009（02）：230-232.

[6]裴小英.嵌入式网络化设备远程监控系统设计[J].装备制造技术，2008（11）：93-94+107.