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信息工程学院
课程设计报告书
专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 0312412 学 号： 031241217 学生姓名： 肖文洲 指导教师： 刘三军
计算机专业嵌入式系统课程的研究与实践
【摘 要】随着电子技术的发展，嵌入式技术成为当今信息技术发展的主流技术。嵌入式技术作为高校计算机专业的一个新方向已被许多学校采用。本文通过对嵌入式技术的分析，提出了嵌入式系统课程体系建设的基本方法，包括专业培养计划、嵌入式系统教学实践平台建设以及嵌入式系统教学模式与教学方法创新等。【关键词】嵌入式技术；研究与实践；计算机专业
随着电子技术和信息技术的快速发展及嵌入式硬件技术与软件技术的不断成熟，嵌入式系统的应用越来越广泛，如智能家电、手机、汽车电子、网络通信及电子娱乐产品等，随之而来的是社会对嵌入式产品开发人才的需求也越来越多。因此，许多高校都开设了嵌入式系统开发方面的系列课程。由于嵌入式系统课程涉及的知识面宽、实践性强，对实验教学的要求较高，包括实验教师、硬件配置、实验项目的设置等。因此，作为对新技术研究和探索最活跃的群体，高等院校如何接受嵌入式技术带来的挑战，尽快开设嵌入式系统的相关理论与实验课程，并逐渐形成较规范的教学体系已成为一个重要的研究课题。
一、嵌入式系统教学的特点
设置嵌入式系统课程的目的是让未来的软硬件开发人员了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法的概念、方法和工具。同时由于嵌入式系统对其他学科领域的渗透，其他相关专业的学生也有学习该课程的需求与必要。如其他电子、自动化专业都可开设相应的选修课程，在某种程度上可以提升毕业学生的竞争力、就业率。嵌入式系统课程的教学内容应包括嵌入式系统体系结构、硬件构架、软件编程及外围设备接口和驱动等，注重培养学生的设计能力和软件开发能力;尽量反映该领域近年来最新的理论与技术，使学生了解学科的最新发展。嵌入式系统课程的特点是涉及知识面广、综合性强、实践性强，并且学科发展快，因而学习难度大，难以形成一个简单明确的知识体系。同时该课程讲授难度很大，它要求教师不仅具备一般的计算机系统的软硬件知识，而且需要真正从事过嵌入式系统的开发实践，才能对嵌入式系统中的实时性等抽象概念和系统调试过程有感性认识。嵌入式系统教学主要有以下三个特点:(1)基础性。嵌入式系统技术涉及多个专业，如计算机工程、软件工程、工业自动控制、机电工程、精密仪器和电子工程等，嵌入式技术与各个专业相互渗透融合，将逐渐形成新的学科研究方向，因此，嵌入式系统可作为上述各专业的基础平台课，以强化专业基础知识。(2)综合性。嵌入式系统是软件和硬件设计的完美结合。它涉及电子信息、计算机、自动控制等诸多专业相关课程的内容，如语言、微机原理、单片机设计和操作系统等课程，有很强的综合性，因此，可以有效地对学生进行综合能力的培养。(3)实践性。嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程。实验是嵌入式系统课程的重要组成部分，缺乏实验的嵌入式系统课程学习是纸上谈兵，因此，学生必须通过大量的实验和实践环节，来加深对嵌入式系统理论知识的理解。
二、适合计算机专业的嵌入式系统课程体系
嵌入式系统涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，专业性强，包括了操作系统、微机原理、编程语言程序设计、计算机网络和接口设计等内容，是软件、硬件的完美结合。因此，嵌入式系统的设计原理与技术不是一门课程所能讲授的，需要建立一个课程体系。
嵌入式系统本身就是计算机系统。从广义上讲，目前计算机科学与技术专业的课程体系中所设置的许多专业基础课，比如数字逻辑、C/C++程序设计、计算机网络等，对嵌入式系统设计的学习者来说同样重要。在此，只从狭义的角度探讨嵌入式系统的课程体系设置。
由于嵌入式系统涉及的知识面广、应用层面广，所以应针对嵌入式系统设计与应用的不同层面的需求，设置不同层面的课程体系。从狭义上划分，嵌入式系统课程体系可以有以下三个不同的层面: 第一层面:针对将来只是应用嵌入式系统硬件、软件平台来进行二次开发的学生而言，应侧重培养其基于某个嵌入式系统平台上(包括硬件平台和软件平台)进行应用系统设计和开发的能力。因此，针对这一层面的学生应开设以下几门主要课程: 《嵌入式实时操作系统》：选取一个具体的操作系统比如uCLinux为例，讲授嵌入式操作系统的原理及应用，重点介绍如何进行任务划分、如何编写I/ O驱动程序等。《嵌入式系统设计》：重点介绍嵌入式系统设计步骤、方法，重点介绍嵌入式应用软件的开发技术，以及嵌入式系统的测试技术及软件优化技术。《嵌入式网络技术》：重点介绍基于嵌入式环境下的网络通信技术及应用，比如I2C总线技术、USB接口技术、嵌入式Web技术等，掌握相关的通信技术及接口编程。
第二层面:针对将来从事嵌入式系统平台设计及合作开发的学生而言，除需要学习上述三门课程外，还必须开设《嵌入式系统结构》课程。该课程重点介绍某个具有代表性的嵌入式CPU(如ARM系列)的系统结构、汇编指令系统、中断管理机制、常用外围接口，使学生掌握嵌入式平台设计的基础知识。前提是学生具备数字逻辑方面的相关基础知识。对于与第一个层面相同的课程，其授课中重点也不完全一样。比如，《嵌入式操作系统》课程可以嵌入式Linux为主，重点介绍进程调度、进程间通信、内存管理和I/O驱动机制等，使学生具备进行操作系统的裁剪、移植的基本能力。
第三层面:针对将来从事SOC(systemonChip)系统设计及开发的学生而言。主要课程有数字逻辑设计与应用、电子电路原理与PCB技术、EDA技术(FPGA设计及应用)、嵌入式系统结构、嵌入式操作系统等，偏重于底层的设计。
通过以上分析可以看出，第一层至第三层分别是嵌入式系统中由软到硬、由高层至底层的三个不同应用层次，对应不同的知识结构需求。第一层偏软，对底层的系统结构及接口等要求较低，是在当前比较容易实现的一个培养方向。在计算机本科专业中，软件方向比较适合开展第一个层面的嵌入式系统教学，应用方向比较适合开展第二个层面的嵌入式系统的教学。根据以上分析，可以提出在计算机本科专业开设嵌入式系统方向需要参照的课程体 系:(1)专业基础课:嵌入式系统概论、嵌入式系统原理与接口技术。(2)专业必修课:嵌入式操作系统、嵌入式系统应用设计。
(3)专业选修课:嵌入式网络技术、嵌入式系统测试技术、嵌入式工程应用(即行业领域，如移动通信技术与应用、数字家庭网关技术等)、分布式嵌入式系统原理与设计等。
作为课程体系的一部分，实践教学是嵌入式系统教学的关键。实践教学设置的总体指导思想是:以培养创新动手能力为核心，建立“系统的多级课程实践”的实验体系，包含课程基础实验、课程设计、综合项目设计;同时，以“项目为中心”设计多层次的集中实践题目，各层次的题目难度不等，以适合不同层次的学生[4]。
(1)每门课保证至少30%以上的上机或实验学时，完成基础实验项目。(2)至少有两门课的课程设计(约两周)，如ARM汇编程序设计、操作系统移植实验、LCD/触摸屏等接口实验等等。(3)至少完成一个综合课程设计(课余时间+综合实训时间共约40学时)，类似于一个简单的工程项目，有设计、编程调试、性能测试等完整的步骤如手机游戏、校园导航、电子词典、嵌入式WEB服务器等。
(4)校企合作，建立实习基地，联合完成项目设计。
三、嵌入式系统课程体系在计算机专业的实践
我们在分析了企业对嵌入式人才需求的基础上，提出了“在计算机本科专业培养嵌入式系统人才”的具体实施方案，并在2007级、2008级本科生中进行了实践。
该课程定位为实验研究型。目标是通过嵌入式实验平台学习构建一个嵌入式系统的一般方法，熟悉一些常用的微处理器、存储器、外设接口并学习软硬件设计方法。掌握嵌入式操作系统，定制内核，编译下载调试，编写驱动程序和应用程序等，最后要求实现或部分实现一个具体嵌入式应用的解决方案，并在硬件平台上实现出来。
课程的主要内容包括:(1)典型嵌入式系统的基本配置､硬/软件综合设计方法和流程､应用范例｡(2)硬件环境微处理器､存储器､I/O 口､外设接口和驱动､电源转换和管理､总线､硬件调试｡(3)嵌入式操作系统､操作系统内核､Linux 和uCLinux､任务和任务调度､实时 OS､ GUI､API､文件系统等｡(4)嵌入式网络通过和计算机网络结合, 开发基于网络接的应用｡(5)软件开发过程､交叉编译､链接调试､下载､板级支持包｡(6)驱动程序､设备驱动机制､按键和触摸屏驱动､网口驱动､红外､USB 驱动｡
实验是嵌入式系统教学的一个比较重要的环节，实验大纲的制定是保证课程教学大纲目标实现的一个重要环节，制定出符合学生实际的实验大纲对计算机科学与技术专业培养目标的实现至关重要。按难易程度的不同，实验内容分为两个层次：基本实验与综合应用实验。基本实验目的是让学生了解嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程，进行基本的嵌入式程序开发。综合应用实验目的是让学生综合运用前面所学到的知识，按照指定的题目，自行设计开发嵌入式应用程序。基本实验包括嵌入式软件开发基础实验、人机接口实验、通信与音频接口实验、简单驱动程序实验和嵌入式操作系统移植实验等。对于综合应用实验，给出多个题目，选择其一，学生也可以自选题目。设备选 择 了 北 京 博 创 公 司 所 开 发 的PXA270教学实验平台,由于 PXA270 性能好,实验开发板的外围设备又很丰富，使得实验选题更加灵活。
课程设计及毕业设计中对所学知识的运用与提高在理论学习结束后，学生对嵌入式系统开发的各个环节有了较深入的理解与掌握。我们的方法是在课程设计和毕业设计中深化学习。课程设计中，结合实验用开发平台，选择了如MP3模拟控制系统等在实际中真正是嵌入式大行其道的应用领域。在毕业设计中，我们布置了诸如“嵌入式智能控制器”，“嵌入式音频控制器”，“内核裁减”设计等工作，这些设计要求学生从软硬件协同设计到软硬件的测试方法等有深刻的掌握。还有组织学生参加大学生嵌入式设计竞赛等教学活动。
四、结束语
随着嵌入式应用的迅猛发展,企业对嵌入式人才需求的缺口越来越大,越来越多的高校开始加强嵌入式系统的教学和科研,培养更多的适应社会需求嵌入式系统人才。本文所设置的针对计算机本科专业的嵌入式系统课程体系,融合了企业的需求和计算机专业的特点,符合实际应用。针对两年实践中存在的问题,在以后的教学中将不断完善。
参考文献：
[1]田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[2]符意德.嵌入式系统教学及实验内容的探讨[J].军工高
[3]贾志平.嵌入式系统原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.[4]柳翔.嵌入式软件工程人才培养的探索与实践[J].计算机教育,2005,5.
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