嵌入式系统实践教学的研究.doc

嵌入式系统实践教学的研究 　　摘要:实践教学是嵌入式系统教学的关键环节,本文对嵌入式系统实践教学的内容、挑战与对策进行了探讨,提出实践教学内容上涵盖ARM体系结构、嵌入式操作系统移植和应用编程,方法上选取关键项目开展实验及学生参与搭建开发环境,并给出了嵌入式操作系统实验教学实例。 　　关键词:嵌入式系统;实践教学;开发环境 　　作者简介:曾炼成(1974-),男,湖南隆回人,湖南农业大学信息科学技术学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:嵌入式系统;沈岳(1965-),男,湖南长沙人,湖南农业大学信息科学技术学院,教授,主要研究方向:微型计算机原理与系统。(湖南 长沙 410128) 　　基金项目:本文系湖南省教学改革研究项目(项目编号:6003010241)的研究成果。 　　 　　在当代数字信息技术和网络技术高速发展的“后PC”时代,嵌入式技术已经成为这个时代最热门的技术之一。嵌入式系统融合了电子、计算机和通信等多种技术,广泛应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、仪器仪表、军事技术以及人们日常生活的各个领域中。社会对掌握嵌入式技术人才存在大量需求,嵌入式软硬件工程师成为未来几年最为热门的职业之一。 　　嵌入式系统的实践性、应用性极强,开发过程中的硬件和软件紧密结合,嵌入式系统的学习困难多、教学难度大。当前许多高校开设了嵌入式系统课程,但相当多的嵌入式系统课程教学仍然延续着重理论轻实践的传统,培养的嵌入式系统相关人才难以满足社会需求,突出体现在嵌入式系统开发所要求的实践动手能力难以达到要求,这种情况促成了当前嵌入式系统相关的社会培训机构层出不穷。因此,嵌入式系统实践教学的进一步加强成为嵌入式系统教学中亟待解决的关键问题。 　　一、嵌入式系统及其教学的特点 　　1.嵌入式系统 　　嵌入式系统通常定义为一种以应用为中心,以计算机为基础,软硬件可以剪裁,适用于系统,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。[1]嵌入式系统通常按嵌入式处理器分类:以8位单片机为代表的微控制器、DSP处理器、ARM为代表的32位嵌入式微处理器和FPGA为代表的片上系统(SOC)。现在一般情况下,嵌入式系统单指以32位嵌入式微处理器为核心的系统。由于ARM在32位嵌入式微处理器系统取得了巨大成功,ARM技术成为嵌入式系统中的主流技术,当前嵌入式系统教学通常是以ARM嵌入式微处理器为核心构建的嵌入式系统平台。 　　2.嵌入式系统教学特点 　　嵌入式系统教学的特点之一是综合性强。嵌入式系统融合了电子、计算机、通信等相关技术,涉及到很多专业知识。如图1所示为嵌入式系统的系统框架,它包括硬件层、中间层、软件层和功能层四层。[2]由于嵌入式系统的综合性较强,嵌入式系统教学要求有较多的先导课程,包括了电路分析、模拟电路、数字电路、微机原理与接口技术、C程序设计、操作系统原理等课程。[3]作为许多专业知识的综合,嵌入式系统理论课教学的重点在于各类知识的有机串联,并将之融合于嵌入式系统这个以应用为中心的特定的计算机系统中。嵌入式系统的实践课程涵盖了ARM体系结构、嵌入式操作系统移植和应用编程,从硬件到软件的广泛领域,同样也体现了其综合性。 　　嵌入式系统教学的特点之二是实践性强。嵌入式系统开发是在实践的过程中不断总结和创新。嵌入式系统教学的目的是培养嵌入式系统开发人才,无论是嵌入式系统硬件设计还是嵌入式系统软件编程,都离不开实践过程,只讲授概念而不充分开展实验是无法具备嵌入式系统开发能力的。 　　二、嵌入式系统实践教学内容、挑战与对策 　　1.嵌入式系统实践教学内容 　　与嵌入式系统内容体系一样,嵌入式系统实践教学同样有着完整的系统。图2所示为以ARM9 S3C2410为例的嵌入式系统实践教学内容。嵌入式系统实践教学包含ARM体系结构与编程、Bootloader与操作系统移植、嵌入式操作系统应用编程。ARM体系结构与编程是实现无操作系统(裸机系统)编程的基础,[4]Bootloader与操作系统移植和嵌入式系统应用编程是基于嵌入式操作系统编程的基础,ARM体系结构与编程同时也是后两者的基础。另外,系统中内部各个环节也有着内在的逻辑联系和相互渗透。所以,虽然时下基于嵌入式操作系统编程更受欢迎,教学上依然需要涉及整个实验系统。 　　2.嵌入式系统实践教学的挑战与对策 　　嵌入式系统实验教学的挑战之一是实验教学内容的选取。嵌入式系统实验在内容上的广泛性,实验课时的有限性,使得如何合理安排适当的实验内容对于嵌入式系统实践教学显得尤为重要。很多高校通常依据开设课程所具有的专业特色在嵌入式硬件和软件之间做出取舍,嵌入式系统开发实际是借助开发环境结合嵌入式系统硬件特性进行设计和编程,嵌入式系统中的系统软件和硬件是紧密结合的,过分侧