嵌入式系統(tǒng)課程的模塊教學法初探

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

文章編號：1672-5913〔2022〕07-0122-04

中圖分類號：G642

1背景

目前，本科計算機類專業(yè)有兩大學科方向：一是電子信息類專業(yè)，主要以電路設計和信號處理為主，課程設置偏向硬件開發(fā)；另一個是計算機類專業(yè)，以軟件開發(fā)、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術為主，課程設置更加注重網(wǎng)絡建設和軟件編程。在這兩大計算機專業(yè)學科中，嵌入式系統(tǒng)被普遍認為是比擬難進行教學和實驗的一門課程，原因是其既有硬件設計和底層編程，又有操作系統(tǒng)移植及軟件開發(fā)，課程波及的知識跨度大、綜合應用能力要求高、知識點繁雜且不容易掌握。于是，對計算機類專業(yè)的兩大學科方向來說，這門課程的教學都存在前導課程的缺乏。

對于電子信息類專業(yè)的學生來說，由于欠缺操作系統(tǒng)知識，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，不僅整個編程思想會發(fā)生大的變化，還需要補充講解很多知識點。對于計算機類專業(yè)的學生來說，他們學習這門課程時同樣存在短板。嵌入式系統(tǒng)的特點是軟硬件可裁剪，就是根據(jù)應用來定制系統(tǒng)軟硬件，而不掌握電路分析和模電數(shù)電根底，學生可能連看原理圖都存在障礙，對各種接口的時序分析也會有障礙，導致在學習硬件架構和驅動開發(fā)局部時難以理解，因此嵌入式課程的教學辦法值得深入探討和研究。

2教學現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)在計算機體系中的重要性已毋庸置疑，文獻[1]從多種需求角度入手分析嵌入式系統(tǒng)的重要性；同時文章也指出，從廣義的角度來看，本門課程是一個非常龐大的學科體系，從硬件設計跨越到軟件開發(fā)，波及內(nèi)容廣泛，其很多分支，如編程語言、驅動開發(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、學時等限制，不可能一一對課程波及的內(nèi)容展開介紹，而這個問題在業(yè)界也有過相關討論[2-3]。如何將軟硬件交叉設計的嵌入式系統(tǒng)課程教好，其教學辦法和授課內(nèi)容是值得進一步深入研究探討的。

2.1教材

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

一是詳細介紹系統(tǒng)架構〔如以ARM架構的某一種平臺或某一款芯片為例〕、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，對每種接口總線都講得比擬詳細并給出例程，因此，這類教材可以看作單片機課程的擴展和延深，雖然底層講得細，但是根本不波及操作系統(tǒng)。

二是詳細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一種操作系統(tǒng)，從其下載移植、內(nèi)核結構到系統(tǒng)編程都作深入講解，這對于學習應用某一類操作系統(tǒng)來說是很好的參考書和學習教材，但是這類書籍很少波及硬件架構和匯編語言[5]。

三是回升到應用程序開發(fā)的教材且主要以Android系《y開發(fā)為主，iOS相關書籍也不少。簡單地說，就是做手機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類書籍各有側重，對于打算深入學習嵌入式系統(tǒng)的學生來說，如果他們能認真學習這3類書籍，收獲會很大，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

以課程設置64學時〔32學時理論+32學時實驗〕為例，如果課程中只介紹ARM架構、匯編語言和接口設計，實驗僅發(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，課時可能還會略顯充裕。如果參加嵌入式操作系統(tǒng)移植和驅動開發(fā)的相關知識，課時立即就會顯得很緊張，而且這還是在要求學生有一定操作系統(tǒng)知識的前提下，如學習過Linux系統(tǒng)，根本掌握Shell命令。

由于各個學校課時設置不一，有以60學時或80學時設置的，也有以48學時或64學時設置的，甚至同一學校不同專業(yè)的課時設置也不一樣，因此想要有效發(fā)展教學，教師須備有靈活可變的教學計劃并根據(jù)學生的前導課程進行適當調(diào)整，這樣才能做到“有的放矢〞。

3模塊化教學

在嵌入式系統(tǒng)的教學中，教師很有必要為學生講解嵌入式系統(tǒng)移植和系統(tǒng)編程知識，因為這不僅能讓學生全面系統(tǒng)地了解嵌入式系統(tǒng)設計的核心，還能為學生未來就業(yè)打下良好根底，更合乎高校應用轉型的思想和要求。我們以ARM架構+Linux內(nèi)核+Android系統(tǒng)組合為例，介紹如何使用模塊化辦法對課程進行設置。

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、系統(tǒng)級和應用層級，其波及的知識點、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用層開發(fā)，應該起到“橋梁〞作用，讓學生明白系統(tǒng)移植的優(yōu)勢和開發(fā)流程，而不僅僅停留在單片機系統(tǒng)編程的水平。

嵌入式系統(tǒng)的教學定位以系統(tǒng)級為核心，略微偏硬件架構和存放器，指令系統(tǒng)也是不可或缺的內(nèi)容，應用級開發(fā)那么主要是另外一門課程的任務，如在智能終端開發(fā)課程中再詳細介紹手機APP的開發(fā)研究；本課程中可以簡單作一點前導介紹，以這些內(nèi)容為根底，教師在實際教學中再根據(jù)不同學科進行適當取舍。

3.2教學辦法將嵌入式系統(tǒng)課程分為幾個主要模塊，其中每個模塊又包含小的模塊，各個模塊針對大綱要求和實際應用情況分為精講、詳細、略講和可選幾個層次，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)和應用。這3塊都是本門課程必不可少的內(nèi)容，根底局部學生學習起來可能干燥乏味，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；在嵌入式操作系統(tǒng)根底上開發(fā)和編程就是應用模塊，從課程設置上來說，這局部的講授重點不應該在本門課程上，但是這局部內(nèi)容卻是最貼近實際工作的內(nèi)容，也是學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)實際情況進行規(guī)劃。上述各局部的講授，教師應根據(jù)學生專業(yè)前導課程作適當調(diào)整，比照電子信息項目和物聯(lián)網(wǎng)項目兩個專業(yè)調(diào)整課程內(nèi)容，見表3。

針對不同專業(yè)相關前導課程的設置可以看出，電子信息類專業(yè)對電路局部比擬偏重，學生對外圍電路結構、接口局部和底層編程根底的掌握情況還不錯，但是對于系統(tǒng)架構、網(wǎng)絡結構以及系統(tǒng)編程那么存在短板。物聯(lián)網(wǎng)項目專業(yè)的學生剛好相反，具備Linux系統(tǒng)知識，也熟悉網(wǎng)絡協(xié)議等內(nèi)容，但是對電路根底和信號處理那么相對單薄。基于這種情況，在嵌入式系統(tǒng)課程中分別為兩個專業(yè)設置側重不同的講授模塊，見表4。

發(fā)展嵌入式系統(tǒng)課程的教學，教師應當把握3方面：一是大的原那么，即本門課程哪些內(nèi)容是應該講到和波及的，因為各個學校教學大綱不一，也不可能一概而論；二是注意和各專業(yè)的前導課程設置結合，根據(jù)專業(yè)特點進行適當調(diào)控，這樣既節(jié)約課時，又能提高授課效率；三是和實用性以及市場需求結合，這一點也十分重要，嵌入式系統(tǒng)應用性強、開展迅猛且新技術和新辦法層出不窮，如現(xiàn)在ARM架構以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，只是倡議教師應該在上課的同時參加一些新的知識〕，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，雖然實驗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將相關辦法告知學生，讓感興趣的學生自學。

采用模塊化的嵌入式系統(tǒng)課程教學辦法有下列幾個優(yōu)點：

〔1〕各模塊相對獨立，除了一些聯(lián)系比擬緊密的局部，對單一模塊進行修改或增減，不會對其他模塊的教學造成太大影響；

〔2〕針對不同模塊內(nèi)容如匯編語言、系統(tǒng)移植、系統(tǒng)編程、Android開發(fā)等，可以設置針對性較強的實驗，便于理清教學思路；

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

4結語

嵌入式系統(tǒng)課程模塊化教學辦法的總原那么：針對不同專業(yè)和層次的學生進行教學，需要作適當調(diào)整，以防止在課程教學中由于波及面過大，導致學生因專業(yè)前導課程缺乏而聽不懂、學不會。采用模塊化教學根本流程如下：

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

〔2〕對于某一具體專業(yè)的教學，根據(jù)其前導課程和專業(yè)側重情況，對模塊進行取舍，挑選出需要介紹的模塊內(nèi)容；

〔3〕根據(jù)實際情況進一步將模塊中的內(nèi)容分為精講、詳細和介紹3個層次，同時作統(tǒng)籌調(diào)整，使講授