通信類嵌入式實驗教學(xué)構(gòu)思

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嵌入式系統(tǒng)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合的更新?lián)Q代產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)面向具體的應(yīng)用領(lǐng)域，隨著產(chǎn)品智能化、小型化的普遍需求，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透至各個行業(yè)，具有廣闊的市場前景[1]。近年來，各高校信息自動化計算機類專業(yè)逐漸將嵌入式系統(tǒng)納入重要專業(yè)課程范圍，尤其在嵌入式實踐教學(xué)體系方面進(jìn)行了深入的探討[2-4]。考慮到通信類學(xué)生的培養(yǎng)與實際就業(yè)情況的需求，在嵌入式教學(xué)中，除了使學(xué)生掌握基本的通信技術(shù)原理和嵌入式軟件設(shè)計的一般方法和流程外，還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用開發(fā)能力。因此，嵌入式教學(xué)應(yīng)該傾向于實踐而不是僅僅局限于只是傳授理論知識。本文針對本專業(yè)嵌入式實驗教學(xué)中普遍存在的專業(yè)針對性弱、設(shè)備缺乏、課程系統(tǒng)性和層次性的不足等問題，利用研究所自主研發(fā)的嵌入式實驗教學(xué)平臺，設(shè)計了具體的實驗教學(xué)方案。

1嵌入式實驗教學(xué)中存在的問題

嵌入式系統(tǒng)課程的實踐性非常強，為了加強學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)理論知識的認(rèn)知，提高學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，實驗教學(xué)在嵌入式課程教學(xué)中有著至關(guān)重要的作用。到目前為止，在嵌入式實驗實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)了以下問題。缺乏針對性強的實驗平臺。嵌入式課程教學(xué)和人才培養(yǎng)具有高度的實踐性，通常情況下，教學(xué)所用的實驗平臺(實驗箱)是委托科教儀器公司開發(fā)的。由于教學(xué)投入不足，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備板子燒毀，講義資料不全，實驗箱不完善導(dǎo)致能開設(shè)的實驗不多，由于部分源代碼不開源等現(xiàn)象，所以相關(guān)實驗基本上都是演示性的實驗，或者與其他學(xué)科共同使用一套實驗設(shè)備，沒有本學(xué)科專業(yè)特色，很難實現(xiàn)視頻采集、音視頻壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋＿@些因素皆不利于通信專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。其次，缺乏靈活的實驗設(shè)計及講義。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)中的軟件開發(fā)困難，既要考慮不同平臺的差異，又要具備一定的穩(wěn)定及易行性條件。以往這些類型的軟件開發(fā)都是由硬件廠商包辦，且提供的嵌入式系統(tǒng)軟件解決方案五花八門。而實驗設(shè)計應(yīng)側(cè)重于主流操作系統(tǒng)下軟件的實踐和創(chuàng)新。此外，大多數(shù)學(xué)生照著詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書按部就班，缺乏自主創(chuàng)新的意識，甚至不深入思考實驗現(xiàn)象背后的理論知識。這顯然與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維和能力的目的背道而馳。而實驗課時少也是實踐教學(xué)中亟待解決的一個問題。嵌入式系統(tǒng)課程對學(xué)生的專業(yè)知識要求較高，學(xué)生先要學(xué)習(xí)單片機原理及應(yīng)用、C/C++程序設(shè)計、DSP原理及應(yīng)用等嵌入式相關(guān)課程，等到具備了一定的實驗操作和編程能力之后，在大三下半學(xué)期或大四上半學(xué)期開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。理論性教學(xué)和實驗教學(xué)交叉進(jìn)行，再加上總課時的限制，使得學(xué)生自主實驗時間大大減少。雖然已從原有實驗課時占較少課時的狀態(tài)，調(diào)整到實驗課時占總課時一半的狀態(tài)，課內(nèi)實驗還是遠(yuǎn)不能滿足對學(xué)生的培養(yǎng)需求。

2實驗教學(xué)配套設(shè)施

本研究所自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺是一套功能完善的實驗箱，選用ARM處理器+Linux操作系統(tǒng)的主流配置。實驗箱上提供有教學(xué)系統(tǒng)采用的各種測試點(包括圖像視頻采集輸入、I/O輸出等)，方便教學(xué)中使用示波器等測試儀器；多路數(shù)字信號源(包括四路視頻輸入功能)；ARM開發(fā)系統(tǒng)功能等眾多功能。此套基于雙核處理器架構(gòu)(雙核處理器架構(gòu)，是指采用一個ARM核及一個SoC圖像處理核的架構(gòu)芯片)的四路DVR教學(xué)實驗箱，可以實現(xiàn)視頻采集，H.264壓縮，音頻壓縮，網(wǎng)絡(luò)傳輸以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)等功能，主要為高等院校通信工程類專業(yè)、電子信息類專業(yè)等高年級學(xué)生的通信專業(yè)課程設(shè)計、通信專業(yè)大型實驗、畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計競賽以及研究生的數(shù)字通信實驗而設(shè)計，也可供相關(guān)專業(yè)的本專科畢業(yè)班學(xué)生使用以及自學(xué)使用。此外，還配有教學(xué)資料光盤，以及分層次、系統(tǒng)的實驗指導(dǎo)書。實驗系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。由于嵌入式系統(tǒng)涉及的知識廣、綜合性強和應(yīng)用性強，且軟硬件技術(shù)不斷革新，這就需要授課老師具有一定的項目開發(fā)經(jīng)驗。而本套實驗箱正是由授課老師參與研發(fā)，對于一些新進(jìn)的通信類教師也開放學(xué)習(xí)與研究。在對嵌入式實驗平臺有個系統(tǒng)的認(rèn)識之后，遇到突發(fā)問題也可以及時解決，這大大降低了教師的授課難度，提高了實驗課效率。

3實驗教學(xué)設(shè)計

結(jié)合理論教學(xué)，嵌入式系統(tǒng)實驗的重點放在軟件的開發(fā)上。充分考慮到嵌入式軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、開發(fā)內(nèi)容和方式的特殊性，從而設(shè)置多種配置方案、多層次實驗項目的實驗教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生邊學(xué)習(xí)理論知識，邊進(jìn)行實驗操作，設(shè)置一些基礎(chǔ)型和模塊化的實驗使其對原理有更透徹的認(rèn)知。當(dāng)學(xué)生理論知識積累到一定的程度，可通過設(shè)置綜合型的實驗使學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與提高。此外，為了達(dá)到學(xué)生自主創(chuàng)新能力提高的目的，創(chuàng)新型實驗的設(shè)置也必不可少。減少基礎(chǔ)型實驗，同時增大綜合型和創(chuàng)新型實驗的比例，并加入可選項，學(xué)生可根據(jù)自己的能力興趣，自主制定實驗內(nèi)容。另外，為了適應(yīng)本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，除了需要掌握嵌入式系統(tǒng)基本的方式方法之外，還在綜合型實驗中設(shè)置了較多通信類實驗課程。這樣，學(xué)生在實驗過程中，由淺到深、由基礎(chǔ)到綜合地進(jìn)行實踐操作，符合漸進(jìn)性的教學(xué)規(guī)律。為了解決課時少的問題，設(shè)置了一部分課外可操作的實驗，使一部分有興趣而不滿足于課內(nèi)學(xué)習(xí)設(shè)計的學(xué)生有更廣闊的學(xué)習(xí)時間與空間。

3.1基礎(chǔ)型實驗基礎(chǔ)型實驗多為驗證型實驗，其目的是為了讓學(xué)生掌握基本的理論知識以及嵌入式軟件的一般開發(fā)流程，熟悉開發(fā)工具與開發(fā)環(huán)境，為之后的綜合型實驗和自主創(chuàng)新型實驗做好準(zhǔn)備。這部分實驗指導(dǎo)書較詳細(xì)，學(xué)生能夠扎實地掌握嵌入式系統(tǒng)的基本軟件開發(fā)知識。基于本實驗系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)實驗主要如下。ADS環(huán)境下的匯編指令實驗。本實驗介紹了ADS環(huán)境下用匯編語言進(jìn)行編程和調(diào)試的一般流程，以及使用匯編語言實現(xiàn)對GM8180開發(fā)板進(jìn)行初始化的方法。目的是為了讓學(xué)生熟悉和掌握ADS開發(fā)環(huán)境。建立Linux虛擬機及熟悉常用命令實驗。通過本實驗，學(xué)生需要掌握如何在Windows系統(tǒng)下面搭建Linux服務(wù)器，并學(xué)會基本的Linux命令和操作。Linux交叉編譯平臺實驗。通過在Linux下建立交叉編譯平臺和使用交叉編譯平臺編譯源代碼的方法，使學(xué)生熟悉和理解交叉編譯的原理和概念，學(xué)會建立Linux交叉編譯平臺。程序下載燒寫實驗。本實驗介紹了配置和編譯BootLoader(ARMBOOT)和Linux內(nèi)核的方法，從而學(xué)生可以掌握下載編譯好的BootLoader(ARMBOOT)和Linux內(nèi)核的方法以及建立NFS文件系統(tǒng)的方法。Mount掛載(nfs/usb/sd)實驗。通過本實驗，學(xué)生能掌握配置linux下nfs服務(wù)的方法和mount掛載usb/sd的方法。

3.2綜合型實驗綜合性實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力。根據(jù)之前的理論教學(xué)與基礎(chǔ)性實驗的練習(xí)，綜合所學(xué)知識，具備基本的軟件開發(fā)能力。這部分教學(xué)實踐實行“教師逐步放手，學(xué)生動手去做”的原則，故實驗指導(dǎo)書編寫得簡明扼要。為了達(dá)到綜合培養(yǎng)的目的，既要包括多方面的知識與設(shè)計要求，又要有空間讓學(xué)生自己發(fā)揮。ADS下混合編程。本實驗讓學(xué)生熟悉和掌握在ADS環(huán)境下C語言和匯編語言的混合編程和調(diào)試，鞏固使用AXD和Mulit-ICE調(diào)試的方法。C語言程序設(shè)計與串口通信實驗。通過本實驗，學(xué)生可以掌握在ADS環(huán)境下的操作和JTAG的下載和調(diào)試，掌握使用C語言對GPIO端口控制。GPIO驅(qū)動實驗、I2C驅(qū)動實驗。在理解Linux驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)、原理和I2C協(xié)議的原理，掌握Linux驅(qū)動程序的編程的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠掌握Linux動態(tài)加載驅(qū)動程序模塊的方法。圖像合成實驗。本實驗要求學(xué)生具有圖像合成的知識，熟練進(jìn)行實驗設(shè)備的連接和調(diào)試、寄存器的設(shè)置，能夠修改配置文件，深入理解圖像合成的原理。MMC/SD驅(qū)動實驗。在學(xué)生掌握了MMC/SD卡接口的基本原理、MMC/SD驅(qū)動的結(jié)構(gòu)以及SD卡的掛載的方法和測試方法后，能夠配置、編譯Linux內(nèi)核，在實驗箱上燒寫Linux內(nèi)核，建立NFS文件系統(tǒng)，并運行測試程序進(jìn)行SD卡的讀寫。視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗。學(xué)生在了解了視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議工作過程及原理之后，學(xué)會在IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)視頻傳輸?shù)姆椒āeb服務(wù)器實驗、單Server多Client實驗。在本實驗之前，學(xué)生已經(jīng)熟悉了Web服務(wù)器原理及工作過程，通過路由器將實驗箱和PC機連接，編寫簡單的服務(wù)器代碼，在PC機上運行IE瀏覽器，能夠查看網(wǎng)頁服務(wù)器是否運行；以及熟練開啟Linux，能向多個客戶端發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制視頻實驗。本實驗要求學(xué)生理解遠(yuǎn)程控制的原理，通過本實驗掌握在Windows下TCP客戶端建立及通信的過程，及Linux下TCP服務(wù)器建立及通信的過程。

3.3創(chuàng)新型實驗在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域里，嵌入式軟件已經(jīng)逐漸成為嵌入式產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新和增值的關(guān)鍵因素，所以實驗教學(xué)應(yīng)側(cè)重于軟件實踐和創(chuàng)新。理論和實踐要相結(jié)合，而學(xué)生的創(chuàng)新能力要著重培養(yǎng)。針對本實驗系統(tǒng)的可開放性，設(shè)計了一些具有創(chuàng)新型的實驗，比如修改內(nèi)核的內(nèi)部代碼，從而能使學(xué)生深入理解實時操作系統(tǒng)的一些機制，加深對理論知識的理解與鞏固。再加上指導(dǎo)教師對實驗系統(tǒng)原理的熟知，即使學(xué)生在操作的過程中導(dǎo)致實驗系統(tǒng)癱瘓也能及時得以解決，讓學(xué)生放心大膽進(jìn)行實踐設(shè)計。在實驗課堂上，學(xué)生難免會依賴于實驗設(shè)備以及教師的指導(dǎo)而缺乏自主思考的動力，再加上實驗室開放場地和時間的限制，要在有限的時間和空間里完成自主創(chuàng)新設(shè)計有些困難。課程選用ARM處理器+Linux操作系統(tǒng)的主流配置，學(xué)生可以在課外利用PC機上的Linux進(jìn)行代碼編寫，可行之后再利用實驗箱進(jìn)行驗證。這樣，一方面可以減少場地和時間的限制，加強學(xué)生對所學(xué)知識滲透性的認(rèn)知，另一方面提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。基于此，在課程設(shè)置上，加進(jìn)了學(xué)生自主安排時間。

3.4課外實踐鼓勵學(xué)生參加院校級“建龍基金”、“運河杯”等課外科技立項活動。活動基金提供實驗平臺，而通信類學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣與長處設(shè)立通信網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備等的項目計劃，申請資金設(shè)備并在導(dǎo)師的同意后獲得實驗室開放資源。此外，通過組織學(xué)生參加省級、國家級電子設(shè)計大賽及其他各種嵌入式應(yīng)用型競賽，讓感興趣、學(xué)有余力的學(xué)生得到更好的實踐與創(chuàng)新能力鍛煉的機會。

4結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展迅猛，不斷滲透各個行業(yè)，人才要求也日益迫切。近幾年來，為順應(yīng)社會和企業(yè)人才的需求，越來越多的高校將嵌入式系統(tǒng)的課程加入通信類專業(yè)教學(xué)體系，使之成為專業(yè)選修課甚至專業(yè)必修課。然而，嵌入式教學(xué)體系還未成熟，存在諸多問題。針對前文分析的課程設(shè)置缺陷，及我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，本文以研究所自主開發(fā)的嵌入式實驗教學(xué)平臺為例，提出了針對通信學(xué)生的層次性的實驗教學(xué)方案。根據(jù)軟件實驗環(huán)境，設(shè)置合理的實驗課程，突出自主性與創(chuàng)新性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)興能力具有重要意義。