摘 要：分析面向系统能力培养的教学课程体系特点及卓越工程师培养计划目标，探讨如何在有限的学时中通过教学与实验使学生能够将嵌入式系统所涉及的软硬件系统相关知识融会贯通，介绍针对卓越工程师培养的嵌入式系统方向课程的教学经验。 

　　关键词：系统综合能力；卓越工程师；嵌入式系统；教学改革 

　　1 面向系统能力培养的教学体系 

　　对于高校计算机专业教育而言，以应用和系统综合能力培养为核心，着力重视培养计算思维及解决问题的能力，依然是当前教育的侧重点之一。计算机系统能力主要体现在能够自觉利用系统观，理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，并用系统化方法，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制的能力[1]。 

　　系统能力的培养是提高计算机专业本科教学质量和水平的一个重要方向。从学习的角度也需要更多地关心计算机系统的整体性，培养自身计算机系统能力，这也是工程教育的特征。文献[1]从计算机技术发展的特点，介绍了系统能力培养的主要内涵和需求，阐述了系统能力培养和课程体系设置的总体思路，也代表了国家层面对系统能力培养课程体系设置的发展方向。文献[2-3]则分别从清华大学和浙江大学的实际情况，介绍了在计算机系统能力培养方面所做的课程体系建设和教学改革实践工作。 

　　2 卓越工程师班嵌入式系统方向课程分析 

　　2.1 嵌入式系统方向课程概况 

　　嵌入式系统概念随着芯片技术的发展和应用需求的扩张逐渐普及。伴随着物联网及相关应用的发展，嵌入式系统也成为计算机科学技术领域的一个重要发展应用方向。目前国内高校的嵌入式系统教学基本上都是从早期的微机原理类和单片机类课程发展而来，而更多的学校则是作为本科培养方案中的一门专业必修课或专业限选课。由于受限于学时安排，大多是开设一门嵌入式系统原理类课程作为一个入门级的概述，缺乏后续更深入的学习课程安排。 

　　卓越工程师培养计划是国家贯彻落实中长期教育改革和发展纲要的重大改革实践项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。对于计算机专业而言，卓越工程师的培养以工程应用技术为主。根据卓越工程师的培养计划和目标，到了本科高年级阶段，则应该在不同的專业方向做课程细分与侧重学习，这样就对后续的课程设置提出了更高的要求。 

　　结合嵌入式系统的工程应用技术特点，课程的设置希望能够让学生更深入地了解系统底层的环节。在专业基础必修课中，面向所有专业学生开设有嵌入式系统原理课程。针对卓越工程师的培养目标，在嵌入式系统方向的定位是能够从事驱动级系统程序开发、嵌入式操作系统移植以及面向上层应用的技术支持；而在受限于专业方向选修课程只有3门的情况下，我们在嵌入式系统方向的专业选修课程设置为：ARM体系结构与编程、嵌入式OS及应用，嵌入式系统综合设计与嵌入式系统的体系层次之间的对应关系如图1所示。 

　　2.2 教学内容编排 

　　（1）ARM体系结构与编程。本课程是在嵌入式系统原理的基础上开设的嵌入式方向选修的第一门课程。在嵌入式系统原理中，学生从51单片机入门，逐渐过渡到ARM体系并基本掌握嵌入式系统的基本设计原理及开发方法，对嵌入式系统有了一个总体上的认识，并对系统开发的全过程有了基本了解。在此基础上，本课程将引导学生深入掌握一种主流的ARM体系架构（以ARMv7为蓝本），并以一种具体的ARM Cortex微控制器为例（STM32系列），学习掌握32位ARM Cortex微控制器的片上资源及接口编程。课程侧重突出应用程序实践，结合具体的应用案例加强基于ARM体系的应用编程能力培养。在针对基于具体微控制器的应用时，引导学生逐渐从基于ARM汇编的面向寄存器编程过渡到基于C语言的面向库函数编程。 

　　本课程主要知识点包括：①ARMv7体系的编程模型。理解其工作模式和特权级别，数据类型支持和存储映射I/O，中断与异常处理流程。②BootLoader概念、作用与移植。理解BootLoader基本概念及通用执行流程，以开源项目U-Boot为例，学习掌握其编译与移植。③以基于ARM Cortex-M内核的STM32系列微控制器为例，学习掌握其片上资源及接口编程，了解其固件库资源及应用示例。④嵌入式系统接口及编程。实现基于STM32微控制器进行外围接口设计及控制编程，具体通过连接字符型LCD显示、行列式键盘、电机控制、SPI通信、IIC通信等，提高实践与设计能力。 

　　（2）嵌入式操作系统及应用。嵌入式操作系统在概念上与通用操作系统并无本质的区别。由于嵌入式系统硬件平台的差异性和特定性以及某些场合对实时性的要求，使得嵌入式系统中的操作系统最终表现出来的形式也是侧重点不一。在操作系统原理、嵌入式系统原理、高级语言程序设计等前导课程学习的基础上，本课程将结合嵌入式系统的软硬件特点，以嵌入式Linux为蓝本，引导学生学习嵌入式操作系统的内核结构、引导程序、图形库、内核构建和裁剪移植技术，培养基于嵌入式操作系统的应用和实践能力，为后续的系统级开发积累初步的知识和经验。 

　　本课程主要知识点包括：①嵌入式软件体系结构。了解嵌入式软件及开发工具分类，掌握嵌入式软件体系结构，掌握嵌入式软件运行流程及交叉编译开发过程。掌握嵌入式操作系统体系结构，嵌入式操作系统功能及特点，了解嵌入式操作系统发展趋势。②嵌入式操作系统内核基础。了解嵌入式操作系统内核的实时性、可移植性、可剪裁性、可配置性和可靠性；掌握嵌入式操作系统的应用编程接口。掌握嵌入式操作系统内核的主要功能及重要性能指标。掌握嵌入式操作系统的任务管理与调度、通信机制、中断和时间管理、高可靠实时系统设计。③嵌入式Linux。掌握嵌入式Linux的构建与应用开发流程；学习Linux图形库移植及应用开发技术；掌握嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序设计方法。④典型嵌入式操作系统简介。学习了解u/COS-II、IOS、Android系统的基本体系结构、开发环境及应用软件开发流程。

　　（3）嵌入式系统综合设计。本课程为案例式教学。在前述课程的学习基础上，由主讲教师结合科研项目讲解项目中具体的嵌入式系统解决方案及设计实现内容，结合试验进行验证或引导学生做深入尝试。本课程可由多名老师联合授课。 

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