李克驕

(天津市和平區(qū)新華職工大學，天津 300070)

我國每年的嵌入式人才需求缺口均以百萬計，加速嵌入式人才培養(yǎng)迫在眉睫。

一、嵌入式系統(tǒng)概述

(一)嵌入式系統(tǒng)

從家用電器到宇宙飛船，幾乎處處可見嵌入式系統(tǒng)的身影，隨著嵌入式系統(tǒng)的普遍，其應用正在逐漸改變著我們的生活。生活更加智能，更加便捷。當我們把計算機嵌入到某個裝置中，那么這個裝置也就具備了智能化。我們將計算機嵌入冰箱，那么這臺冰箱就被稱之為“智能冰箱”，嵌入到洗衣機我們就稱這臺洗衣機為“智能洗衣機”，現(xiàn)在我們手機由于引用了嵌入式技術因此也普遍稱之為智能終端。生活中的各類數(shù)碼產品、交通工具、各種控制及檢測系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)都處于核心位置。

嵌入式系統(tǒng)種類繁多，存在形態(tài)差異很大，但經(jīng)過長期演變，其基本描述已經(jīng)趨近于統(tǒng)一，那就是軟件和硬件都是可以隨著應用場景的需求、對嵌入其裝置的計算機系統(tǒng)功能和配置進行相應增加或減少、同時他們都具備微型封裝和極低功耗以及成本低等特點。接下來，我們從嵌入式處理器以及嵌入式操作系統(tǒng)分別進行闡述。

(二)嵌入式處理器

嵌入式處理器以硬件角色經(jīng)歷了4個歷史階段。

1.微處理器階段。首先是微處理器CPU階段，這個階段由CPU作為中央處理單元組成的單板機為生產過程的自動化控制立下了汗馬功勞。風靡一時的Z80cpu 組成的TP801單板機就是單板機的典型。單板機時代最主要的應用是提高工業(yè)自動化水平，在當年各行各業(yè)大部分還是手工生產，自動化程度較低，單板機當年在提高生產自動化，提高生產效率方面給出了很好的表現(xiàn)。但由于其體積大、功耗大、功能單一已經(jīng)很難適應裝置對嵌入式系統(tǒng)更高的要求，當今在嵌入式領域已經(jīng)是微控制器的天下，因此單板機在嵌入式領域已基本絕跡。

2.微控制器階段。超大規(guī)模集成電路技術的成熟開啟了接下來是MCU階段，也被稱之為微控制器階段。更多的功能器件和接口以及不同容量、不同類型的存儲單元被高度的集成到了一個集成電路中而不是一個線路板中。由此，計算機的概念也被分化，一方面計算機朝著計算能力更強，計算速度更快的桌面機、服務器、超算中心方面發(fā)展。主要用于數(shù)據(jù)分析和運算、信息收集和處理。一方面朝著體積更小、功耗更低、功能更強的微處理器方面發(fā)展，讓計算機實現(xiàn)了單片化。一片集成電路就是一個計算機，至此計算機才正式體現(xiàn)出了嵌入式的概念。

無論是儀器儀表還是工業(yè)生產自動化控制，無論是智能家電還是交通工具，無論是通信設備還是物聯(lián)裝置。將計算機嵌入到具體的裝置中，使其具備自動化和智能化的需求日益增長，計算機單片化的需求始終存在且有增無減。MCS51系列是MCU的翹楚，雖歷經(jīng)30年滄桑依然保持著強大的生命力就是一個佐證。隨后發(fā)展起來的ARM系列更是將嵌入式提升了新的高度，從8位處理器提升到了32甚至64位、從監(jiān)控程序提升到了操作系統(tǒng)層面、從數(shù)碼顯示按鍵控制提升到了觸屏，讓嵌入式系統(tǒng)的應用領域得到了極大的擴充。特別是其32位的性能8位機的價錢，全面支持嵌入式操作系統(tǒng)等優(yōu)越性能，使其理所應當?shù)某蔀榍度胧较到y(tǒng)領域的主角，尤其成為眾多智能終端的新寵。

3. 數(shù)字處理器階段。隨著嵌入式應用領域的不斷拓展，各類數(shù)據(jù)收集和分析處理、各種復雜數(shù)據(jù)模型和數(shù)學算法乃至圖像分析圖像處理，這些的實現(xiàn)都需要進行快速的大數(shù)據(jù)量的運算。由此從通用的MCU過度到了更注重數(shù)據(jù)運算的處理器，這就是數(shù)字處理器DSP。這類處理器的特點就是用硬件代替軟件程序進行快速的大量數(shù)據(jù)計算。使得運算速度，運算精度，運算結果的可靠性都能符合更高的技術要求。

4.片上系統(tǒng)階段?，F(xiàn)在許多科技發(fā)達的國家，已經(jīng)從出售限定功能的通用芯片，轉為出售含有芯片核心技術的知識產權。這樣，設計公司獲得了這些知識產權的授權后，就可以根據(jù)客戶實際的應用需求，通過電子設計自動化程序，定義出整個應用系統(tǒng)。經(jīng)過仿真測試，除少量電感、電容等不便于集成的器件之外，將設計方案交付半導體廠家生產樣品芯片，然后進入實際現(xiàn)場測試階段。由此就可以在滿足個性化設計需求的情況下，設計和生產出功能更為專一的嵌入式片上系統(tǒng)SOC。這樣省去了大量通用芯片為了能適應更廣泛的客戶功能需求而閑置的功能，讓器件成本降到最低，同時消減了額外的功耗。他的另外一個優(yōu)勢就是可以讓研發(fā)周期變的更短。

(三)嵌入式操作系統(tǒng)

回想當年使用匯編語言編寫帶浮點的雙精度乘法、用匯編語言編寫tcp/ip套接字是何其繁雜，當年嵌入式系統(tǒng)由于內存容量和存儲管理的限制以及系統(tǒng)結構的局限，嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件大大限制了嵌入式系統(tǒng)的應用范圍。自從在嵌入式芯片上可以運行操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)代替了監(jiān)控程序，無論是文件的管理還是操作的多任務調度能力都得到了空前的增強。由此嵌入式系統(tǒng)應用的領域得到無限拓展，更多的電子產品通過將計算機嵌入其中使其更加智能，大大提高了產品的價值。下面我們分別了解嵌入式系統(tǒng)中監(jiān)控系統(tǒng)程序和操作系統(tǒng)類的區(qū)別。

1.非操作系統(tǒng)類(監(jiān)控系統(tǒng)類)。嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件分為非操作系統(tǒng)類(監(jiān)控程序類)和操作系統(tǒng)類。相對于任務邏輯相對簡單，事件簡單的場合，監(jiān)控程序足以應對。他的特點是開發(fā)成本低，通過對匯編語言和c語言的學習就可以很快的進入產品設計階段。器件成本也大大低于支持操作系統(tǒng)類的器件。在現(xiàn)實由于產品成本、學習成本和功能需求等幾個方面的原因，嵌入式產品設計中，這類應用依然占有很大比例。

2. 操作系統(tǒng)類。隨著嵌入式系統(tǒng)硬件功能越來越強大，系統(tǒng)軟件的任務調度和事件處理及控制邏輯也越來越復雜，特別是隨著應用的升級，各種復雜的算法和數(shù)學模型的需要，要求系統(tǒng)軟件給予更強大的支持，嵌入式操作系統(tǒng)應運而生。

在整個操作系統(tǒng)家族里，嵌入式系統(tǒng)軟件屬于實時操作系統(tǒng)，它最主要的特點是事件驅動，所以能夠對來自外部作用的信號在規(guī)定時間內作出響應。他可以為嵌入式應用軟件提供良好的運行及開發(fā)環(huán)境，并進行有效的管理和協(xié)調工作。雖然這類操作系統(tǒng)有很多種，但具備實時嵌入系統(tǒng)內核的uC/OS-IL最適合高職院校的嵌入式系統(tǒng)課程教學。

二、嵌入式系統(tǒng)人才結構

(一)高端技術人才

高端技術人才在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中需要承擔系統(tǒng)集成與設計師的職責。精通軟件硬件層面的所有基礎知識，包括硬件芯片的內核結構、實時操作系統(tǒng)、設備驅動程序的編寫等。熟悉各類嵌入式系統(tǒng)相關開發(fā)工具的使用，具有超強主持產品開發(fā)能力，熟悉各類產品和設備的開發(fā)過程。

(二)中低端人才

中低端技術人才在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中人數(shù)占比最大，幾乎占到全部人員的七成，因此也成為高職院校嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的主要方向。嵌入式系統(tǒng)產品開發(fā)需要極強的軟硬件結合能力，這部分人主要承擔硬件方案實現(xiàn)和大量的基礎軟件程序編寫。所以，這部分人才必須熟練掌握單片機系統(tǒng)設計、C、JAVA語言編程、匯編語言編程、PCB線路板設計、對操作系統(tǒng)層簡單移植也有基本的了解，并了解如何進行接口函數(shù)調用。當然對于嵌入式不同層級的人員，對以上知識要求也在深度和和廣度上也有著很大不同。

三、高職院校嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)

(一)培養(yǎng)方向

基于高職院校學生綜合素質及理論基礎，以及高職院校相關實驗條件和現(xiàn)有師資水平，在嵌入式系統(tǒng)人員培養(yǎng)方面應該定位于中低端人才培養(yǎng)。在嵌入式系統(tǒng)的幾個層級，中低端人才更加看重的是基礎的設計和實現(xiàn)能力，為的是配合系統(tǒng)工程師做大量的基礎層面工作。因此為了日后能勝任大量的基礎工作，作為嵌入式的入門課程，單片機以及相關的接口技術、匯編語言、C語言、java語言、pcb板設計工具軟件 Protel、嵌入式系統(tǒng)基礎等應該給以足夠的重視，這對將來了解和掌握整個嵌入式系統(tǒng)的應用有極大的幫助和引領作用。

(二)課程結構

在理論層面教學安排上，盡量降低理論難度，做到夠用。而在技能方面應該安排大量實習課程，做到熟能生巧。在選擇專業(yè)基礎課和專業(yè)課時，應該參照之前提到的培養(yǎng)方向，精選課程使之符合中低端人才培養(yǎng)的目的。技術應用類課程、專業(yè)技能培訓課程的安排以及課程具體內容，應注重與實用型人才培養(yǎng)目標相匹配，應該隨著新技術的發(fā)展隨時調整，保證學生得到的是最前沿的知識。要注意課程內容選擇和課程之間的銜接，在系統(tǒng)選擇上盡量選擇比較流行的芯片系統(tǒng)，保證教師和學生可以從各種渠道獲得足夠多的參考資料，和開發(fā)資源。

(三)搭建適合高職院校的嵌入式實訓室

現(xiàn)今高等院校嵌入式系統(tǒng)實訓課，在程序學習和系統(tǒng)調試時大多借助昂貴的開放式系統(tǒng)平臺，由于需要涉及的芯片型號繁多，開發(fā)系統(tǒng)為了適應大多數(shù)系統(tǒng)內核需求，在配置上要花費更多的資金。一套開發(fā)系統(tǒng)少則幾千塊，多則上萬或幾萬。若硬件系統(tǒng)使用不當還很容易損壞，使維護成本很高。另外由于通用開放式系統(tǒng)復雜，學生單單為了熟悉系統(tǒng)也要花費大量精力和時間。而大部分高職院校并未將嵌入式系統(tǒng)課程作為主要的培養(yǎng)方向，昂貴的嵌入式系統(tǒng)實驗設備讓高職院校在設備投入上舉步不前，因此實驗設備問題也是制約高職院校開展嵌入式教學的重要因素。因此解決高職院校實訓設備、開發(fā)系統(tǒng)問題上，應該因地制宜，安排適應這個層次學生培養(yǎng)方向來配套設備。特別建議考慮采用廉價的實驗板、體驗版、評估板、學習板。這類實驗板雖然功能相對單一，或只是針對某個具體嵌入式芯片而設計。但成本低，特別購買這些學習板時會附帶獲得大量學習資源。雖然功能單一，但一般在設計上會考慮到基本功能和配置、涉及最基本的應用場景，對于學習還是足夠的。這種學習板由于成本問題，大多采用離線調試，flash燒錄并不復雜，根據(jù)現(xiàn)象修改程序后，將程序燒錄到學習板，同樣可以觀察實時效果。況且大部分情況是用于教學而不是產品研發(fā)，所以完全可以不必在線實時調試，因此對于教學，學習板用于實訓是完全可以勝任的。由于通過實訓是為了讓學生更多的掌握系統(tǒng)原理，理解系統(tǒng)功能，了解嵌入式系統(tǒng)產品的開發(fā)過程。因此在學習板的選擇上，盡量考慮選擇有代表性的芯片，學習板的功能應該盡可能覆蓋現(xiàn)有的大多數(shù)應用場景。

另外利用EDA工具軟件強大的仿真功能，將EDA工具軟件應用于嵌入式系統(tǒng)的教學和實訓是一個不錯的選擇。他最大的優(yōu)點是成本低，只要將軟件安裝在PC機上就可以進行大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)設計和調試了，省去了硬件投入成本。課后學習者也可以很方便的利用自己的機器安裝仿真軟件進行學習。這款EDA仿真工具軟件可以進行系統(tǒng)原理布局圖設計、嵌入式系統(tǒng)與接口電路和外圍電路仿真，模擬代碼調試。他支持現(xiàn)在市面大部分嵌入式芯片，包括全系列的51芯片家族、ARM內核系列、和各種DSP芯片系列，同時系統(tǒng)元件庫還在不斷更新中。此EDA軟件全面支持KEIL等流行的編譯系統(tǒng)，讓模擬開發(fā)更加便捷。

(四)師資建設與校企結合

產品開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)課程的終極目標，如果學習者學習后不具備相關產品的開發(fā)能力，本課程的學習可以說是無果而終。因此師資配備至關重要，授課教師不但要有理論知識，更應具備產品開發(fā)的實際經(jīng)驗和親身經(jīng)歷。師資配備可以考慮培養(yǎng)本校的雙師教師，也可以考慮請進來，讓企業(yè)的產品設計工程師參與教學工作。因此對于教師更強調實踐動手能力、實際的產品開發(fā)能力。同時，實踐是嵌入式系統(tǒng)課程非常重要的組成部分，單純的理論知識和實驗室知識是遠遠不夠的。要想培養(yǎng)真正合格的師資力量，還需與企業(yè)和科研單位有緊密的聯(lián)系。教師必須參與實際的產品開發(fā)，使之具備相關產品的開發(fā)經(jīng)歷，不能長時間脫離企業(yè)，脫離科研，脫離科技發(fā)展的大趨勢。必須隨時更新知識，不間斷的參與企業(yè)生產實踐，隨時了解產品需求全面了解新的開發(fā)手段。

在進行課題建設過程中，必須有企業(yè)和科研單位的參與，將企業(yè)對人才的實際需求反應在課程中，邀請企業(yè)人員來學校進行講座或指導，盡可能將企業(yè)入職前的技術培訓提前到課題來，將校企結合落到實處，真正做到實用型人才的直通車。

開發(fā)和研制嵌入式產品是個比較復雜的過程，他的復雜不僅僅是嵌入式系統(tǒng)本身復雜，而是因為需要將計算機嵌入各類產品中，那么首先還要對產品本身的性能有深入全面的了解。因此嵌入式課程必須走出校園，走出實驗室，與生產實踐緊密相連。要求我們的教師和培養(yǎng)出的學生在學習的過程中，不但對嵌入式系統(tǒng)、設備、部件性能有深入了解和知識儲備，甚至對產品所應用的領域有全面的了解。這樣才有可能讓嵌入式技術為智能產品服務，為智能電子設備和裝置插上智慧的翅膀。

綜上所述，嵌入式系統(tǒng)人才結構是一個寶塔型的階梯型人才結構，而職業(yè)院校在嵌入式系統(tǒng)實用型人才培養(yǎng)上，應該定位在寶塔型人才結構的底層，職業(yè)院校應該承擔起培養(yǎng)和輸送大量可以勝任嵌入式系統(tǒng)基礎工作，能夠滿足企業(yè)實際要求的實用型人才。