嵌入式系统教学研究与探讨

尹晓红，王新立，林明明

(1青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042;2山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

随着半导体技术、计算机技术的发展，嵌入式系统已经深入我们的日常生活和工作中，例如智能化家居、智能汽车、智能手机等等，当前的智能化科技都离不开嵌入式系统技术的支持。随着"新工科"建设探索的逐渐深入，嵌入式系统的功能也将越来越丰富，操作越来越复杂，针对嵌入式系统的培训和课程也变得越来越重要。然而，当前高校中现有的嵌入式系统教学受到教学方法和实验平台的限制，学生只能掌握书本知识，缺乏创新意识和实践能力，已经无法满足社会对高级应用型人才的需求，亟需对嵌入式系统教学进行改革，使学生既能掌握基本嵌入式系统知识，又能够举一反三，运用所学知识自主分析和设计小型嵌入式应用系统，提高学生的实践能力。

嵌入式系统，是一门以应用为中心的专用计算机系统。其中，它的软件和硬件都可根据应用的需求进行剪裁，因此，它在功能方面、成本方面、功耗方面、体积方面以及可靠性方面等都有严格的要求[1]。概括地说，嵌入式系统是一个嵌入到任意产品中的计算机系统，它涵盖了计算机原理、微机原理、接口技术、操作系统、编程语言程序设计等多门学科知识，是跨学科交叉性强的专业课程。要让学生牢固掌握嵌入式系统基本知识，能够独立完成简单的嵌入式应用系统，需要结合课堂教学环节和实验教学环节，课堂教学中教授学生先进的系统知识，拓宽学生的学习视野；实验教学中锻炼学生的动手能力，培养学生的创新能力，学与做相辅相成，使学生对嵌入式系统达到真正的掌握和运用[2-3]。

嵌入式系统课程是一门专业性课程，同时也是工业智能化、互联网产业化等未来工业主要发展方向的基础课程，因此，本文针对嵌入性系统的特点以及对新工科人才培养的理念，研究了嵌入式系统课堂教学、实验教学等基础问题，提高嵌入式系统的教学水平。

1 嵌入式系统的课堂教学

针对嵌入式系统课程的课堂教学，应重点从三个方面向学生传授知识：一是嵌入式系统的基础性知识，包括嵌入式系统的概况、软硬件组成，使学生能够掌握STM32系列ARM处理器的体系结构，包括硬件结构和软件结构，掌握硬件的外设组成及其特点，并掌握相关外设的程序设计。二是嵌入式系统的编程知识，让学生能够掌握ARM指令集和Thumb指令集，熟悉编程工具及其使用方法，能够基于该编程工具和方法对工业过程的工程问题进行简单的设计实验。三是进一步介绍嵌入式操作系统知识[4]，包括嵌入式操作系统的原理和特点，并使学生能够掌握 操作系统的内核，掌握操作系统的基本使用方法，能够基于操作系统开发简单的嵌入式软件，移植操作系统到STM32系列处理器。以上三部分内容层层递进，融会贯通，从而在课堂教学中让学生掌握嵌入式系统的知识重点与难点。

在课堂教学过程中，由于学生接触理论知识感到枯燥难理解，并不能达到较好的学习效果，因此建议教师在课堂教学过程中结合实验操作，例如经典的流水灯实验，让学生看到实际的流水灯实验装置，引起学生的兴趣，然后向学生讲授这一实验过程中用到的接口、外设以及指令等，学生在这一过程中产

生兴趣，激发好奇心，从而产生对知识的渴望。结合实验的新型课堂教学更有助于学生对知识的理解和掌握。

2 嵌入式系统的实验教学

嵌入式系统课程是一门专业性强的基础课程，单纯依靠课堂教学并不能达到融会贯通的效果，因此，嵌入式系统还应设置相应的实验教学，既有利于学生理解嵌入式系统基本知识，又有助于增强学生的动手能力[5]。实验教学是验证、巩固和补充课堂讲授的理论知识的必要环节。结合教学环节，实验课程的设计应与教学内容相辅相成。因此，实验教学应结合三方面的课堂教学来设计三个以上的基础实验。

第一个实验应让学生熟悉实验开发平台，可根据课堂教学的教学内容选取实验开发平台，例如基于ARM-CORTEX-M3的教学实验开发平台，并熟悉编译软件，例如KEIL软件。在了解了实验平台的基础上，可设计输入输出端口使用的实验，设计按键输入控制LED灯的简单实验，让学生掌握GPIO输入与输出特性。第二个实验重点要求学生掌握指令编程。可设计中断系统及定时器的实验，一方面让学生熟悉程序设计方法，另一方面掌握中断系统和定时器等重要外设的特性和用途。第三个设计实验应基于操作系统，例如 操作系统，使学生基本掌握操作系统的基本运行机制，并会使用操作系统的邮箱传递信息。例如，可设计基于 的GPIO使用，通过操作系统实现按键检测任务和LED显示任务，并使用消息有效传递按键值给LED显示任务。除以上三个实验之外，教师也可根据课程安排自选实验设计，目的是引导学生运用所学知识解决实验问题，注重学生对程序逻辑的分析和解决问题的能力的培养。

3 结论

随着“新工科”建设和人工智能技术的高速发展，嵌入式系统技术人才的需求日益增加，对嵌入式系统教学的要求也越来越高。嵌入式系统教学亟需改革，课堂教学不仅传授知识，更要注重启发，引导学生开阔思路，使学生由被动接收知识变为主动思考和解决问题，实验过程中注重理论联系实际，让学生增强动手能力，丰富理论知识，培养创新能力。

[1] 王益涵，孙宪坤，史志才.嵌入式系统原理及应用:基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器[M].北京：清华大学出版社, 2016.

[2] 仲伟波，包亚萍，付跃文，等.关于嵌入式系统教学的几点思考[J].实验室研究与探索,2006,25(12):1565-1568.

[3] 王福刚，杨文君，葛良全.嵌入式系统的发展与展望[J].计算机测量与控制,2014,22(12):3843-3863.

[4] 任 哲.嵌入式实时操作系统 原理及应用[M].4版.北京：北京航空航天大学出版社,2016.

[5] 宋焱翼，陈 礼，颜 芳.嵌入式系统实验教学改革与实验教学装置开发[J].实验室研究与探索,2011,30(7):239-241.