計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系構(gòu)建研究

王益涵 史志才 孔麗紅

摘 要：高校計(jì)算機(jī)專業(yè)紛紛開設(shè)嵌入式方向，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其重要組成部分。針對(duì)嵌入式技術(shù)特點(diǎn)和嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)架構(gòu)自下而上重構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從最小系統(tǒng)開始搭建開放、兼容的嵌入式軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自頂向下構(gòu)建基于“目標(biāo)—能力—內(nèi)容—平臺(tái)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，根據(jù)學(xué)校背景和專業(yè)特色確定嵌入式人才培養(yǎng)目標(biāo)，為計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向人才培養(yǎng)提供必要支撐。

關(guān)鍵詞：嵌入式方向;自頂向下;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

DOI：10. 11907/rjdk. 182659 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）007-0209-04

Construction on Experimental Teaching System of

Embedded Curriculum for Computer Specialty

WANG Yi-han，SHI Zhi-cai，KONG Li-hong

（School of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract：As a new interdiscipline based on computer technology， embedded system has become a hot spot in recent years. Now embedded curriculum has been set up for computer specialty in many universities. Furthermore experimental teaching is an important part of embedded curriculum for the computer specialty. Firstly the features of embedded technology and the problems of embedded experimental teaching were analyzed. And with a view to the characteristics of computer specialty and the background of our university， Top down method was adopted. Secondly the objective and the ability of talent in the embedded system were presented. Thirdly the content of experimental teaching was reorganized from bottom up based on the knowledge hierarchy of embedded system. Fourthly starting with minimum system based on microcontroller an open and cross-curricular experimental platform consisting of software and hardware was built. Finally the experimental teaching system of embedded curriculum for computer specialty was established from the perspective of objective， ability， content and platform， which provides the essential support for raising the talents in the embedded system.

Key Words：embedded curriculum;top down;experimental teaching system

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201702119030）;上海市教委本科重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（s201702003）;上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目（17511110200）;上海工程技術(shù)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（k201702003）

作者簡(jiǎn)介：王益涵（1981-），男，碩士，上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)教學(xué)。

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是21世紀(jì)最有生命力的新興技術(shù)之一，它以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，其軟硬件可裁剪，是功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于工業(yè)制造、儀器儀表、汽車電子、軍事裝備、航空航天和移動(dòng)通信等多個(gè)領(lǐng)域[1-4]。隨著嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)嵌入式人才需求也迅速增加[5-6]。許多高校在機(jī)械、電氣信息類專業(yè)開設(shè)了嵌入式課程。嵌入式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)專業(yè)具有天然聯(lián)系，不少高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)整合嵌入式相關(guān)課程，形成嵌入式方向，建立嵌入式實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)培養(yǎng)嵌入式人才。

嵌入式方向的人才培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究有：王冠軍等[7]結(jié)合卓越工程師計(jì)劃與學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)，構(gòu)建以創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的卓越工程師理論課程體系;吳玉峰等 [8]以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為宗旨，在“3+1”人才培養(yǎng)模式基礎(chǔ)上建立嵌入式人才培養(yǎng)課程體系;劉鈺等 [9]通過研究國(guó)外先進(jìn)的CDIO工程教育模式，結(jié)合應(yīng)用型本科院校實(shí)際情況，提出了計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向人才實(shí)踐能力培養(yǎng)方案;何煦嵐[10]在分析普通高校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)特征以及該知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)利弊的基礎(chǔ)上，從嵌入式系統(tǒng)課程所需基礎(chǔ)知識(shí)、嵌入式系統(tǒng)硬軟件課程教學(xué)以及實(shí)踐課程建設(shè)4個(gè)方面，提出了普通高校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向課程建設(shè)方法;胡青等 [11]面向自動(dòng)化專業(yè)，打造學(xué)生“隨身”實(shí)驗(yàn)室， 將MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式引入嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出了嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)的一種新模式;張美平[12]結(jié)合福建師范大學(xué)數(shù)計(jì)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)，面向《嵌入式系統(tǒng)》課程提出了一種分層次、多方位的立體實(shí)踐教學(xué)方案，探索了多樣化的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)形式。但目前對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究還不夠完善，各個(gè)實(shí)驗(yàn)的前后關(guān)系及從屬課程之間的聯(lián)系還不夠明確。因此，必須結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)背景和嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)，針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向系列課程整體研究，整合構(gòu)建規(guī)范的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)人才的迫切需求。

1 嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)雖然歷經(jīng)多次改革，但仍然與嵌入式產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在脫節(jié)現(xiàn)象。

1.1 實(shí)驗(yàn)涉及內(nèi)容多但不成體系

高校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向設(shè)置了一系列嵌入式相關(guān)課程及實(shí)驗(yàn)[13-14]，這些課程的實(shí)驗(yàn)或過于強(qiáng)調(diào)軟件而弱化硬件，或過于強(qiáng)調(diào)應(yīng)用而弱化原理，在內(nèi)容安排上各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一布局，不成體系。而且嵌入式方向的各門課程分別使用不同的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境，缺乏連貫性和整體性。學(xué)生學(xué)完這些嵌入式方向系列課程后，往往只是掌握各門課程中各個(gè)孤立的知識(shí)點(diǎn)，不能前后聯(lián)系靈活應(yīng)用。

1.2 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)封閉

我國(guó)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)硬件平臺(tái)多以實(shí)驗(yàn)箱為主[15-16]。實(shí)驗(yàn)箱通常以一塊或多塊可替換的微控制器為核心，資源豐富、功能強(qiáng)大、封裝完整，易于實(shí)驗(yàn)室管理和維護(hù)，但成本高、更新速度慢，容易與市場(chǎng)脫節(jié)。實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)封閉結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)于嵌入式初學(xué)者難以上手，在實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)畏難心理。即使上手，也往往是知其然而不知其所以然，尤其對(duì)嵌入式硬件缺乏感性認(rèn)識(shí)，達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。另外，實(shí)驗(yàn)箱外設(shè)接口固定，開放性和靈活性較差，難以動(dòng)手改裝;適于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，難以滿足設(shè)計(jì)性及更高層次實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)箱與實(shí)際的嵌入式產(chǎn)品有著較大差距，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與嵌入式開發(fā)實(shí)際之間存在脫節(jié)現(xiàn)象。

1.3 實(shí)驗(yàn)時(shí)間少

不少高校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向教學(xué)安排仍以課堂授課為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足[17]。在新一輪教學(xué)改革縮減本科總學(xué)時(shí)背景下，計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)也相應(yīng)削減。受時(shí)間、成本、管理和師資等條件限制，硬件實(shí)驗(yàn)受影響最大，個(gè)別學(xué)校甚至完全取消。但硬件是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，嵌入式軟件的運(yùn)行依賴于硬件。硬件實(shí)踐的缺乏，既不利于學(xué)生形成嵌入式系統(tǒng)整體概念，也使學(xué)生無(wú)法深入理解嵌入式軟件尤其是嵌入式操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)軟件。

嵌入式實(shí)驗(yàn)涉及內(nèi)容廣，軟硬件更新速度快，實(shí)驗(yàn)時(shí)間少，不利于學(xué)生消化和吸收知識(shí)。因此，如何充分利用有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間加強(qiáng)硬件實(shí)驗(yàn)，最大限度地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，成為嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待解決的問題。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

針對(duì)嵌入式技術(shù)特點(diǎn)及嵌入式實(shí)驗(yàn)中存在的問題，構(gòu)建覆蓋嵌入式相關(guān)課程和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)生命周期的嵌入式實(shí)驗(yàn)體系非常必要。以下從目標(biāo)定位、能力要求、內(nèi)容設(shè)計(jì)、平臺(tái)建設(shè)4個(gè)方面自頂向下、層層遞進(jìn)，構(gòu)建計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系。

2.1 目標(biāo)定位

明確人才培養(yǎng)目標(biāo)和定位，是構(gòu)建計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系的第一步。由于嵌入式技術(shù)涉及的行業(yè)和領(lǐng)域很廣，要求學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)精通嵌入式軟件、硬件及應(yīng)用等各方面內(nèi)容相當(dāng)困難，必須在夯實(shí)基礎(chǔ)上突出重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。

根據(jù)學(xué)校特色和學(xué)生基礎(chǔ)，筆者學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系定位于面向微控制器應(yīng)用領(lǐng)域，培養(yǎng)具備扎實(shí)的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、能從事嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)與技術(shù)應(yīng)用、軟硬件及相關(guān)技術(shù)研發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃與運(yùn)行維護(hù)等方面工作的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才。

2.2 能力要求

根據(jù)以上目標(biāo)，在深入調(diào)研嵌入式行業(yè)現(xiàn)狀和人才需求基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系，主要培養(yǎng)學(xué)生具備以下能力：

（1）嵌入式系統(tǒng)認(rèn)知分析能力：掌握嵌入式系統(tǒng)基本概念，熟悉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，能剖析實(shí)際生活中典型的嵌入式系統(tǒng)組成及其特點(diǎn)。

（2）嵌入式硬件實(shí)踐能力：掌握一種主流嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)、常用的片上外設(shè)及接口設(shè)計(jì)。

（3）嵌入式軟件實(shí)踐能力：熟練使用一種嵌入式開發(fā)工具，精通一種嵌入式開發(fā)語(yǔ)言，深入理解一種常用的嵌入式操作系統(tǒng)，掌握常用的嵌入式軟件架構(gòu)、開發(fā)技術(shù)和開發(fā)方法，至少熟練掌握某一個(gè)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的軟件開發(fā)。

（4）嵌入式系統(tǒng)工程應(yīng)用能力：熟悉嵌入式系統(tǒng)的整個(gè)研發(fā)過程和主要步驟，能從實(shí)際生活中抽象概括出嵌入式工程問題，并能進(jìn)行需求分析、預(yù)算評(píng)估、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)。

2.3 內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于上述能力要求，以嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系架構(gòu)為線索，自下而上、由硬件到軟件依次設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，分為不同類型（驗(yàn)證性、分析性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性）在不同時(shí)間開設(shè)，循序漸進(jìn)、逐步深入，基本覆蓋專業(yè)學(xué)習(xí)的各個(gè)階段，如圖1所示。

嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，位于嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系架構(gòu)的最低層——硬件接口層，在第四學(xué)期開設(shè)。作為嵌入式方向系列課程的首個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，從生活中常見的嵌入式系統(tǒng)入手，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的認(rèn)知興趣和分析能力，并以微控制器為核心，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，突出微控制器的基本原理，使學(xué)生掌握其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)映射，并熟悉常用的嵌入式I/O設(shè)備，掌握它們與主流微控制器的接口設(shè)計(jì)，能開發(fā)基于主流微控制器常用接口的簡(jiǎn)單應(yīng)用程序。

嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，位于嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系架構(gòu)的中間層——操作系統(tǒng)層，在第五學(xué)期開設(shè)。該實(shí)踐環(huán)節(jié)從嵌入式操作系統(tǒng)與PC操作系統(tǒng)之間的區(qū)別和聯(lián)系入手，以分析性實(shí)驗(yàn)為主，通過案例層層深入引導(dǎo)學(xué)生探索嵌入式軟件核心——嵌入式操作系統(tǒng)，著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)典型嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核原理的理解能力、實(shí)現(xiàn)機(jī)制的分析能力以及在主流微控制器上運(yùn)行的移植能力。

嵌入式軟件開發(fā)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，位于嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系架構(gòu)的最高層——應(yīng)用軟件層，在第六學(xué)期開設(shè)。在前兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合具體應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)通信、視頻采集等），基于主流微控制器和嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)較為復(fù)雜的應(yīng)用軟件。

嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，是計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向系列課程中創(chuàng)新性、綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，貫穿嵌入式知識(shí)體系架構(gòu)的所有層次，在第七學(xué)期開設(shè)。在前面實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生首先從實(shí)際生活中發(fā)現(xiàn)問題、形成嵌入式產(chǎn)品創(chuàng)意，運(yùn)用需求分析法確定嵌入式產(chǎn)品的功能性要求和非功能性要求;進(jìn)行嵌入式產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件劃分，形成人員分工和開發(fā)計(jì)劃，評(píng)估開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)成本;使用嵌入式軟硬件開發(fā)工具和開發(fā)語(yǔ)言，構(gòu)建硬件平臺(tái)并進(jìn)行軟件編程和調(diào)試;開發(fā)出嵌入式產(chǎn)品并撰寫產(chǎn)品開發(fā)文檔和使用文檔。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系內(nèi)容在能力培養(yǎng)方向上各有側(cè)重卻又緊密聯(lián)系，在整體上以嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系架構(gòu)為主線，自下而上、層層遞進(jìn)，從而對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向人才培養(yǎng)形成跨時(shí)間、多角度、不同力度的支撐，如表1所示（★表示關(guān)鍵支撐，√表示一般支撐，△表示輔助支撐）。

2.4 平臺(tái)建設(shè)

一個(gè)完整全面的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，不僅要有精心設(shè)計(jì)、合理安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且要有一個(gè)統(tǒng)一開放、貫通軟硬、前后兼顧的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系而言，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一主一輔，兩者緊密相連，缺一不可。因此，在確定計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)體系的具體內(nèi)容之后，必須構(gòu)建一個(gè)與之適應(yīng)、緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容并考慮不同實(shí)驗(yàn)類型，設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示（實(shí)線箭頭表示該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要面向的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，虛線箭頭表示該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兼顧的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容）。

嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由嵌入式硬件平臺(tái)、嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)和嵌入式開發(fā)工具等3部分組成。

嵌入式硬件平臺(tái)往往是認(rèn)知和構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的第一步，也是整個(gè)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理基礎(chǔ)，不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的首項(xiàng)內(nèi)容——嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的主要支持平臺(tái)，而且是后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。因此，嵌入式硬件平臺(tái)選擇和設(shè)計(jì)的原則是主流、開放與兼容。

嵌入式硬件平臺(tái)的核心是微控制器?？紤]市場(chǎng)占有率、技術(shù)支持及價(jià)格等因素，嵌入式硬件平臺(tái)采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Coretx-M3內(nèi)核STM32F103微控制器為核心開發(fā)板。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，開發(fā)板刪繁就簡(jiǎn)、易于上手，使學(xué)生對(duì)嵌入式硬件結(jié)構(gòu)有直接和感性的認(rèn)識(shí)，降低學(xué)習(xí)難度，既滿足嵌入式導(dǎo)論課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)需要，又滿足嵌入式后續(xù)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)的需要。

嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)位于嵌入式硬件平臺(tái)之上，是最接近硬件的嵌入式軟件，主要面向計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的第二項(xiàng)內(nèi)容——嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也是后續(xù)內(nèi)容——嵌入式軟件開發(fā)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的軟件基礎(chǔ)平臺(tái)。根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求，并考慮嵌入式硬件平臺(tái)的適用性和后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展性，選用uCOS-II作為操作系統(tǒng)平臺(tái)。uCOS-II是一個(gè)可裁剪、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，能在嵌入式硬件平臺(tái)核心——STM32F103微控制器上運(yùn)行。uCOS-II源碼開放、結(jié)構(gòu)清晰、注釋詳盡、教學(xué)免費(fèi)，很好地滿足了嵌入式操作系統(tǒng)分析性實(shí)驗(yàn)要求。uCOS-II通過聯(lián)邦航空局商用航行器認(rèn)證，具有良好的可靠性、安全性、移植性和擴(kuò)展性，可滿足后續(xù)設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)要求。

嵌入式開發(fā)工具是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)必需的輔助工具，它貫穿計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不可或缺。嵌入式開發(fā)工具主要分為硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具兩部分。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建中，無(wú)論是硬件開發(fā)工具還是軟件開發(fā)工具都應(yīng)與嵌入式硬件平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)相適應(yīng)。本文采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103開發(fā)板為核心的嵌入式硬件平臺(tái)和以u(píng)COS-II為內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇KEIL MDK作為軟件開發(fā)工具、J-Link仿真器作為硬件開發(fā)工具。KEIL MDK也稱MDK-ARM，為基于ARM內(nèi)核的微控制器應(yīng)用開發(fā)提供了一個(gè)集成開發(fā)工具，采用MicroLib C庫(kù)，包含C/C++編譯器（armcc）、宏匯編器（armasm）、鏈接器（armlink）、庫(kù)管理器（armar）、調(diào)試器（μVision）和實(shí)時(shí)內(nèi)核（RTX）等組件[18-20]，提供軟件模擬和目標(biāo)機(jī)硬件兩種調(diào)試模式，可滿足嵌入式軟件開發(fā)和調(diào)試的所有需求。J-LINK是用于嵌入式處理器仿真調(diào)試和軟件固化的JTAG仿真器，支持幾乎所有基于ARM內(nèi)核的微控制器仿真和程序下載，還可與嵌入式軟件開發(fā)工具KEIL MDK無(wú)縫連接[18]，可滿足執(zhí)行程序的硬件下載和實(shí)時(shí)仿真要求。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)緊密圍繞教學(xué)內(nèi)容，以嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成為依據(jù)，劃分為硬件（STM32F103開發(fā)板）、軟件（uCOS-II）和工具（KEIL MDK、J-Link）3個(gè)部分，環(huán)環(huán)相扣，依次遞進(jìn)，如表2所示（★表示關(guān)鍵支撐，√表示一般支撐，△表示輔助支撐）。

3 結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)是一門以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的新興交叉學(xué)科，要求從業(yè)人員具備全面的知識(shí)結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力，這對(duì)高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。本文從分析嵌入式技術(shù)的特點(diǎn)和當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題入手，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，以“目標(biāo)—能力—內(nèi)容—平臺(tái)”為主線，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系，為計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式人才培養(yǎng)提供支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] DAVE. Embedded systems[M]. Chennai： Pearson Education press， 2017.

[2] SAI KRISHNA V? N? R， KARI. Embedded system[M]. Riga： Scholars' Press， 2017： 20-23.

[3] BLOKDYK G. Embedded system：a practical handbook[M]. South Carolina：CreateSpace Independent Publishing Platform， 2017： 8-11.

[4] ICON GROUP INTERNATIONAL. The 2018-2023 world outlook for embedded systems[M]. Las Vegas： ICON Group International， Inc ， 2017.

[5] 王福剛，楊文君，葛良全. 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（12）：3842-3847，3863.

[6] 中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì). CCF2016-2017中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展報(bào)告[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2017：154-156.

[7] 王冠軍，江海峰，林果園. 卓越計(jì)劃與學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)相結(jié)合的嵌入式方向人才培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（8）：187-190.

[8] 吳玉峰，白鳳娥. 高校嵌入式人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018， 35（3）：172-176.

[9] 劉鈺，張燕，沈奇. 計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向人才培養(yǎng)探究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（9）：164-167.

[10] 何煦嵐. 普通高校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向的教學(xué)探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2014（8）：61-64.

[11] 胡青，余嘉蘇，玉剛. 面向工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（9）：160-163.

[12] 張美平. 計(jì)算機(jī)專業(yè)《嵌入式系統(tǒng)》課程實(shí)踐教學(xué)探索[J]. 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，27（3）：10-13.

[13] 馮源，劉曉虎，夏立. 基于ARM平臺(tái)的嵌入式技術(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（9）：205-207，235.

[14] 汪湛清，彭熙偉，郭玉潔. 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的挑戰(zhàn)問題[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：364-366，392.

[15] 楊澤林，何莉. ARM嵌入式教輔系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（2）：188-192.

[16] 徐志江，彭宏，孟利民. 開放共享嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（5）：86-89.

[17] 張輝，何青，劉錚. 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（1）：135-137.

[18] 王益涵，孫憲坤，史志才. 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用——基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列微控制器[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2016：45-46.

[19] 徐成，凌純清，劉彥，等. 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2011：24-25.

[20] 蔣建春，曾素華. 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社， 2014：118-124.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）