嵌入式系統(tǒng)課程的模塊教學(xué)法初探

嵌入式系統(tǒng)課程的模塊教學(xué)法初探嵌入式系統(tǒng)課程的模塊教學(xué)法初探

文章編號(hào)：1672-5913〔2022〕07-0122-04

中圖分類號(hào)：G642

1背景

目前，本科計(jì)算機(jī)類專業(yè)有兩大學(xué)科方向：一是電子信息類專業(yè)，主要以電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理為主，課程設(shè)置偏向硬件開發(fā)；另一個(gè)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)，以軟件開發(fā)、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主，課程設(shè)置更加注重網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和軟件編程。在這兩大計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科中，嵌入式系統(tǒng)被普遍認(rèn)為是比擬難進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的一門課程，原因是其既有硬件設(shè)計(jì)和底層編程，又有操作系統(tǒng)移植及軟件開發(fā)，課程波及的知識(shí)跨度大、綜合應(yīng)用能力要求高、知識(shí)點(diǎn)繁雜且不容易掌握。于是，對(duì)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的兩大學(xué)科方向來說，這門課程的教學(xué)都存在前導(dǎo)課程的缺乏。

對(duì)于電子信息類專業(yè)的學(xué)生來說，由于欠缺操作系統(tǒng)知識(shí)，系統(tǒng)編程能力有限，如果只講授純硬件編程，那么課程成為單片機(jī)課程的延伸，不能體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的核心和精髓，但在課程內(nèi)容中參加操作系統(tǒng)知識(shí)，不僅整個(gè)編程思想會(huì)發(fā)生大的變化，還需要補(bǔ)充講解很多知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生來說，他們學(xué)習(xí)這門課程時(shí)同樣存在短板。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是軟硬件可裁剪，就是根據(jù)應(yīng)用來定制系統(tǒng)軟硬件，而不掌握電路分析和模電數(shù)電根底，學(xué)生可能連看原理圖都存在障礙，對(duì)各種接口的時(shí)序分析也會(huì)有障礙，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)硬件架構(gòu)和驅(qū)動(dòng)開發(fā)局部時(shí)難以理解，因此嵌入式課程的教學(xué)辦法值得深入探討和研究。

2教學(xué)現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)體系中的重要性已毋庸置疑，文獻(xiàn)[1]從多種需求角度入手分析嵌入式系統(tǒng)的重要性；同時(shí)文章也指出，從廣義的角度來看，本門課程是一個(gè)非常龐大的學(xué)科體系，從硬件設(shè)計(jì)跨越到軟件開發(fā)，波及內(nèi)容廣泛，其很多分支，如編程語言、驅(qū)動(dòng)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)、APP開發(fā)等，都可以作為一門課程或研究方向進(jìn)行深入研究。僅從嵌入式系統(tǒng)這門課程來看，由于受到篇幅、學(xué)時(shí)等限制，不可能一一對(duì)課程波及的內(nèi)容展開介紹，而這個(gè)問題在業(yè)界也有過相關(guān)討論[2-3]。如何將軟硬件交叉設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)課程教好，其教學(xué)辦法和授課內(nèi)容是值得進(jìn)一步深入研究探討的。

2.1教材

現(xiàn)在市面上關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀教材不少，大致可以分為3類。

一是詳細(xì)介紹系統(tǒng)架構(gòu)〔如以ARM架構(gòu)的某一種平臺(tái)或某一款芯片為例〕、匯編語言及硬件接口的教材[4]。這類教材專注于介紹底層存放器和匯編語言，經(jīng)常有大段C語言和匯編語言代碼，對(duì)每種接口總線都講得比擬詳細(xì)并給出例程，因此，這類教材可以看作單片機(jī)課程的擴(kuò)展和延深，雖然底層講得細(xì)，但是根本不波及操作系統(tǒng)。

二是詳細(xì)介紹某一種嵌入式操作系統(tǒng)的教材，如Linux、uCOS或Vxworks等。這類書一般專門針對(duì)一種操作系統(tǒng)，從其下載移植、內(nèi)核結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)編程都作深入講解，這對(duì)于學(xué)習(xí)應(yīng)用某一類操作系統(tǒng)來說是很好的參考書和學(xué)習(xí)教材，但是這類書籍很少波及硬件架構(gòu)和匯編語言[5]。

三是回升到應(yīng)用程序開發(fā)的教材且主要以Android系《y開發(fā)為主，iOS相關(guān)書籍也不少。簡(jiǎn)單地說，就是做手機(jī)APP開發(fā)，這類書籍根本完全脫離硬件，直接講授軟件編程[6]。

3類書籍各有側(cè)重，對(duì)于打算深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)生來說，如果他們能認(rèn)真學(xué)習(xí)這3類書籍，收獲會(huì)很大，但是從教師選擇教材的角度來看，上述3種教材多少都有些“顧此失彼〞。

2.2課時(shí)

以課程設(shè)置64學(xué)時(shí)〔32學(xué)時(shí)理論+32學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)〕為例，如果課程中只介紹ARM架構(gòu)、匯編語言和接口設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)僅發(fā)展不帶操作系統(tǒng)的“底層編程〞，則，在講得比擬充沛的前提下，課時(shí)可能還會(huì)略顯充裕。如果參加嵌入式操作系統(tǒng)移植和驅(qū)動(dòng)開發(fā)的相關(guān)知識(shí)，課時(shí)立即就會(huì)顯得很緊張，而且這還是在要求學(xué)生有一定操作系統(tǒng)知識(shí)的前提下，如學(xué)習(xí)過Linux系統(tǒng)，根本掌握Shell命令。

由于各個(gè)學(xué)校課時(shí)設(shè)置不一，有以60學(xué)時(shí)或80學(xué)時(shí)設(shè)置的，也有以48學(xué)時(shí)或64學(xué)時(shí)設(shè)置的，甚至同一學(xué)校不同專業(yè)的課時(shí)設(shè)置也不一樣，因此想要有效發(fā)展教學(xué)，教師須備有靈活可變的教學(xué)計(jì)劃并根據(jù)學(xué)生的前導(dǎo)課程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣才能做到“有的放矢〞。

3模塊化教學(xué)

在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)中，教師很有必要為學(xué)生講解嵌入式系統(tǒng)移植和系統(tǒng)編程知識(shí)，因?yàn)檫@不僅能讓學(xué)生全面系統(tǒng)地了解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，還能為學(xué)生未來就業(yè)打下良好根底，更合乎高校應(yīng)用轉(zhuǎn)型的思想和要求。我們以ARM架構(gòu)+Linux內(nèi)核+Android系統(tǒng)組合為例，介紹如何使用模塊化辦法對(duì)課程進(jìn)行設(shè)置。

3.1內(nèi)容分析

首先可將課程內(nèi)容作初步劃分，明確課程波及的內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容可以粗分為底層硬件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用層級(jí)，其波及的知識(shí)點(diǎn)、開發(fā)工具或編程語言見表1。由于波及編程環(huán)境和具體開發(fā)方式過多，表1僅列出常用語言或軟件供參考。陰影局部是嵌入式系統(tǒng)課程主要講授的內(nèi)容，可以看出，嵌入式系統(tǒng)課程銜接硬件局部和應(yīng)用層開發(fā)，應(yīng)該起到“橋梁〞作用，讓學(xué)生明白系統(tǒng)移植的優(yōu)勢(shì)和開發(fā)流程，而不僅僅停留在單片機(jī)系統(tǒng)編程的水平。

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)定位以系統(tǒng)級(jí)為核心，略微偏硬件架構(gòu)和存放器，指令系統(tǒng)也是不可或缺的內(nèi)容，應(yīng)用級(jí)開發(fā)那么主要是另外一門課程的任務(wù)，如在智能終端開發(fā)課程中再詳細(xì)介紹手機(jī)APP的開發(fā)研究；本課程中可以簡(jiǎn)單作一點(diǎn)前導(dǎo)介紹，以這些內(nèi)容為根底，教師在實(shí)際教學(xué)中再根據(jù)不同學(xué)科進(jìn)行適當(dāng)取舍。

3.2教學(xué)辦法將嵌入式系統(tǒng)課程分為幾個(gè)主要模塊，其中每個(gè)模塊又包含小的模塊，各個(gè)模塊針對(duì)大綱要求和實(shí)際應(yīng)用情況分為精講、詳細(xì)、略講和可選幾個(gè)層次，見表2。

表2中概括了嵌入式系統(tǒng)課程的三大局部：根底、系統(tǒng)和應(yīng)用。這3塊都是本門課程必不可少的內(nèi)容，根底局部學(xué)生學(xué)習(xí)起來可能干燥乏味，但是該局部是系統(tǒng)開發(fā)的根底；系統(tǒng)局部是課程的精髓，包括介紹操作系統(tǒng)的內(nèi)核、編譯和移植，這些都是本門課程的重點(diǎn)；在嵌入式操作系統(tǒng)根底上開發(fā)和編程就是應(yīng)用模塊，從課程設(shè)置上來說，這局部的講授重點(diǎn)不應(yīng)該在本門課程上，但是這局部?jī)?nèi)容卻是最貼近實(shí)際工作的內(nèi)容，也是學(xué)生比擬感興趣的局部，具體講授到什么程度需要教師根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃。上述各局部的講授，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生專業(yè)前導(dǎo)課程作適當(dāng)調(diào)整，比照電子信息項(xiàng)目和物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)專業(yè)調(diào)整課程內(nèi)容，見表3。

針對(duì)不同專業(yè)相關(guān)前導(dǎo)課程的設(shè)置可以看出，電子信息類專業(yè)對(duì)電路局部比擬偏重，學(xué)生對(duì)外圍電路結(jié)構(gòu)、接口局部和底層編程根底的掌握情況還不錯(cuò)，但是對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)編程那么存在短板。物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目專業(yè)的學(xué)生剛好相反，具備Linux系統(tǒng)知識(shí)，也熟悉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等內(nèi)容，但是對(duì)電路根底和信號(hào)處理那么相對(duì)單薄?；谶@種情況，在嵌入式系統(tǒng)課程中分別為兩個(gè)專業(yè)設(shè)置側(cè)重不同的講授模塊，見表4。

發(fā)展嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)，教師應(yīng)當(dāng)把握3方面：一是大的原那么，即本門課程哪些內(nèi)容是應(yīng)該講到和波及的，因?yàn)楦鱾€(gè)學(xué)校教學(xué)大綱不一，也不可能一概而論；二是注意和各專業(yè)的前導(dǎo)課程設(shè)置結(jié)合，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控，這樣既節(jié)約課時(shí)，又能提高授課效率；三是和實(shí)用性以及市場(chǎng)需求結(jié)合，這一點(diǎn)也十分重要，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用性強(qiáng)、開展迅猛且新技術(shù)和新辦法層出不窮，如現(xiàn)在ARM架構(gòu)以Cortex系列為主，而市面上教材大多還在介紹ARM9〔并不是說ARM9不好，只是倡議教師應(yīng)該在上課的同時(shí)參加一些新的知識(shí)〕，還有如調(diào)試辦法，以前嵌入式系統(tǒng)調(diào)試以仿真器為主，但是現(xiàn)在有很多其他方式調(diào)試代碼，雖然實(shí)驗(yàn)課可能受到一定限制，不能全面演示，但是教師可以在授課時(shí)將相關(guān)辦法告知學(xué)生，讓感興趣的學(xué)生自學(xué)。

采用模塊化的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)辦法有下列幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

〔1〕各模塊相對(duì)獨(dú)立，除了一些聯(lián)系比擬緊密的局部，對(duì)單一模塊進(jìn)行修改或增減，不會(huì)對(duì)其他模塊的教學(xué)造成太大影響；

〔2〕針對(duì)不同模塊內(nèi)容如匯編語言、系統(tǒng)移植、系統(tǒng)編程、Android開發(fā)等，可以設(shè)置針對(duì)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，便于理清教學(xué)思路；

〔3〕有利于針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生有的放矢地進(jìn)行教學(xué)，防止通篇一律的講課辦法，提高學(xué)生聽課的積極性。

4結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)課程模塊化教學(xué)辦法的總原那么：針對(duì)不同專業(yè)和層次的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，需要作適當(dāng)調(diào)整，以防止在課程教學(xué)中由于波及面過大，導(dǎo)致學(xué)生因?qū)I(yè)前導(dǎo)課程缺乏而聽不懂、學(xué)不會(huì)。采用模塊化教學(xué)根本流程如下：

〔1〕根據(jù)本學(xué)院或本校學(xué)生的專業(yè)情況和總體水平，將嵌入式系統(tǒng)課程劃分為幾個(gè)大的模塊，大的模塊下又可根據(jù)情況分為假設(shè)干小的模塊；

〔2〕對(duì)于某一具體專業(yè)的教學(xué)，根據(jù)其前導(dǎo)課程和專業(yè)側(cè)重情況，對(duì)模塊進(jìn)行取舍，挑選出需要介紹的模塊內(nèi)容；

〔3〕根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步將模塊中的內(nèi)容分為精講、詳細(xì)和介紹3個(gè)層次，同時(shí)作統(tǒng)籌調(diào)整，使講授