胡青　余嘉　蘇玉剛

摘 要：針對51單片機課程無法滿足人才培養(yǎng)要求的現(xiàn)狀，配合卓越工程師計劃對工程實踐能力的較強要求，提出建設(shè)全新的32位嵌入式課程，具體說明課程以Cortex_M3內(nèi)核的單片機為實驗平臺，講解在CMSIS函數(shù)庫基礎(chǔ)上，以C語言編程完成嵌入式開發(fā)的方法，最后指出改革后的課程能夠很好地實現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：Cortex-M3內(nèi)核；嵌入式課程；課程改革

0 引 言

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，深入人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹姆椒矫婷?，采用嵌入式技術(shù)的家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備日益增加，也使嵌入式硬件和軟件研發(fā)工程師成為近年來較為熱門的職業(yè)之一。然而，高校嵌入式相關(guān)課程的內(nèi)容與實際開發(fā)脫節(jié)嚴(yán)重，傳統(tǒng)教學(xué)模式所培養(yǎng)的人才不能滿足企業(yè)的實際需求，尤其是職業(yè)素質(zhì)和實際動手能力與企業(yè)的要求差距大，嵌入式課程亟需進行全面深入的改革[1-3]。

1 嵌入式課程的現(xiàn)狀

過去10多年中，大多數(shù)高校都開設(shè)了嵌入式技術(shù)的相關(guān)課程，51系列單片機以低價、易操作的特點成為市場主流，很多嵌入式課程以51系列單片機為對象介紹匯編語言，講解如何進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[4-5]。

51系列單片機內(nèi)部硬件資源較少，單片機內(nèi)部集成的硬件模塊總共只有21個寄存器，在課程內(nèi)容方面偏重于硬件底層寄存器級的操作。由于學(xué)生在先修課程微機原理中學(xué)習(xí)過x86匯編語言程序設(shè)計，而51單片機的匯編語言與x86微處理器的匯編語言比較相似，因此課程實驗往往要求以匯編的語言完成。

但是，經(jīng)過課程學(xué)習(xí)，絕大多數(shù)學(xué)生的嵌入式開發(fā)水平都不高，沒有項目管理和工程開發(fā)的思維意識，也沒有信心應(yīng)用它解決實際問題，究其原因主要有以下幾個方面。

（1）培養(yǎng)方式方法較為落后單一，不強調(diào)自主持續(xù)學(xué)習(xí)，缺乏延續(xù)性。

（2）相關(guān)課程內(nèi)容陳舊，實驗方式及內(nèi)容設(shè)置不合理，與工程實踐差距甚遠。

（3）教學(xué)輔助材料匱乏，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，在32位單片機已經(jīng)得到普遍應(yīng)用的今天，還繼續(xù)以8位的51單片機作為對象來學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，已經(jīng)嚴(yán)重與工程實際脫節(jié)。32位單片機的復(fù)雜度和開發(fā)難度遠遠高于8位的51單片機，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)后自學(xué)相關(guān)內(nèi)容會比較困難，無法滿足用人單位的要求，表1是兩種嵌入式課程培養(yǎng)現(xiàn)狀的對比。

2 32位嵌入式課程目標(biāo)分析

在各類32位嵌入式微處理器中，基于ARM內(nèi)核構(gòu)架的嵌入式RISC 微處理器以其高性能、低功耗、高可靠性等突出特征在32 位嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了大部分份額[6]。課程組選擇ARM Cortex-M3內(nèi)核的stm32系列單片機為目標(biāo)機型，對嵌入式課程進行全面深入的改革。

與51系列單片機相比，基于stm32F10x系列單片機具有以下特點。

（1）單片機內(nèi)部集成的硬件資源很多，各硬件模塊的功能復(fù)雜，寄存器較多。

（2）采用32位的thumb2匯編指令集，雖然指令條數(shù)不多，但是每條指令的使用都比較復(fù)雜，且與x86匯編指令有較大差異。

（3）大多數(shù)項目開發(fā)都是基于CMSIS庫函數(shù)，而不是完全自己開發(fā)底層接口。

CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是由ARM提出，專門針對CORTEX-M系列芯片的API接口標(biāo)準(zhǔn)?；贑MSIS的開發(fā)可以減少更換芯片及開發(fā)工具等移植工作所帶來的金錢以及時間上的消耗，這也是現(xiàn)在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域的一個趨勢。

32位嵌入式課程應(yīng)該順應(yīng)這個趨勢，同時保留8位嵌入式課程深入硬件底層的特點。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該不僅僅能夠調(diào)用CMSIS庫函數(shù)進行項目開發(fā)，還應(yīng)該具備開發(fā)接口庫函數(shù)的能力。

嵌入式開發(fā)不僅僅是單片機本身，還包括片外硬件模塊，而片外硬件模塊的選擇是根據(jù)項目需求決定的，不可能通過一門課程的學(xué)習(xí)掌握所有常用片外硬件模塊的使用，并且硬件技術(shù)還在持續(xù)快速發(fā)展中，我們更希望教會學(xué)生一種學(xué)習(xí)方法，期望學(xué)生具備自我提升能力。

最終確定嵌入式課程的培養(yǎng)目標(biāo)分成了以下3個層次。

層次1：了解嵌入式開發(fā)的基本常識，能夠根據(jù)課程所學(xué)內(nèi)容，調(diào)用CMSIS庫函數(shù)完成簡單的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

層次2：能夠讀懂CMSIS庫函數(shù)，掌握寄存器級的編程操作和程序調(diào)試，并能夠參考庫函數(shù)的規(guī)范編寫自己的硬件模塊接口函數(shù)。

層次3：具備學(xué)習(xí)和自我提高的能力，掌握查找和學(xué)習(xí)硬件模塊資料的方法，能夠?qū)W習(xí)了解新的硬件模塊，并成功應(yīng)用到自己的項目中。

3 教學(xué)內(nèi)容及教材

3.1 教學(xué)內(nèi)容

明確課程培養(yǎng)目標(biāo)后，下一個面臨的問題是以下幾個方面。

（1）單片機內(nèi)部集成的硬件模塊較多，應(yīng)明確選擇哪些模塊作為課程內(nèi)容，并且CMSIS為每種硬件模塊提供了豐富的接口函數(shù)，需要講解哪些庫函數(shù)以及如何講解。

（2）不清楚學(xué)生的C語言程序設(shè)計水平，并且嵌入式開發(fā)中的C語言編程與普通的C程側(cè)重點不同，需要補充一些C語言程序設(shè)計的內(nèi)容。

（3）層次3的目標(biāo)該如何實現(xiàn)，怎樣判定學(xué)生是否具備了學(xué)習(xí)和自我提高的能力。

我們通過問卷調(diào)查、座談等方式了解學(xué)生的情況和期望，結(jié)合課程組教師指導(dǎo)本科生SRTP中積累的經(jīng)驗，最終確定將32學(xué)時的理論課內(nèi)容分為三大部分。

1）基礎(chǔ)篇 ：引導(dǎo)學(xué)生入門。

所有嵌入式應(yīng)用開發(fā)都必須了解的內(nèi)容劃歸為基礎(chǔ)部分，包括單片機的體系結(jié)構(gòu)、CMSIS庫函數(shù)簡介、中斷基本概念和中斷響應(yīng)機制，單片機內(nèi)部硬件模塊包括RCC、GPIO、NVIC、EXTI和基本定時器。

2）進階篇：以智能車設(shè)計為主線，培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力。

嵌入式課程要培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)能力，為此課程組在組織課程內(nèi)容時以項目為載體，以能力提升為目標(biāo)，讓學(xué)生在推進項目的同時掌握知識和運用知識，鍛煉學(xué)生在實際應(yīng)用中自主應(yīng)用知識解決問題的能力[7]。

課程組以可擴展的智能小車設(shè)計為主線，分析小車功能，進而引出相關(guān)知識點。除了基本功能以外，小車還應(yīng)該具備一定的可擴展性，如可通過藍牙或無線實現(xiàn)遙控，可通過GPS實現(xiàn)定位等。這些外部硬件模塊基本都采用串行總線與單片機通信，先通過具體的實例讓學(xué)生認(rèn)識到串行總線的廣泛用途，再講解串行總線接口。在介紹串行通信基本常識的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點講解SPI接口，最后以8×8點陣驅(qū)動芯片MAX7219的編程控制，講解如何通過SPI接口編程控制外設(shè)。

3）拓展篇：開闊視野，培養(yǎng)興趣，自我提升能力。

這部分內(nèi)容的目的是開闊眼界，激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。目前設(shè)置的內(nèi)容為彩色液晶顯示控制和WAV音樂的播放。任課教師可以調(diào)查學(xué)生的興趣，結(jié)合自己的科研，靈活調(diào)整這部分的內(nèi)容。表2為32位嵌入式課程理論課的內(nèi)容安排及授課學(xué)時數(shù)。

3.2 教學(xué)材料

長期以來，教科書統(tǒng)治大學(xué)教學(xué)的局面廣泛存在，師生都以課程指定教材作為“教”和“學(xué)”的主線[8]。大學(xué)本科課程基本上都是根據(jù)指定的課程教材的章節(jié)來設(shè)置課程內(nèi)容、組織教學(xué)活動，可以說教材為整個課程的教學(xué)活動定下了主基調(diào)。然而學(xué)生對于教材的不滿也由來已久，認(rèn)為教材內(nèi)容過時陳舊，僅僅是為了課程考試才閱讀學(xué)習(xí)教材。

對教材的使用應(yīng)該從“強教材”向“弱教材”轉(zhuǎn)變，從“死教材”向“活教材”轉(zhuǎn)變[8]。教材應(yīng)該是教學(xué)材料的統(tǒng)稱，一門課程的教學(xué)材料應(yīng)該是立體、多樣、活泛的，而不應(yīng)該是孤立狹隘的一本教科書。

嵌入式開發(fā)具有技術(shù)更新快、工程實踐性強的特點，為此課程組在組織教學(xué)材料時以項目開發(fā)為主線，所有的教學(xué)材料均為該主線服務(wù)。材料來源多種多樣，包括教科書、單片機的各種手冊、芯片的數(shù)據(jù)手冊、硬件模塊資料、網(wǎng)絡(luò)資料以及教師自己編寫的課件和補充材料等，教科書只覆蓋課程內(nèi)容的一部分。

不以教科書為主線安排教學(xué)內(nèi)容，也為課程內(nèi)容調(diào)整提供了很大的靈活性。尤其是課程拓展部分的內(nèi)容由主講教師決定，不同教師可以選擇不同的拓展模塊。在實際的教學(xué)活動中，有教師選擇講授陀螺儀和步進電機控制作為拓展模塊。

嵌入式課程的教學(xué)材料適宜采用“教材+手冊+參考資料”這樣貼近工程實踐又具有一定彈性的方式來組織。

4 結(jié) 語

改革后的32位嵌入式課程經(jīng)過一屆學(xué)生的教學(xué)實踐，學(xué)生反映良好。在問卷調(diào)查中有82.1%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)本課程提升了嵌入式項目開發(fā)能力，85.7%的學(xué)生認(rèn)為課程中相關(guān)手冊的應(yīng)用教學(xué)有助于提升項目開發(fā)能力，而82.1%的學(xué)生認(rèn)為他們已經(jīng)具備了用C語言完成嵌入式開發(fā)的能力，調(diào)查結(jié)果表明改革后的課程較好地實現(xiàn)了課程培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻：

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[8] 陸國棟， 張力躍， 孫健. 終結(jié)一本教科書統(tǒng)治下的教學(xué)[J]. 高等工程教育研究， 2015（1）： 17-24.

（編輯：孫怡銘）