通信類嵌入式實驗教學構思

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嵌入式系統是計算機技術、通信技術、微電子技術等先進技術和具體應用對象相結合的更新換代產品。嵌入式系統面向具體的應用領域，隨著產品智能化、小型化的普遍需求，嵌入式系統已經滲透至各個行業，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逐漸將嵌入式系統納入重要專業課程范圍，尤其在嵌入式實踐教學體系方面進行了深入的探討[2-4]。考慮到通信類學生的培養與實際就業情況的需求，在嵌入式教學中，除了使學生掌握基本的通信技術原理和嵌入式軟件設計的一般方法和流程外，還應注重培養學生的實際應用開發能力。因此，嵌入式教學應該傾向于實踐而不是僅僅局限于只是傳授理論知識。本文針對本專業嵌入式實驗教學中普遍存在的專業針對性弱、設備缺乏、課程系統性和層次性的不足等問題，利用研究所自主研發的嵌入式實驗教學平臺，設計了具體的實驗教學方案。

1嵌入式實驗教學中存在的問題

嵌入式系統課程的實踐性非常強，為了加強學生對嵌入式系統理論知識的認知，提高學生解決實際問題的能力和創新能力，實驗教學在嵌入式課程教學中有著至關重要的作用。到目前為止，在嵌入式實驗實際教學中發現了以下問題。缺乏針對性強的實驗平臺。嵌入式課程教學和人才培養具有高度的實踐性，通常情況下，教學所用的實驗平臺(實驗箱)是委托科教儀器公司開發的。由于教學投入不足，經常出現設備板子燒毀，講義資料不全，實驗箱不完善導致能開設的實驗不多，由于部分源代碼不開源等現象，所以相關實驗基本上都是演示性的實驗，或者與其他學科共同使用一套實驗設備，沒有本學科專業特色，很難實現視頻采集、音視頻壓縮、網絡傳輸等功能。這些因素皆不利于通信專業學生實踐能力的培養。其次，缺乏靈活的實驗設計及講義。在嵌入式系統應用領域，嵌入式系統中的軟件開發困難，既要考慮不同平臺的差異，又要具備一定的穩定及易行性條件。以往這些類型的軟件開發都是由硬件廠商包辦，且提供的嵌入式系統軟件解決方案五花八門。而實驗設計應側重于主流操作系統下軟件的實踐和創新。此外，大多數學生照著詳細的實驗指導書按部就班，缺乏自主創新的意識，甚至不深入思考實驗現象背后的理論知識。這顯然與培養學生創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中亟待解決的一個問題。嵌入式系統課程對學生的專業知識要求較高，學生先要學習單片機原理及應用、C/C++程序設計、DSP原理及應用等嵌入式相關課程，等到具備了一定的實驗操作和編程能力之后，在大三下半學期或大四上半學期開設嵌入式系統課程。理論性教學和實驗教學交叉進行，再加上總課時的限制，使得學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，調整到實驗課時占總課時一半的狀態，課內實驗還是遠不能滿足對學生的培養需求。

2實驗教學配套設施

本研究所自主開發的嵌入式系統實驗平臺是一套功能完善的實驗箱，選用ARM處理器+Linux操作系統的主流配置。實驗箱上提供有教學系統采用的各種測試點(包括圖像視頻采集輸入、I/O輸出等)，方便教學中使用示波器等測試儀器；多路數字信號源(包括四路視頻輸入功能)；ARM開發系統功能等眾多功能。此套基于雙核處理器架構(雙核處理器架構，是指采用一個ARM核及一個SoC圖像處理核的架構芯片)的四路DVR教學實驗箱，可以實現視頻采集，H.264壓縮，音頻壓縮，網絡傳輸以及嵌入式Linux操作系統等功能，主要為高等院校通信工程類專業、電子信息類專業等高年級學生的通信專業課程設計、通信專業大型實驗、畢業設計、電子設計競賽以及研究生的數字通信實驗而設計，也可供相關專業的本專科畢業班學生使用以及自學使用。此外，還配有教學資料光盤，以及分層次、系統的實驗指導書。實驗系統構架如圖1所示。由于嵌入式系統涉及的知識廣、綜合性強和應用性強，且軟硬件技術不斷革新，這就需要授課老師具有一定的項目開發經驗。而本套實驗箱正是由授課老師參與研發，對于一些新進的通信類教師也開放學習與研究。在對嵌入式實驗平臺有個系統的認識之后，遇到突發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實驗教學設計

結合理論教學，嵌入式系統實驗的重點放在軟件的開發上。充分考慮到嵌入式軟件系統的結構、開發內容和方式的特殊性，從而設置多種配置方案、多層次實驗項目的實驗教學內容。學生邊學習理論知識，邊進行實驗操作，設置一些基礎型和模塊化的實驗使其對原理有更透徹的認知。當學生理論知識積累到一定的程度，可通過設置綜合型的實驗使學生進行系統學習與提高。此外，為了達到學生自主創新能力提高的目的，創新型實驗的設置也必不可少。減少基礎型實驗，同時增大綜合型和創新型實驗的比例，并加入可選項，學生可根據自己的能力興趣，自主制定實驗內容。另外，為了適應本專業學生的培養，除了需要掌握嵌入式系統基本的方式方法之外，還在綜合型實驗中設置了較多通信類實驗課程。這樣，學生在實驗過程中，由淺到深、由基礎到綜合地進行實踐操作，符合漸進性的教學規律。為了解決課時少的問題，設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學習設計的學生有更廣闊的學習時間與空間。

3.1基礎型實驗基礎型實驗多為驗證型實驗，其目的是為了讓學生掌握基本的理論知識以及嵌入式軟件的一般開發流程，熟悉開發工具與開發環境，為之后的綜合型實驗和自主創新型實驗做好準備。這部分實驗指導書較詳細，學生能夠扎實地掌握嵌入式系統的基本軟件開發知識。基于本實驗系統設計的基礎實驗主要如下。ADS環境下的匯編指令實驗。本實驗介紹了ADS環境下用匯編語言進行編程和調試的一般流程，以及使用匯編語言實現對GM8180開發板進行初始化的方法。目的是為了讓學生熟悉和掌握ADS開發環境。建立Linux虛擬機及熟悉常用命令實驗。通過本實驗，學生需要掌握如何在Windows系統下面搭建Linux服務器，并學會基本的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，使學生熟悉和理解交叉編譯的原理和概念，學會建立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內核的方法，從而學生可以掌握下載編譯好的BootLoader(ARMBOOT)和Linux內核的方法以及建立NFS文件系統的方法。Mount掛載(nfs/usb/sd)實驗。通過本實驗，學生能掌握配置linux下nfs服務的方法和mount掛載usb/sd的方法。

3.2綜合型實驗綜合性實驗旨在培養學生的綜合設計能力。根據之前的理論教學與基礎性實驗的練習，綜合所學知識，具備基本的軟件開發能力。這部分教學實踐實行“教師逐步放手，學生動手去做”的原則，故實驗指導書編寫得簡明扼要。為了達到綜合培養的目的，既要包括多方面的知識與設計要求，又要有空間讓學生自己發揮。ADS下混合編程。本實驗讓學生熟悉和掌握在ADS環境下C語言和匯編語言的混合編程和調試，鞏固使用AXD和Mulit-ICE調試的方法。C語言程序設計與串口通信實驗。通過本實驗，學生可以掌握在ADS環境下的操作和JTAG的下載和調試，掌握使用C語言對GPIO端口控制。GPIO驅動實驗、I2C驅動實驗。在理解Linux驅動程序的結構、原理和I2C協議的原理，掌握Linux驅動程序的編程的基礎上，學生能夠掌握Linux動態加載驅動程序模塊的方法。圖像合成實驗。本實驗要求學生具有圖像合成的知識，熟練進行實驗設備的連接和調試、寄存器的設置，能夠修改配置文件，深入理解圖像合成的原理。MMC/SD驅動實驗。在學生掌握了MMC/SD卡接口的基本原理、MMC/SD驅動的結構以及SD卡的掛載的方法和測試方法后，能夠配置、編譯Linux內核，在實驗箱上燒寫Linux內核，建立NFS文件系統，并運行測試程序進行SD卡的讀寫。視頻網絡傳輸實驗。學生在了解了視頻網絡傳輸協議工作過程及原理之后，學會在IP網絡中實現視頻傳輸的方法。Web服務器實驗、單Server多Client實驗。在本實驗之前，學生已經熟悉了Web服務器原理及工作過程，通過路由器將實驗箱和PC機連接，編寫簡單的服務器代碼，在PC機上運行IE瀏覽器，能夠查看網頁服務器是否運行；以及熟練開啟Linux，能向多個客戶端發送視頻數據。遠程控制視頻實驗。本實驗要求學生理解遠程控制的原理，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服務器建立及通信的過程。

3.3創新型實驗在嵌入式系統的應用領域里，嵌入式軟件已經逐漸成為嵌入式產品設計創新和增值的關鍵因素，所以實驗教學應側重于軟件實踐和創新。理論和實踐要相結合，而學生的創新能力要著重培養。針對本實驗系統的可開放性，設計了一些具有創新型的實驗，比如修改內核的內部代碼，從而能使學生深入理解實時操作系統的一些機制，加深對理論知識的理解與鞏固。再加上指導教師對實驗系統原理的熟知，即使學生在操作的過程中導致實驗系統癱瘓也能及時得以解決，讓學生放心大膽進行實踐設計。在實驗課堂上，學生難免會依賴于實驗設備以及教師的指導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新設計有些困難。課程選用ARM處理器+Linux操作系統的主流配置，學生可以在課外利用PC機上的Linux進行代碼編寫，可行之后再利用實驗箱進行驗證。這樣，一方面可以減少場地和時間的限制，加強學生對所學知識滲透性的認知，另一方面提高了學生自主學習能力，培養其創新能力。基于此，在課程設置上，加進了學生自主安排時間。

3.4課外實踐鼓勵學生參加院校級“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，而通信類學生可以根據自己的興趣與長處設立通信網絡與設備等的項目計劃，申請資金設備并在導師的同意后獲得實驗室開放資源。此外，通過組織學生參加省級、國家級電子設計大賽及其他各種嵌入式應用型競賽，讓感興趣、學有余力的學生得到更好的實踐與創新能力鍛煉的機會。

4結語

嵌入式系統產品發展迅猛，不斷滲透各個行業，人才要求也日益迫切。近幾年來，為順應社會和企業人才的需求，越來越多的高校將嵌入式系統的課程加入通信類專業教學體系，使之成為專業選修課甚至專業必修課。然而，嵌入式教學體系還未成熟，存在諸多問題。針對前文分析的課程設置缺陷，及我們在教學中發現的問題，本文以研究所自主開發的嵌入式實驗教學平臺為例，提出了針對通信學生的層次性的實驗教學方案。根據軟件實驗環境，設置合理的實驗課程，突出自主性與創新性，提高學生自主學習的能力，對培養學生的創興能力具有重要意義。