嵌入式系统课程的模块教学法初探
文章编号：1672-5913（2017）07-0122-04
中图分类号：G642
1 背 景
目前，本科计算机类专业有两大学科方向：一是电子信息类专业，主要以电路设计和信号处理为主，课程设置偏向硬件开发；另一个是计算机类专业，以软件开发、操作系统和网络技术为主，课程设置更加注重网络建设和软件编程。在这两大计算机专业学科中，嵌入式系统被普遍认为是比较难进行教学和实验的一门课程，原因是其既有硬件设计和底层编程，又有操作系统移植及软件开发，课程涉及的知识跨度大、综合应用能力要求高、知识点繁杂且不容易掌握。于是，对计算机类专业的两大学科方向来说，这门课程的教学都存在前导课程的不足。
对于电子信息类专业的学生来说，由于欠缺操作系统知识，系统编程能力有限，如果只讲授纯硬件编程，则课程成为单片机课程的延伸，不能体现嵌入式系统的核心和精髓，但在课程内容中加入操作系统知识，不仅整个编程思想会发生大的变化，还需要补充讲解很多知识点。对于计算机类专业的学生来说，他们学习这门课程时同样存在短板。嵌入式系统的特点是软硬件可裁剪，就是根据应用来定制系统软硬件，而不掌握电路分析和模电数电基础，学生可能连看原理图都存在障碍，对各种接口的时序分析也会有障碍，导致在学习硬件架构和驱动开发部分时难以理解，因此嵌入式课程的教学方法值得深入探讨和研究。
2 教学现状分析
嵌入式系统在计算机体系中的重要性已毋庸置疑，文献[1]从多种需求角度入手分析嵌入式系统的重要性；同时文章也指出，从广义的角度来看，本门课程是一个非常庞大的学科体系，从硬件设计跨越到软件开发，涉及内容广泛，其很多分支，如编程语言、驱动开发、嵌入式操作系统、APP 开发等，都可以作为一门课程或研究方向进行深入研究。仅从嵌入式系统这门课程来看，由于受到篇幅、学时等限制，不可能一一对课程涉及的内容展开介绍，而这个问题在业界也有过相关讨论[2-3]。如何将软硬件交叉设计的嵌入式系统课程教好，其教学方法和授课内容是值得进一步深入研究探讨的。
2.1 教 材
现在市面上关于嵌入式系统的优秀教材不少，大致可以分为3类。
一是详细介绍系统架构（如以ARM 架构的某一种平台或某一款芯片为例）、汇编语言及硬件接口的教材[4]。这类教材专注于介绍底层寄存器和汇编语言，经常有大段 C 语言和汇编语言代码，对每种接口总线都讲得比较详细并给出例程，因此，这类教材可以看作单片机课程的扩展和延深，虽然底层讲得细，但是基本不涉及操作系统。
二是详细介绍某一种嵌入式操作系统的教材，如Linux、uCOS或Vxworks等。这类书一般专门针对一种操作系统，从其下载移植、内核结构到系统编程都作深入讲解，这对于学习应用某一类操作系统来说是很好的参考书和学习教材，但是这类书籍很少涉及硬件架构和汇编语言[5]。
三是上升到应用程序开发的教材且主要以 Android系?y开发为主，iOS 相关书籍也不少。简单地说，就是做手机 APP 开发，这类书籍基本完全脱离硬件，直接讲授软件编程[6]。
3类书籍各有侧重，对于打算深入学习嵌入式系统的学生来说，如果他们能认真学习这3类书籍，收获会很大，但是从教师选择教材的角度来看，上述3种教材多少都有些“顾此失彼”。
2.2 课 时
以课程设置64学时（32学时理论+32学时实验）为例，如果课程中只介绍ARM架构、汇编语言和接口设计，实验仅开展不带操作系统的“底层编程”，那么，在讲得比较充分的前提下，课时可能还会略显富余。如果加入嵌入式操作系统移植和驱动开发的相关知识，课时立即就会显得很紧张，而且这还是在要求学生有一定操作系统知识的前提下，如学习过Linux系统，基本掌握 Shell 命令。
由于各个学校课时设置不一，有以 60学时或80学时设置的，也有以48学时或64学时设置的，甚至同一学校不同专业的课时设置也不一样，因此想要有效开展教学，教师须备有灵活可变的教学方案并根据学生的前导课程进行适当调整，这样才能做到“有的放矢”。
3 模块化教学
在嵌入式系统的教学中，教师很有必要为学生讲解嵌入式系统移植和系统编程知识，因为这不仅能让学生全面系统地了解嵌入式系统设计的核心，还能为学生未来就业打下良好基础，更符合高校应用转型的思想和要求。我们以ARM架构+Linux内核+Android系统组合为例，介绍如何使用模块化方法对课程进行设置。
3.1 内容分析
首先可将课程内容作初步划分，明确课程涉及的内容。嵌入式系统课程内容可以粗分为底层硬件级、系统级和应用层级，其涉及的知识点、开发工具或编程语言见表1。由于涉及编程环境和具体开发方式过多，表1仅列出常用语言或软件供参考。阴影部分是嵌入式系统课程主要讲授的内容，可以看出，嵌入式系统课程衔接硬件部分和应用层开发，应该起到“桥梁”作用，让学生明白系统移植的优势和开发流程，而不仅仅停留在单片机系统编程的水平。
嵌入式系统的教学定位以系统级为核心，略微偏硬件架构和寄存器，指令系统也是不可或缺的内容，应用级开发则主要是另外一门课程的任务，如在智能终端开发课程中再详细介绍手机APP的开发研究；本课程中可以简单作一点前导介绍，以这些内容为基础，教师在实际教学中再根据不同学科进行适当取舍。
3.2 教学方法 将嵌入式系统课程分为几个主要模块，其中每个模块又包含小的模块，各个模块针对大纲要求和实际应用情况分为精讲、详细、略讲和可选几个层次，见表 2。
表2中概括了嵌入式系统课程的三大部分：基础、系统和应用。这3块都是本门课程必不可少的内容，基础部分学生学习起来可能枯燥乏味，但是该部分是系统开发的基础；系统部分是课程的精髓，包括介绍操作系统的内核、编译和移植，这些都是本门课程的重点；在嵌入式操作系统基础上开发和编程就是应用模块，从课程设置上来说，这部分的讲授重点不应该在本门课 程上，但是这部分内容却是最贴近实际工作的内容，也是学生比较感兴趣的部分，具体讲授到什么程度需要教师根据实际情况进行规划。上述各部分的讲授，教师应根据学生专业前导课程作适当调整，对比电子信息工程和物联网工程两个专业调整课程内容，见表3。
针对不同专业相关前导课程的设置可以看出，电子信息类专业对电路部分比较偏重，学生对外围电路结构、接口部分和底层编程基础的掌握情况还不错，但是对于系统架构、网络结构以及系统编程则存在短板。物联网工程专业的学生刚好相反，具备Linux 系统知识，也熟悉网络协议等内容，但是对电路基础和信号处理则相对薄弱。基于这种情况，在嵌入式系统课程中分别为两个专业设置侧重不同的讲授模块，见表 4。
开展嵌入式系统课程的教学，教师应当把握3方面：一是大的原则，即本门课程哪些内容是应该讲到和涉及的，因为各个学校教学大纲不一，也不可能一概而论；二是注意和各专业的前导课程设置结合，根据专业特点进行适当调控，这样既节约课时，又能提高授课效率；三是和实用性以及市场需求结合，这一点也十分重要，嵌入式系统应用性强、发展迅猛且新技术和新方法层出不穷，如现在ARM架构以Cortex系列为主，而市面上教材大多还在介绍ARM9（并不是说ARM9不好，只是建议教师应该在上课的同时加入一些新的知识），还有如调试方法，以前嵌入式系统调试以仿真器为主，但是现在有很多其他方式调试代码，虽然实验课可能受到一定限制，不能全面演示，但是教师可以在授课时将相关方法告知学生，让感兴趣的学生自学。
采用模块化的嵌入式系统课程教学方法有以下几个优点：
（1）各模块相对独立，除了一些联系比较紧密的部分，对单一模块进行修改或增减，不会对其他模块的教学造成太大影响；
（2） 针对不同模块内容如汇编语言、系统移植、系统编程、Android 开发等，可以设置针对性较强的实验，便于理清教学思路；
（3）有利于针对不同专业学生有的放矢地进行教学，避免通篇一律的讲课方法，提高学生听课的积极性。
4 结 语
嵌入式系统课程模块化教学方法的总原则：针对不同专业和层次的学生进行教学，需要作适当调整，以避免在课程教学中由于涉及面过大，导致学生因专业前导课程不足而听不懂、学不会。采用模块化教学基本流程如下：
（1）根据本学院或本校学生的专业情况和总体水平，将嵌入式系统课程划分为几个大的模块，大的模块下又可根据情况分为若干小的模块；
（2）对于某一具体专业的教学，根据其前导课程和专业侧重情况，对模块进行取舍，挑选出需要介绍的模块内容；
（3）根据实际情况进一步将模块中的内容分为精讲、详细和介绍3个层次，同时作统筹调整，使讲授内容基本符合整体课时要求；
（4）在讲授过程中，教师可以根据学生反馈作进一步微调。最终，通过2～3轮的课程教学，找出结合本校实际情况的具体授课和操作方法。总而言之，嵌入式系统是一门跨度大、交叉应用性强的学科，其课程无论是内容设置还是讲授难度都相对较大，但是如果教学方法得当，教学效果好，那么对于学生今后的就业会有相当大的帮助，这也符合本科应用型人才培养的基本思想和理念。
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