嵌入式系统的基本原理范文1
【关键词】卓越计划；教学改革；嵌入式系统；教学内容0 引言
“卓越工程师教育培养计划”是为了培养造就一批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务，促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国转变的重大改革项目。江南大学机械电子工程专业自入选首批“卓越计划”后，在机械电子工程本科三年级课程体系中设置了以ARM微处理器S3C2440为对象的嵌入式系统原理与应用专业选修课。
长期以来，嵌入式系统是高等学校电子与信息类专业的一门主干基础课程[1]，强调跨学科、跨专业的理论、方法与技术的融合应用，是一门理论与实践结合紧密、综合性较强的课程[2]。而对于机械类专业，在其课程体系设计中虽然包含了部分嵌入式系统先修课程内容，但较少开设专门的嵌入式系统课程，也缺乏合适的供机械类专业本科生使用的嵌入式系统教材。
本文以近几年的教学实践经验为基础，归纳了机械电子工程专业嵌入式系统的教学特点，并探讨了面向机电专业的嵌入式系统教学内容与方法。
1 机电专业嵌入式系统教学的特点
在机电类专业开设嵌入式系统课程是大学本科课程自我更新的一种新的路径，也是计算机技术发展而导致的本科课程体系更新过程中的一个自然而然的结果[3]。嵌入式系统在工业现场应用广泛，对于机电专业本科生而言，因其在机电设备开发、控制于维护方面有着较强的应用背景知识，且具有一定的先修课程基础，因此嵌入式系统课程较适合机电专业本科生的学习。
但同时，与电类专业不同，机械类专业电基础较为薄弱，导致了机械电子专业嵌入式系统教学具有以下特点：
1.1 课程内容综合性强
嵌入式系统是一个软硬件系统的综合体[4]，在课程中要向学生讲解嵌入式微处理器的基础知识以及其他相关硬件知识，包括处理器结构、指令系统、寄存器设置等，又要讲解嵌入式软件方面的知识，包括Linux系统、交叉编译、设备驱动程序、多进程通信等。
1.2 课程的课时有限
作为一门专业选修课，嵌入式系统课程设置的教学时长为32学时，而电类专业该课程一般有48学时以上的课时，甚至达到72学时，在这其中，实验课时又有8个。由于课内学时数偏少，较容易发生学生能够听懂某些细节但缺乏整体认识，或者能够把握大框架但实际动手时一筹莫展的情况。
1.3 先修课程基础薄弱
尽管机电专业本科生已经有C程序语言设计、模拟/数字电子技术、微机原理、单片机接口技术、电子CAD等先修课程基础，但受到大学教学活动短学程化的影响，学生在背景知识的掌握上存在不够全面或不够深入的情况。特别对于机械类学生而言，不仅计算机硬件基础较为薄弱，软件开发能力和经验欠缺，同时对操作系统方面的知识掌握基本空白，给嵌入式系统课程的教学带来一定困难。
2 机电专业嵌入式系统的教学内容与方法
根据机械电子工程专业嵌入式系统教学现状与特点，有针对性地确定了课程体系的设置，安排相应的教学内容与教学方法。
2.1 教学内容选择
作为专业选修课，嵌入式系统课程的目标不是为了使学生深入掌握这一领域全面的并得到良好巩固的知识，而是为了使学生在已有基础上步入这一新的领域中，概括性的掌握其基本原理与基本方法，并对进一步探索该领域产生浓厚的兴趣。
根据这一思路，针对机械类专业嵌入式系统的教学特点，应特别注意突出重点，合理分解难点。由于学生已有微机原理和单片机接口相关基础，在教学中弱化了对ARM芯片作为高档单片机使用的相关内容。在详述处理器结构、介绍基本指令的基础上，仅对定时器、中断、SDRAM、Nand Flash控制器和时钟系统等资源加以介绍，并多采用C语言程序设计案例，避免学生在繁复的指令系统和寄存器设置体系中迷失方向。
由于机械类学生没有操作系统相关背景知识，因此在嵌入式系统软件学习中存在一定困难。嵌入式Linux操作系统及其开发环境是嵌入式软件的基础，学生需要掌握基本的Linux系统命令和交叉编译方法，而对shell程序和Makefile文件则通过案例教学呈现。Linux操作系统下设备驱动的基本思想、程序框架以及编写步骤是课程的重点之一，体现了软件与硬件的结合，因此针对这一部分，不仅安排了较多学时的课内讲解，也安排了实验。在Linux操作系统下的线程、进程和进程间通信部分，由于学时限制，弱化了实际编程操作，而主要以案例和演示实验，使学生掌握基本思想和方法。
2.2 教学方法初探
嵌入式系统是一门应用课程[5]，对于机械电子工程专业的本科生而言，其意义在于更好地实现机电一体化应用。为此，结合“卓越工程师”培养计划的实施，在教学中加入了较多的应用案例，突出了学用结合的教学模式，重视对学生工程素养的培养，建立面向工程的思维方式，掌握解决实际工程问题的科学方法。
在课堂教学中，变灌输式教学为启发式教学，特别注意引导学生联系以往在微机原理和单片机接口技术课程中接触到的8051单片机的相关概念与方法，使之对嵌入式系统硬件部分产生逻辑上的继承和联想，有效理解硬件的工作原理。在嵌入式系统软件部分的教学中，则以学生熟悉的Windows操作平台为例，讲解嵌入式Linux操作系统所要解决的问题和实现方法，促使学生破除对这一未知领域的神秘感，并激发其进一步深入学习的兴趣。
3 结束语
针对机械电子工程专业本科三年级嵌入式系统原理与应用专业选修课的教学特点，设置并采用了合理的教学内容和教学方法。尽管课时数较少，在众多知识点上无法深入讲解和展开，但通过列举实际案例，分解难点，在教学过程中能够使学生保持浓厚的学习兴趣，获得良好的教学效果。
【参考文献】
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[2]丁珠玉，张济龙，吴永烽，等.嵌入式系统课程实践教学模式的研究与探索[J]. 西南农业大学学报：社会科学版，2009，7（6）：181-182.
[3]黄晓玲，段凤云，赵建科.嵌入式系统实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2006，23（4）：85-87.
嵌入式系统的基本原理范文2
关键词：嵌入式系统； 应用型人才； 培养模式
中图分类号：G710 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）03-0163-02
近几年，嵌入式技术日渐普及，随着“三网融合”不断提速，3G网络全面铺开，对消费类电子产品市场产生了重大的冲击，进而为嵌入式系统产业带来更大的人才需求。嵌入式系统无疑成为当前最热门、最有发展前途的IT应用领域之一。在未来相当长的时间内，嵌入式软件人才将是企业争夺的目标。
相对强大的市场需求而言，目前，嵌入式人才市场的现状却是企业举着大把的钞票却招不来合适的人才。据权威部门统计，我国目前嵌入式人才缺口每年为60万人左右。造成这种情况的原因很多，最重要的原因之一就是，与嵌入式技术的快速发展相比，我国大部分高等教育机构在嵌入式系统领域的培养模式和教学水平相对滞后，每年输送到市场上的嵌入式系统人才不多。形成的现状就是：一方面，有些高校学生毕业就面临失业；另一方面，嵌入式企业缺乏有经验的人才。
目前，国内高等教育机构中开设嵌入式系统教学的学校其实并不少。从教学层次上，可大致分为普通本科院校的嵌入式方向、高职院校的嵌入式专业以及与嵌入式相关的社会培训机构。社会培训机构面向的是有一定的计算机软硬件专业知识、想在嵌入式开发领域进一步深造的专业技术人员，并不是一个系统完整的人才培养模式。本文主要讨论普通本科院校和高职院校的嵌入式教学模式。
普通本科院校的嵌入式教学模式
国内普通本科院校在原有计算机学科的基础上，开设与嵌入式有关的课程是水到渠成的。早在20世纪90年代末，某些重点高校就依托部级的重点科研项目在研究生层次展开了嵌入式技术的开发与应用，其中最著名的就是Delta OS，它是电子科技大学和科银公司联合研制开发的全中文的嵌入式操作系统。随着嵌入式行业的飞速发展，一些重点高校在本科层次也开始引入嵌入式有关的课程，但嵌入式教学的重点还是放在研究生层次和科研实验室中。
国内高等院校的本科层次嵌入式方向教学模式可以总结为：在计算机类或者电子类原有教学模式的基础上，为有志于从事嵌入式开发以及未来在更高层次上学习和工作中继续嵌入式开发的学生进行广泛的兴趣培养。具有如下特点：（1）本科层次的嵌入式专业课程往往安排在大三，甚至大四，通常作为专业选修课出现。有些本科生在做毕业设计时才开始接触嵌入式开发。嵌入式系统课程在本科阶段多作为专业知识的拓展或研究生学习的铺垫，更多出现在研究生培养方案或者所辖的二级学院培养方案中。（2）本科学生入学素质高，学制长，理论基础扎实。由于学生拥有深厚的计算机或者电子技术的理论基础，往往在接触嵌入式开发后可以触类旁通，学习能力和速度都非常惊人。（3）本科院校的科研实力普遍较强，以科研带动教学，研发氛围非常好。一些重点高校的优秀本科生在大三就可以加入到导师的科研团队中，进行嵌入式产品的实际开发。（4）本科院校与企业合作科研的实力较强，一些重点院校与国际知名的公司有长期的合作关系。这无疑大大促进了本科层次嵌入式方向人才的培养。
高职院校的嵌入式教学模式
随着嵌入式行业的发展，近几年国内高职院校的嵌入式教学也以较快速度发展。其中，深圳职业技术学院计算机应用专业起步最早，发展较快。从2003年首次开设全国高职院校中的第一门嵌入式系统类课程，并创建全国高职院校中第一个嵌入式系统类实验室“深职院－电子科大嵌入式系统技术实验室”开始发展至今，该专业已有400名左右的嵌入式方向毕业生，其中大部分都就业于嵌入式相关行业，有些学生在企业工作两三年后，目前已成为嵌入式专业方向项目经理以上技术人员。总结这些年来的办学经验，深职院嵌入式方向教学模式可概括为：以“职业岗位需求”为核心，教授紧跟当前嵌入式行业发展的核心技术，把学生培养成“能工巧匠型大学生”。现从以下几方面具体说明。
面向工作岗位，体现核心能力的人才培养计划 自本专业创建至今，每年5月定期举行专业指导委员会会议，广泛邀请业内精英企业的总裁和一线技术负责人讨论、修订当年新生的大学三年教学计划。来自企业的声音使得每一届学生的培养计划都源自就业岗位，符合工作需要。
紧跟行业技术发展潮流的课程体系 如图1所示，按照学生未来的就业领域和岗位需求设置课程，包括：微控制器高级应用、RSIC嵌入式系统技术、WindowsCE嵌入式操作系统、Linux嵌入式操作系统、DSP技术、智能网联网技术、嵌入式SOPC技术、嵌入式技术应用综合实训等。
重视学生动手能力的培养 高职院校素来重视学生动手能力的培养，学生绝大部分的学习在各种实验（实训）室进行，并基本保证每人一套业内实用的实验设备。
与嵌入式知名企业紧密合作 定期举行最新行业技术交流讲座，组织学生到企业生产一线去实习参观，合作开发科研项目等。除了前面提到的“专业指导委员会”，还大力建设相关的校外实训基地，为学生校外实习、就业打下良好的基础。
毕业生具备国内外认可的嵌入式行业权威认证 引进“ARM中国技术工程师”、“WinCE嵌入式系统开发”等国内外认可的权威认证，既拓宽了课堂所学知识，又提高了学生的就业竞争力。
然而，高职院校本身的一些客观条件也影响和约束了嵌入式系统人才的素质，如学生入学基础较差，学制较短，学历证书对企业没有较大的影响力等等。
应用型本科嵌入式系统人才培养模式的探讨
通过对普通本科院校与高职院校在培养嵌入式系统人才的教学模式上进行仔细分析后，不难发现两种模式均有优势和不足。能不能取长避短，探索出一条适应市场需求的嵌入式系统人才培养模式呢？答案是肯定的。可以结合普通本科院校与高职院校嵌入式系统人才培养模式的优点，研究并探索一种学制与普通本科一样，培养目标与高职教育相似但更高的培养模式――应用型本科嵌入式系统人才培养模式。这种模式和普通本科一样培养四年制全日制在校大学生，在培养思想和课程体系上有以下特点。
（一）培养思想
直接为企业培养应用型人才，而不是普通本科院校所培养的应用型与研究型相结合的人才。根据企业工作岗位的需求制定人才培养方案，使得培养出来的学生掌握嵌入式行业的相关工作技能，能将学校所学直接应用到工作中，很快适应并进入工作角色。
（二）课程体系
课程体系的设置兼具实践性和理论性，以实践为主，兼顾理论，使学生在体系化结构的嵌入式系统知识的基础上，能基本胜任一线的工作角色，并具备一定的专业自学能力，在未来的职业发展中更有潜力和后劲。
课程设置目标 嵌入式系统的开发是结合硬件平台设计、系统软件规划、应用软件开发等一系列环节的软硬件综合工程。因此，要求应用型嵌入式系统人才必须掌握软硬件的基础知识，具备嵌入式系统开发的相关技术能力，必须是全方面的软硬件人才。这和普通本科院校电子专业或者计算机专业培养出来的具有一定嵌入式系统开发能力的人才有本质的区别。
计算机软件硬件兼顾的四年制课程体系 结合课程设置的目标，学生必须具备一定的软硬件专业基础知识才能进入32位嵌入式系统课程的学习。在硬件方面，必须先学习数字电路、模拟电路（高低频）和单片机原理与应用等课程；在软件方面，要学习C/C++程序设计、汇编语言、软件学和操作系统原理等课程。只有掌握了这些课程的内容，才能进入32位嵌入式系统课程的学习。而32位嵌入式系统本身的知识点很多，主要包括32位嵌入式芯片的结构与功能、32位嵌入式硬件体系结构、硬件平台的电磁兼容设计、嵌入式软件中的Bootloader引导程序、驱动程序的编制与调试技术、嵌入式实时操作系统平台的移植与应用软件的开发等，因此，必须全面、系统地规划应用型嵌入式系统人才培养的四年制课程体系。
专业课程中实践内容与理论内容的关系 虽说“实践出真知”，可在嵌入式系统开发这一行，没有扎实深厚的理论基础是不行的。因此，必须处理好两者的关系。以 “Windows CE嵌入式系统”课程为例。该课程根据嵌入式系统助理工程师工作岗位的特点，以一个具体的嵌入式公司的研发活动展开分析，并确立研发中的典型工作过程，仔细分析工作过程对嵌入式助理工程师的能力要求，完成课程的初步设计。在经过与企业兼职教师商讨后，对课程设计进行调整，并整理出实用及可操作的教学内容，以项目的方式进入教学。根据PDA研发过程，将课程分为14个项目、1个课程设计完成学习过程；教学内容注重实践与理论相结合，其实践和理论的课时比例为42∶22；全程在专门的实训室中进行教学，保证每个学生都能在基于IntelPXA270的嵌入式教学平台上完成学习任务。通过课程学习，学生能较好地掌握Windows CE嵌入式系统的应用与开发方法，系统掌握Windows CE嵌入式系统驱动程序的开发及应用的相关技术。
学完一门课程，掌握一个实际项目的开发技能 在课程体系中，多加入学习时间集中、实践动手环节为主的整周实训课（单元课），建立以产品为实体的多种工程技术开发实训项目以及相应的实训室等。如在最后一个学期开设的“专业技能实训”课程，该课程集中在2周实施，共56学时，在这2周的学习中，学生在基于IntelPXA270的嵌入式教学平台上围绕PDA应用项目完成内核及SDK定制、bootload、串口开发、gprs应用、gps应用等10个实用的实训项目。通过该课程的学习，学生能较好地掌握针对PDA及相关嵌入式系统的常见应用项目的开发方法。
像专业核心课一样，认真进行毕业实习工作 普通本科院校一般只在大四安排一个月左右的毕业实习。考虑到让学生多些时间体验工作岗位，体验社会角色，从而更好地适应用人企业的需要，在大四下半学期安排更多的时间进行毕业实习，甚至可以考虑将毕业实习和毕业设计结合起来，为学生联系或者学生自主联系嵌入式行业公司，在适合的工作岗位上实习一个学期，使学生把握住宝贵的就业机会和实习时间。
此外，与国内外的业内知名公司合作，引入有影响力和竞争力的专业认证，作为学生的课外延伸。
应用型本科嵌入式系统人才培养模式有别于普通本科教育和高职教育，是满足嵌入式人才培养需要，面向实际工作岗位，兼顾计算机软硬件开发理论和方法的一种新型模式，是嵌入式系统教育从高职层次向应用型本科层次逐步转变的一种探讨和尝试。随着这种模式的推行和发展，相信会有更多更好的嵌入式系统人才从校园走向广阔的就业市场。
参考文献：
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嵌入式系统的基本原理范文3
【关键词】嵌入式系统；学科体系；平台模式；对象学科
一、嵌入式系统简介
（一）嵌入式系统的产生
嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。直接在嵌入式处理器与集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。即便有处理器内核，也是嵌入式处理器而非通用微处理器。
（二）专用计算机探索的失败之路
无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。人们便直接将微型计算机体系结构进行简化，集成到一个半导体芯片中，做成单片微型计算机。
Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。单片微型计算机彻底解决了嵌入式系统的极小体积、极低价位，但在高可靠性及对象可控性方面没有本质上的改进。
（三）嵌入式系统的独立发展道路
嵌入式系统的微控制器（MCU）发展道路，是一条摆脱“专用计算机”羁绊，独立发展的道路。这是一条由IntelMCS51单片机、iDCX51实时多任务操作系统开辟的单片机独立发展的道路。MCS51是一个在微电子学、集成电路基础上，按照嵌入式应用要求，原创的嵌入式处理器。MCS51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器（SFR）的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础；iDCX51是专门与MCS51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。
二、嵌入式系统的四个支柱学科
目前，嵌入式系统尚未形成独立的学科体系。从“嵌入式系统”的诞生、独立的单片机发展道路、微控制器技术发展的内涵、嵌入式系统的多种解决方案来看，“嵌入式系统”是四个支柱学科的交叉与融合，并以平台模式进行学科定位与分工。
（一）四个支柱学科的关系
嵌入式系统的四个支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科、对象学科。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科，计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。
（二）领衔的微电子学科
微电子学科与半导体集成电路的领衔作用，在于它为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术学科、计算机学科的许多重要成果，最终都会体现在集成电路中，从早期的数字电路集成，到如今的模混合、软/硬件结合、以IP为基础的知识与知识行为集成。
（三）为平台服务的计算机学科
现代计算机出现后，在计算机学科中形成了两大学科分支，即通用计算机学科与嵌入式计算机学科。通用计算机学科与嵌入式计算机学科有不同的技术发展方向与技术内涵。由于嵌入式计算机学科与对象学科、微电子学科紧密相关，而嵌入式计算机学科与原有计算机学科内容有较大差异，不能用通用计算机的概念来诠释嵌入式系统，因此、嵌入式计算机要加强与微电子学科、电子学科、对象学科的沟通，共同承担起嵌入式系统新学科的建设任务。在嵌入式系统中，计算机学科要承担起嵌入式系统应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工程方法、编程语言、程序设计方法等内容。
（四）广泛服务的电子技术学科
在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最广泛的技术服务。电子技术将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成；为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；在对象学科中，广大的应用工程师在嵌入式软硬件平台上实现最广泛的应用。
（五）对象学科的最终出路
对象学科是嵌入式系统的最终用户学科。对象学科几乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。对于对象学科来说，嵌入式系统只是一个智能化的工具，对象学科要在嵌入式系统上构建本领域的一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是本学科的基础理论与应用环境、应用要求。同时，在应用中要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式计算机学科提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。
三、平台模式下的学科
（一）平台模式的由来
平台模式是知识经济时代的一种基本的产业、科技模式，是人类知识分离性规律、集成性规律发展到高级阶段上的必然现象。它将一体化的产业、科技模式变革为知识平台媒介下的平台模式。只要对比上世纪60年代收音机产业与90年代的VCD/DVD产业，就会发现一体化产业模式与平台产业模式的本质差异。
（二）嵌入式系统的平台模式
按照知识的分离性发展规律，知识创新者不从事知识应用，知识应用者不需要了解创新知识原理；按照集成性发展规律要求，知识创新者应该将创新知识成果集成到工具之中，转化为知识平台，知识应用者应该在知识平台基础上实现创新知识应用。对象学科领域是嵌入式系统的最终用户，对象学科领域的电子技术应用工程师应该在一个现成的嵌入式系统平台上实现嵌入式应用系统设计。微电子学科、嵌入式计算机学科、电子技术学科（非对象学科领域中的应用工程师）不是嵌入式系统最终用户，这些学科的重要任务是将创新科技成果转化成形形的知识平台。
（三）平台模式下的学科定位与分工
嵌入式系统中四个支柱学科的定位，除了学科知识结构的定位外，还要体现出在知识平台模式中的定位。这种平台模式的定位，是一种3+1的定位。即微电子学科、计算机学科、电子技术学科为嵌入式应用构筑各种类型的应用平台，不介入嵌入式系统的具体应用；对象学科一定要在嵌入式系统应用平台基础上，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用，不必介入嵌入式系统的平台构建。
嵌入式系统是一个无限大的空间，不论是嵌入式系统平台构建还是嵌入式系统平台应用，都有无限广阔的发展空间，关键是把握好自己的“定位”与“分工”，了解学科的“交叉”与“融合”。
参考文献
[1]何立民。嵌入式系统的产业模式[J].单片机与嵌入式系统应用，2006,（1）。
嵌入式系统的基本原理范文4
关键词：嵌入式系统；实践；创新训练项目；课程设计
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0146-02
目前，我国对嵌入式领域人才的需求日益旺盛。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用，包括工业自动化、医疗仪器设备、智能家居、智慧城市和航天航空领域。例如神州飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，神州飞船从原来神州一号到神州十号，还有登月探测器嫦娥一号到嫦娥三号，其系统中都有大量的嵌入式系统。并且，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，使人们的生活更加丰富多彩。在生活中，所有带有一点“智能”的家电，例如电脑电冰箱、电脑电饭煲、电脑豆浆机等都是嵌入式系统，另外，日常常见的IPAD、照相机、摄像机、打印机、智能手机等都是嵌入式系统[1]。为此，国内外各大院校也纷纷开设了嵌入式系统方面的课程，并且在教学中把培养学生的实践动手能力放在首位。
本文对西安科技大学电气与控制学院自动化专业《嵌入式系统原理与设计》实验课程的教学特点进行了分析，提出了嵌入式系统原理与设计的课程实验教学方法，实践证明，该方法大大提高了学生的实践动手能力，为以后能成为真正的嵌入式人才打下了重要基础。
一、“嵌入式系统原理与设计”课程简介
1.从嵌入式系统定义和特点。嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。或者可以简单定义为嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统即为嵌入式系统。
嵌入式系统包含有三个特点，即嵌入性、内含计算机和专用性。
2.嵌入式系统的组成。系统包含硬件和软件，其中硬件包含嵌入式处理器和硬件设备，软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序[2]。嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体。嵌入式系统的嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统（SOC）。常见的嵌入式操作系统有：嵌入式Linux，Win CE，VxWorks和μC/OS-II。
二、“嵌入式系统原理与设计”课程实践项目
1.课内实验。课内实验是让学生熟悉实验教学系统和开发环境，完成基础实验的编程和验证工作。所使用的开发板是周立功公司的LPC2131的开发套件，能完成一些硬件的基础实验。包括GPIO口输入输出实验、外部中断实验、定时器实验、UART实验、I2C实验、SPI实验、PWM脉冲宽度调制、AD/DA实验、RTC实时时钟实验、低功耗实验等。通过基础实验的学习，学生掌握ARM7的开发环境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系统也作为程序设计的一部分，在操作系统的基础上设计用户程序，使学生熟悉嵌入式开发环境，全面了解嵌入式系统开发流程，在实践中锻炼设计和开发嵌入式系统的能力。
2.课程设计。在学期末集中安排两周的课程设计，主要完成以ARM处理器为核心的嵌入式最小系统及其扩展模块设计。实验设备采用ARM LPC2131开发版，考核方式为软硬件验收并提交课程设计报告。在学生熟悉了ARM的开发环境和基本的实验程序之后，会让学生自己动手设计课题，给学生布置多个课题，学生可根据兴趣进行选择，三人一组。如：基于ARM的步进电机细分驱动控制设计，自动窗帘控制器，多路数据采集系统，基于ARM的工程车控制系统设计，直流电机调速系统设计等。
下面以红外自动感应窗帘为例，介绍学生课设自己动手所做的工作。首先，学生根据课题功能的要求，确定系统控制方案。《自动窗帘控制器》课题要求系统能根据环境因素自动打开或关闭窗帘。因此学生可确定出如图1所示的控制方案。系统包括LPC2131最小系统、温度和光强检测、键盘输入、液晶输出和步进电机驱动等模块。
在此方案的基础上设计系统硬件，进行器件选型和原理图设计。温度检测选用DS18B20，光强检测选用光敏电阻，键盘采用独立按键，液晶显示选用LCD1602，步进电机选用28BYJ-48型步进电机，其驱动选用ULN2003。由此得到的系统原理图如图2所示，并要求学生在此原理图基础上做出硬件实物。
而后就可以进行软件的编程和调试了。软件工作流程如图3所示。
最后通过软硬件的联合调试，实现系统所要求的功能，并撰写课程设计报告。
3.创新训练项目。在校大学生每年都可以参与申请大学生创新创业训练计划项目，该类项目主要由4～5名学生完成，由一名老师指导[4，5]。创新训练项目申请时要对项目实施的目的和意义、项目研究内容和拟解决的关键问题、项目实施方案、主要技术指标和经费预算等进行陈述。重点是项目研究内容、拟解决的关键问题和项目实施方案。通过这种形式，学生不仅对项目的申请有了一定的认识，而且可以激发学生学习的兴趣，由原来单纯的依靠兴趣来动手实践，转变为以解决实际问题为目的的学习方式。这样，可以让学生以解决问题为驱动的方式来学习嵌入式系统的设计，与实际的工业企业问题更为接近，也可以为就业打下坚实的基础。
4.毕业设计。此外，每年有大约四分之一的学生以嵌入式系统设计方面的题目作为他们的毕业设计课题，如，基于ARM的智能家居控制系统设计、嵌入式多功能轮椅控制系统设计、嵌入式鱼塘水质监控系统的设计、基于ARM的道路清扫车控制系统设计、嵌入式语音控制机器人控制系统设计等等课题。学生通过毕业设计动手能力的训练，进一步提高了解决实际问题的能力，增强了就业竞争力。
嵌入式系统原理与设计课程是自动化专业的一门重要课程[6]，该课程通过课内实验、课程设计、创新训练项目、毕业设计等方面实践项目，不仅提高了学生的实践动手能力，也提高了学生解决实际问题的能力，让学生能有一技之长，增强了学生的就业竞争力，为学生成为企业需求的嵌入式应用型人才打下了重要的基础。
参考文献：
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[4]王恒，张燕，钟丽娜.“ARM控制器实用技术”课程教学探索[J].物联网技术，2015，（6）：106-108.
嵌入式系统的基本原理范文5
关键词：计算机专业；嵌入式系统；课程体系；
作者简介：蒋伟杰，男，讲师，研究方向为嵌入式系统。
1概述
1.1嵌入式系统定义及构成
我国对嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，在实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四个部分组成，具有对其他设备进行监视、控制或管理等功能。
1.2嵌入式产业现状
嵌入式系统产品广泛应用于移动通讯、电子消费品、医疗设备、军工航太等领域。目前我国的手机、互联网、有线电视用户数量均居全球第一，我国的嵌入式系统产业在其市场的促进下突飞猛进。根据赛迪顾问的研究显示，2007年中国嵌入式系统产业规模达到2 218.1亿元，增长32.3%。2005年到2007年的复合增长率达到23.1%，增长速度持续高出同期全球嵌入式系统产业的平均增速。另外，据全球著名市场调查公司GFK预测，2009年全球消费电子产品市场销售额将达到6 822亿美元，其中中国的市场将占全球市场的14.5%[1]。IBM、Sybase、Oracle、Intel以及Microsoft等国际公司也纷纷在中国成立专门的嵌入式部门，进军中国的嵌入式市场。
1.3嵌入式人才需求
在嵌入式系统产业高速发展的刺激下，相关企业
对嵌入式系统人才的需求与日俱增。在我国较大的两家招聘网站“前程无忧”和“智联招聘”上对嵌入式系统人才的职位需求进行调查，2010年3月20日对嵌入式相关职位的需求分别是6 371个和5 083个[2]，2011年1月2日的需求分别是9 760个和8 146个。不到10个月，其需求的增长分别达到53.2%和60.3%。
近几年，每年都有大量的人才进入嵌入式系统领域。嵌入式系统人才培训机构华清远见在《2009-2010年中国嵌入式开发从业人员调查报告》中指出从事嵌入式开发不到2年的工程师所占的比例是最大的，占总参与调研人数的60%。同时，该报告显示，在接受调查的嵌入式工程师中有80%认为自己公司目前都急缺嵌入式开发方面的人才。
1.4嵌入式高校教育现状
国内大部分高校计算机相关专业和电子通信相关专业只是将嵌入式系统的有关课程作为选修课来开设，并未作为一个专业方向来设置，嵌入式系统课程没有形成体系，因此在嵌入式系统人才的培养上还普遍存在着几个问题。
1.4.1嵌入式系统知识学科融合性强，不同专业的学生各有其局限性
嵌入式系统需要掌握模拟电路、数字电路、EDA设计、微机原理及接口、程序设计、操作系统、软件工程等综合知识。而各专业学生的学科知识参差不齐，自动化、测控和电子类的学生电子设计的基础较好，程序设计偏弱；而计算机类的学生程序设计基础好，电子设计能力偏弱[3]。
1.4.2嵌入式课程知识与实际需求脱节
嵌入式系统知识体系最主要的三大技术是计算机体系结构、计算机操作系统和计算机网络，国内高校这些课程的教学内容老化，不能跟上最新技术的发展[4]。像计算机体系结构的课程大多还停留在8位处理器的层次上，而目前在市场上占主导地位的是32位处理器，毕业生所学的知识与企业需求脱节，导致嵌入式系统人才的缺乏，也制约着高校嵌入式系统课程的发展。
1.4.3师资不足，实验设备匮乏
嵌入式系统课程的教学与传统的教学模式相比，更加注重学生的实际开发能力，在教学过程中一般要求以项目为导向、以开发平台为核心，这不仅要求教育模式和教育方法上的改革，还需要建设相应的实验平台。
一般院校在嵌入式系统方向的师资有限，特别是软硬件知识兼通的师资严重不足，熟悉应用程式开发和操作系统的教师对底层的处理器和驱动了解不够，而熟悉底层硬件的教师却对软件开发比较陌生[5]。另一方面，嵌入式开发需要很强的实践能力，授课的教师需要具有很深的专业背景和工程项目经验[6]才能引导学生进行自学，才能够给出多个项目，让项目贯穿整个教学过程，充分发挥学生的主体作用。
嵌入式系统的学习需要建立在大量的实践基础上，而嵌入式系统的开发板、仿真工具等实验设备价格较高，一般院校的实验设备数量有限，这也在相当程度上限制了学生的实践时间和空间[3]。
2嵌入式课程体系的建立
2.1嵌入式人才培养目标
嵌入式系统的应用可以分为三个层面[7]，从低到高分别是SOC系统设计及开发，嵌入式操作系统的移植、裁剪、驱动开发和平台的设计，嵌入式的应用程序开发。
中国嵌入式系统产业联盟、中华嵌入式人才库在2008年的《首次嵌入式企业人才需求报告》中显示企业对应届毕业生的需求如图1、图2所示。
图1企业岗位需求
图2企业培训需求
图1代表着现在企业需求的现状。从图1数据可以看出，目前企业招收毕业生最多的岗位是与Linux相关的开发工程师以及软件测试师等，而其余的主要是ARM开发工程师与单片机开发工程师，这说明目前企业最需要的是嵌入式应用程序开发这一层面的人才。
图2代表着企业未来的人才需求方向。图2的数据表明企业最希望毕业生接受的培训是嵌入式培训，接下来是ARM、DSP等与嵌入式处理器的培训，其余的主要是FPGA及WindowCE的培训，这说明未来企业最希望接收的人才是具有嵌入式系统多个层面基础知识的通用人才，能够具有软硬件协同开发的能力。而企业对ARM和DSP嵌入式处理器人才及FPGA设计人才的期望则说明了两个可能性，其一是企业对人才的需求向嵌入式系统的底层技术偏移，其
二是企业希望将来的应用程序开发人员具有嵌入式系统硬件基础，了解嵌入式系统的硬件构成，更好为嵌入式软件开发服务。
因此，建立嵌入式课程体系的目标是培养具有嵌入式系统基础知识，即嵌入式应用开发、嵌入式操作系统开发、嵌入式SOC设计三个不同层面都有一定基础的人才，同时在这个基础之上重点培养嵌入式应用开发。
2.2嵌入式课程体系的建设
要达到培养嵌入式人才的目标，可以根据三个不同层面来分析其知识构成及其相关的课程，并根据目前的主流技术及其发展趋势，具体制定课程的主要内容。
从嵌入式SOC设计的层面来看，需要的课程有EDA设计、嵌入式处理器及其接口、SOC设计等。嵌入式的处理器体系可以选择目前应用最广泛的ARM体系结构和DSP处理器结构；嵌入式接口技术方面可以选择用户图形界面、无线通讯等接口模块；而SOC设计方面可以学习Altera公司的基于NiosII的SOPC设计。
从嵌入式的操作系统开发的层面来看，需要的课程有嵌入式操作系统以及嵌入式驱动程序开发等。嵌入式操作系统的学习以嵌入式Linux操作系统、WinCE操作系统、嵌入式Android操作系统等为主。
从嵌入式应用程序开发的层面来看，需要的课程有嵌入式网络技术、嵌入式数据库、嵌入式软件设计等。根据操作系统的教学情况，应着重培养在Linux、WinCE、Android等系统平台上进行嵌入式应用程序开发的能力。
根据目前一般院校的情况，新设置一个嵌入式专业来培养嵌入式人才，在短期内显得不切实际，因此最好的方式就是对原有的计算机相关专业进行改革，在原有的专业基础上增加嵌入式系统方向，具体的做法如下。
专业基础课的调整：在“组成原理”课程中增加ARM体系和DSP处理器的内容，压缩原有的X86架构的内容[7]；在“微机原理和接口”课程中选择以ARM体系及其接口为主的课程内容[8]。调整后的课程如下：计算机导论、C程序设计、基础电路与电子学、离散数学、数字电路、算法与数据结构、组成原理、操作系统、计算机网络与通信、微机原理与接口、数据库、面向对象。嵌入式系统方向的专业课程设置如下：EDA设计技术、嵌入式系统SOPC设计、嵌入式Linux操作系统、嵌入式系统设计。专业选修课中增加两门课程：嵌入式网络技术、嵌入式数据库技术。
调整后前5个学期学习专业基础课，第6个学期开始分方向进行学习。前5个学期的专业课程安排如表1所示。
表1专业课程安排表
3建设嵌入式课程体系的实施
3.1师资培养
除了直接引进嵌入式系统的师资以外，还可以选择加强原有师资力量，培养原来与嵌入式系统相关方向课程的教师，特别是年轻的教师。培养的途径有：让教师参加嵌入式课程培训，了解嵌入式课程体系，掌握最新的嵌入式系统发展趋势，明确教师在嵌入式课程体系中担任的角色；计算机专业与电子专业的教师跨专业合作，利用自身的专业优势取长补短，共同进行嵌入式系统课题的研究；在有条件的情况下，可以参与或申报嵌入式相关的科研项目，以及与企业进行合作，开展类似项目，进一步将理论与实际需求相结合。
由于嵌入式系统的课程学习具有很强的实践性、且与现实生活中的技术发展结合紧密。因此在部分课程的教学过程中，可以考虑建立业师制度，即由企业的嵌入式开发工程师承担课程的部分授课任务。业师可参考三个来源：嵌入式人才较多、需求较大的企业；嵌入式开发板、嵌入式设备厂商；嵌入式系统的培训机构。
3.2实验平台建设
根据嵌入式系统课程的设置，需要的实验平台要有两种类型：一是CPLD/FPGA设计平台，与SOPC课程设计配套。二是基于ARM体系的实验平台，可以进行嵌入式操作系统和嵌入式应用开发的实际课程。
目前市场上相关的嵌入式实验平台有很多，根据制定的培养目标，选择实验平台时要满足以下要求：有足够的输入输出接口，以及多种常用的接口，能够完成大多数嵌入式系统基础知识的实验。如输入需要有指拨开关、按键开关、可调频率的脉冲输入、键盘输入等，另外根据需求可以选择有触摸屏的输入。输出的接口需要含有(双色)LED灯、七段代码显示器、点阵、液晶屏显示器等。其他通信的接口如USB串口、RS-232 串行口、以太网接口、WIFI无线接口、VGA接口等。另外，还要求该实验设备能够支持一定的设计开发，可以进行综合设计，创新课题或者是毕业设计的课题。
3.3教学模式改革
由于嵌入式系统的学习具有很强的实践性，在进行嵌入式课程的教学过程中结合传统的教学方式，主
要采用以项目为导向的教学方式。整个教学过程可以分成两条主线，第一条主线是理论基础及其实践基本技能训练，采用传统的教学方式；第二条主线以引导学生的积极性、开发学生的创新能力为主，在课程中给出多个项目，学生选择感兴趣的项目，在学习理论知识的同时自行分析、设计并完成。
4结语
嵌入式技术已成为当今后PC时代的主流应用，在中国嵌入式产业高速发展的情况下，如何在传统的计算机专业中注入嵌入式系统内涵，培养合格的、适应社会需求的嵌入式人才是现在高校计算机学科竞相研究的一个课题。我们正是针对嵌入式系统人才需求的实际情况，提出在培养嵌入式系统人才的过程中既要注重计算机学科的理论基础也要加强培养学生的实践能力。理论基础的知识要与时俱进，跟上科技发展的主流；实践课程的设置上要以具体的实验平台为依托，以企业的需求为目的，培养出来的嵌入式系统人才在社会上才能够占有一席之地。
参考文献：
[1] 许晔. 发展嵌入式系统是我国后PC时代的战略选择[J]. 中国科技投资,2010(2):57-59.
[2] 闫改珍,徐朝胜,李双喜. 电信专业嵌入式应用人才培养的几点思考[J]. 中国科技博览,2010(17):107-108.
[3] 殷建军,张明武,尹令. 嵌入式系统课程现状分析与对策研究[J]. 计算机教育,2010(14):114-117.
[4] 李精华,李兴富. 嵌入式技术人才需求分析[J]. 桂林航天工业高等专科学校学报,2009,14(3):327-329.
[5] 高洪志,孟祥莲,梁兴柱. 应用型院校培养嵌入式系统人才的研究[J]. 中国科技纵横,2009(12):145-146.
[6] 杨军. 计算机科学与技术专业嵌入式系统课程建设初探[J]. 科技信息:科学•教研,2007(36):10-11.
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[8] 吴方,王震,陈东伟. 独立院校计算机专业嵌入式方向教学改革研究[J]. 计算机教育,2008(8):150-151.
Research on Embedded Curriculum in Computer Specialty
JIANG Weijie
(Department of Computer Engineering, Sunshine College, Fuzhou University, Fuzhou 350015, China)
嵌入式系统的基本原理范文6
嵌入式系统是计算机技术、通信技术、微电子技术等先进技术和具体应用对象相结合的更新换代产品。嵌入式系统面向具体的应用领域,随着产品智能化、小型化的普遍需求,嵌入式系统已经渗透至各个行业,具有广阔的市场前景[1]。近年来,各高校信息自动化计算机类专业逐渐将嵌入式系统纳入重要专业课程范围,尤其在嵌入式实践教学体系方面进行了深入的探讨[2-4]。
考虑到通信类学生的培养与实际就业情况的需求,在嵌入式教学中,除了使学生掌握基本的通信技术原理和嵌入式软件设计的一般方法和流程外,还应注重培养学生的实际应用开发能力。因此,嵌入式教学应该倾向于实践而不是仅仅局限于只是传授理论知识。本文针对本专业嵌入式实验教学中普遍存在的专业针对性弱、设备缺乏、课程系统性和层次性的不足等问题,利用研究所自主研发的嵌入式实验教学平台,设计了具体的实验教学方案。
1 嵌入式实验教学中存在的问题
嵌入式系统课程的实践性非常强,为了加强学生对嵌入式系统理论知识的认知,提高学生解决实际问题的能力和创新能力,实验教学在嵌入式课程教学中有着至关重要的作用。到目前为止,在嵌入式实验实际教学中发现了以下问题。
缺乏针对性强的实验平台。嵌入式课程教学和人才培养具有高度的实践性,通常情况下,教学所用的实验平台(实验箱)是委托科教仪器公司开发的。由于教学投入不足,经常出现设备板子烧毁,讲义资料不全,实验箱不完善导致能开设的实验不多,由于部分源代码不开源等现象,所以相关实验基本上都是演示性的实验,或者与其他学科共同使用一套实验设备,没有本学科专业特色,很难实现视频采集、音视频压缩、网络传输等功能。这些因素皆不利于通信专业学生实践能力的培养。其次,缺乏灵活的实验设计及讲义。在嵌入式系统应用领域,嵌入式系统中的软件开发困难,既要考虑不同平台的差异,又要具备一定的稳定及易行性条件。以往这些类型的软件开发都是由硬件厂商包办,且提供的嵌入式系统软件解决方案五花八门。而实验设计应侧重于主流操作系统下软件的实践和创新。此外,大多数学生照着详细的实验指导书按部就班,缺乏自主创新的意识,甚至不深入思考实验现象背后的理论知识。这显然与培养学生创新性思维和能力的目的背道而驰。而实验课时少也是实践教学中亟待解决的一个问题。嵌入式系统课程对学生的专业知识要求较高,学生先要学习单片机原理及应用、C/C++程序设计、DSP原理及应用等嵌入式
相关课程,等到具备了一定的实验操作和编程能力之后,在大三下半学期或大四上半学期开设嵌入式系统课程。理论性教学和实验教学交叉进行,再加上总课时的限制,使得学生自主实验时间大大减少。虽然已从原有实验课时占较少课时的状态,调整到实验课时占总课时一半的状态,课内实验还是远不能满足对学生的培养需求。
2 实验教学配套设施
本研究所自主开发的嵌入式系统实验平台是一套功能完善的实验箱,选用ARM处理器+Linux操作系统的主流配置。实验箱上提供有教学系统采用的各种测试点(包括图像视频采集输入、I/O输出等),方便教学中使用示波器等测试仪器;多路数字信号源(包括四路视频输入功能);ARM开发系统功能等众多功能。此套基于双核处理器架构(双核处理器架构,是指采用一个ARM核及一个SoC图像处理核的架构芯片)的四路DVR教学实验箱,可以实现视频采集,H.264压缩,音频压缩,网络传输以及嵌入式Linux操作系统等功能,主要为高等院校通信工程类专业、电子信息类专业等高年级学生的通信专业课程设计、通信专业大型实验、毕业设计、电子设计竞赛以及研究生的数字通信实验而设计,也可供相关专业的本专科毕业班学生使用以及自学使用。此外,还配有教学资料光盘,以及分层次、系统的实验指导书。实验系统构架。
由于嵌入式系统涉及的知识广、综合性强和应用性强,且软硬件技术不断革新,这就需要授课老师具有一定的项目开发经验。而本套实验箱正是由授课老师参与研发,对于一些新进的通信类教师也开放学习与研究。在对嵌入式实验平台有个系统的认识之后,遇到突发问题也可以及时解决,这大大降低了教师的授课难度,提高了实验课效率。
3 实验教学设计
结合理论教学,嵌入式系统实验的重点放在软件的开发上。充分考虑到嵌入式软件系统的结构、开发内容和方式的特殊性,从而设置多种配置方案、多层次实验项目的实验教学内容。学生边学习理论知识,边进行实验操作,设置一些基础型和模块化的实验使其对原理有更透彻的认知。当学生理论知识积累到一定的程度,可通过设置综合型的实验使学生进行系统学习与提高。此外,为了达到学生自主创新能力提高的目的,创新型实验的设置也必不可少。减少基础型实验,同时增大综合型和创新型实验的比例,并加入可选项,学生可根据自己的能力兴趣,自主制定实验内容。另外,为了适应本专业学生的培养,除了需要掌握嵌入式系统基本的方式方法之外,还在综合型实验中设置了较多通信类实验课程。
这样,学生在实验过程中,由浅到深、由基础到综合地进行实践操作,符合渐进性的教学规律。为了解决课时少的问题,设置了一部分课外可操作的实验,使一部分有兴趣而不满足于课内学习设计的学生有更广阔的学习时间与空间。
3.1 基础型实验
基础型实验多为验证型实验,其目的是为了让学生掌握基本的理论知识以及嵌入式软件的一般开发流程,熟悉开发工具与开发环境,为之后的综合型实验和自主创新型实验做好准备。这部分实验指导书较详细,学生能够扎实地掌握嵌入式系统的基本软件开发知识。基于本实验系统设计的基础实验主要如下。
