嵌入式系統教學模式研究

?回顧從單片機教學到現在的嵌入式系統教學20余年的發展，介紹嵌入式系統教學流行的微處理器和嵌入式操作系統的類型，以及公司的大學計劃對嵌入式系統教學的支持。探討各專業的嵌入式系統教學模式，總結教學經驗，為促進國內嵌入式系統健康發展服務。

關鍵詞? 嵌入式系統教學? 微處理器? 嵌入式操作系統

引言

　　從1985年初接觸單片機到現在已有20余年，親歷我國嵌入式系統的發展，也從事著嵌入式系統教學的探索。在社會上開始單片機培訓7年后高校才大規模開設單片機課程，而嵌入式系統課程只是全面鋪開，并沒有形成由應用推動的嵌入式系統教學體系，這值得探討和反思。

　　由8/16位單片機到采用32位嵌入式處理器的嵌入式系統，一方面是互聯網的普及和高端應用的需求，另一方面是8位單片機對半導體公司來說利潤空間已經很小。由全國大學生電子設計競賽組委會主辦、Intel公司協辦的“全國大學生電子設計競賽——嵌入式系統專題競賽”進一步豐富了全國大學生電子設計競賽的形式和內容，推動了高校信息電子類專業教學改革、課程體系及實驗室建設，各高校紛紛開設嵌入式系統課程。2002年舉辦的首屆嵌入式系統專題競賽采用Intel公司提供的基于StrongARM和Windows CE的開發板。只有北京大學參賽隊采用了Linux操作系統，并最終獲得了Intel杯。嵌入式系統不只是 ARM和Linux的組合，可用于嵌入式應用的微處理器和嵌入式操作系統種類繁多。下面評介流行的、適合嵌入式系統教學的微處理器和嵌入式操作系統，探討嵌入式系統教學模式和經驗。

1? 嵌入式處理器

　　用于嵌入式應用的處理器可分為4類：微控制器（即俗稱單片機，Microcontroller Unit，MCU)、嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)、信號處理領域的DSP處理器(Digital Signal Processor，DSP)和高度集成的片上系統(System on Chip，SoC)。目前用于教學的嵌入式處理器大致形成了以8位、16位和32位劃分的局面。

　　單片機教學最流行的是8051系列。8051是Intel公司1980年設計的8位MCU。20世紀80年代中期，Intel公司將8051單片機內核使用權以專利互換或出售形式轉讓給世界許多著名的IC制造廠商，如Philips、Atme1、Dallas、Infineon、ADI、Winbond和Silicon Labs公司等，這樣8051就變成有眾多制造廠商支持的、發展出上百個品種的大家族。到目前為止，其他任何一個單片機系列均未發展到如此的規模，近30年一直是普遍流行的產品，如此具有生命力。8051是單片機教學的首選機型，已成為單片機領域的實際標準。現在C8051F系列和STC89系列就是8051生命力的最好體現，前一種是SoC型單片機，功能更強，后一種價格相當便宜。Oregano System公司的Core8051 IP和Synopsys公司的DW8051_core是與8051指令兼容的8位單片機IP核。基于IP核和FPGA的SoC設計方法具有極大的靈活性，可以大大縮短項目的開發周期。

　　Microchip公司的PIC系列倚靠大學計劃，使得在單片機教學中采用PIC系列單片機的高校不少。值得欣賞的是這個公司非常專注，它把8位PIC單片機做到了60億顆。現在他們才用MIPS核推出32位微控制器。MIPS是美國計算機體系結構課教學機型，國產的龍芯CPU就是MIPS兼容的。Atmel公司的AVR系列同PIC系列一樣也是RISC結構的單片機，得益于啟東人成長起來的雙龍公司代理該系列產品。AVR系列單片機也在教學中采用，甚至推廣到了中學課外科技活動中。這些從國內出版的單片機教材中可見一斑。

　　在DSP芯片教學中，TI公司做得最好，TMS320C54x系列靠大學計劃得到普及。該公司后續推廣的TMS320C240系列和MSP430系列單片機也得益于大學計劃。ADI公司也利用大學計劃推廣DSP芯片。Freescale公司（原Motorola公司半導體部）大學計劃推廣DSP芯片、通信用PowerPC芯片和單片機。

　　ARM公司是一家不生產芯片，只提供IP授權的公司，它的產品已經成為32位嵌入式系統的事實標準。ARM嵌入式處理器以它獨特的IP授權形式得到了眾多半導體廠家的青睞。DSP生產廠家購買它的RISC核做雙核芯片，PLD生產廠商購買其IP核支持SoC設計，大多數半導體廠商設計MPU或MCU。NXP公司（原Philips公司半導體部）靠廣州周立功公司的推廣，其LPC系列ARM7核微控制器在教學中得到采用。采用ARM公司最新Cortex核的意法半導體公司的STM32系列和Luminary公司的群星系列微控制器正在推廣過程中。ARM9核芯片方面，因NXP公司和Atmel公司的芯片都不帶LCD控制器，做實驗箱普遍都采用了三星公司的S3C2410芯片。但三星公司對散客沒有支持，優勢只是價格便宜。Intel公司出售了ARM核的XScale，主推自己的EIA架構，對高端嵌入式系統教學有一定的影響。

　　SoC片上系統更是嵌入式系統的終極目標。大學計劃做得最好的是Altera公司，它推出了Nios軟核的SOPC解決方案，并舉辦創新競賽。Xilinx公司也有大學計劃，推廣Microblaze軟核FPGA。現在還有Actel公司，在推廣帶ARM CortexM硬核和8051軟核的FPGA芯片。

　　總之，嵌入式系統教學用處理器應選用主流芯片，或有廠家大學計劃支持的芯片。若教學偏重硬件設計，要教會學生制板、做硬件應用系統，最好選擇8/16位芯片、ARM7或CortexM芯片。200 MHz以上的ARM9芯片對布線的要求高，而且表面貼裝引腳較多的芯片也需要專門的焊接設備。

2? 嵌入式操作系統

　　Linux從1991年問世到現在，短短十幾年時間已經發展成為功能強大、設計完善的操作系統之一，不僅可以與各種傳統的商業操作系統抗爭，在新興的嵌入式系統領域內也獲得了飛速發展。嵌入式Linux以其可應用于多種硬件平臺、內核高效穩定、開放源碼、軟件豐富、完善的網絡通信和文件管理機制等優良特性，成為嵌入式系統領域中的一個研究熱點。Linux開放源碼及內核可裁減非常適用于嵌入式系統教學。要注意，沒有MMU的微控制器只能使用μClinux，要使用流行的圖形用戶界面GUI需要ARM9以上的微處理器和普通Linux操作系統。

　　Windows CE是微軟公司從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許對從掌上電腦到專用工業控制器的用戶電子設備進行定制。微軟公司的大學計劃支持高校的嵌入式系統教學，提供有時間限制的安裝軟件光盤和完整的教學課件。會微機編程的人能夠很容易上手Windows CE編程，軟件學院教學選用它很合適。更重要的是微軟提供完整的解決方案，學生可以專注于應用的開發。

　　VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種實時操作系統。VxWorks擁有良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在實時操作系統領域占據一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。VxWorks是商業化強實時操作系統，價格較高。風河公司有大學計劃支持嵌入式系統教學。現在它從FSMlabs購買了RTLinux，對實時 Linux開發設計提供專業的開發平臺。

　　μC/OS是由美國人Jean J．Labrosse開發的實時嵌入式操作系統內核。這個內核的產生和Linux有點相似： 由于從事嵌入式產品的相關開發和Labrosse本人的興趣，他花了一年時間開發了這個最初名為μC/OS的實時操作系統。值得注意的是μC/OS只是一個操作系統內核，沒有文件系統、網絡協議和圖形用戶界面。μC/OS是開源的，但不免費。針對教育和非商業應用只要買Labrosse的書即可得到光盤上的源碼，但用其開發產品是要付費的。周立功公司購買了μC/OS授權，自己設計了文件系統ZLG/FS、網絡協議ZLG/IP和圖形用戶界面ZLG/GUI，提供了開發平臺。Labrosse的Micrium公司通過北京麥克泰軟件公司代理其產品。該軟件代碼很規范，沒有使用操作系統課程中很專業的進程和線程的概念，只使用了任務，適合沒有學過操作系統課程的開發人員學習。

　　總之，嵌入式系統教學用嵌入式操作系統也要慎重選擇，能選用主流或有廠家大學計劃支持的更好。一般只需選擇一種，從精通一種到能開發項目。實際上一通百通，再學習其他的操作系統也不困難。

3? 嵌入式系統教學探索

3.1? 應用推動嵌入式教學

　　筆者1985年起給單片機培訓班上課，當時的培訓班學員來自研究所、公司和高校。培訓班的目的是銷售和培訓廠商的開發工具，不收取費用。很多學員都有項目需求，學會使用工具后直接參與項目。這種單片機推廣培訓開展7年后，國內高校才大規模開課。由于單片機應用已經全面鋪開，高校培養的學生很容易找到工作。

　　現在的嵌入式系統教學很大程度上不是由應用來推動的，而是跟著實驗箱廠家提供的內容來規劃授課內容，包括接口技術、匯編編程、C語言編程、操作系統移植。甚至ARM加Linux似乎就是嵌入式系統。存在的問題是，Linux開放源代碼、免費但無人支持，一旦碰到難點只能網上求援。很多小公司吃了苦頭，再不敢用Linux做產品；有的轉向Windows CE，因為無法把握產品的開發周期，而且人員成本較大。雖然Linux可以免費得到，但是其上流行的圖形用戶界面GUI又是收費的，按照GPL協議還得公開自己的源碼。Linux的教學難度也很大，一般學過操作系統才好辦。最早的嵌入式系統課將很大精力消耗在教學生怎么用Linux，直到計算機操作系統課加了Linux上機實驗上手才比較順利。從Intel公司大學計劃送給高校教學用的PDA參考設計——SitSang板子的培訓教師看，硬件部分的培訓教師是板子的設計者，是學電子技術的，主要講硬件原理，軟件只是用C語言編寫測試程序來測試板子的各個部件是否工作正常；軟件部分的培訓教師是學計算機的，主要講如何移植Linux、設計驅動程序和應用程序。可見大公司軟硬件人才分工很明確。

　　實際上一個項目的軟硬件開發人員比例可以到8∶2。也就是說若有10人，其中做硬件的只有2人，大部分人要開發軟件。硬件有參考設計原理圖，做出來即可；而軟件體現著創意，體現產品的附加值。軟件很重要，拿VCD機和蘋果公司的iPOD比較，國內VCD機只能賣到幾百元，而蘋果公司的iPOD要賣幾千元。硬件成本兩者相比差不多，關鍵是軟件。微軟的移動和嵌入式研討會令人感到震撼。微軟資助用Windows Mobile開發云南白藥集團企業管理用手機和城管通手機： 企業銷售人員用前者隨時和企業聯系，一次拜訪客戶即可把訂單做好；城管通手機使城管監督員可將所在地點的門牌標識和臟亂差的情況拍照，直接發送給城管部門。微軟公司介入嵌入式領域，提供的是完整的解決方案，用戶很快就能開發出產品。反觀國內的嵌入式Linux，還陷在移植和底層接口模塊的使用上。一般來講這些適合偏硬件的人員做，距離做出產品還相去甚遠。半導體廠商偏愛Linux是因為它是免費的，只要移植到評估板上就能證明處理器是正常工作的。真正要能開發出產品還得搭建應用平臺。目前大的廠商都有手機平臺、PDA平臺或汽車電子平臺。軟件類嵌入式系統教學應該與硬件類嵌入式系統教學有所不同，應側重平臺搭建、GUI應用的開發，讓學生能把自己的創意實現出來。至于編程，應以C語言為主、匯編語言為輔，優化則采用模塊化混合編程。嵌入式系統課的實踐性非常強，要上成理論課就失去了它的意義。

3.2? 嵌入式系統的專業化分工

　　嵌入式系統教學需要前期開設的基礎課有：模擬電路和數字電路、微機原理或計算機組成原理、計算機接口技術、操作系統、C語言程序設計。嵌入式系統支柱學科有：微電子學科、計算機學科、電子技術學科及對象學科。微電子學科、計算機學科、電子技術學科為嵌入式應用構筑各種類型的應用平臺，不介入嵌入式系統的具體應用；對象學科一定要在嵌入式系統應用平臺的基礎上，實現嵌入式系統在本學科領域的產品化應用，不必介入嵌入式系統的平臺構建。操作系統的構建應該定位在計算機學科領域。在對象領域中，操作系統被視為工具，只需了解操作系統與應用界面。基于此，各個專業的嵌入式系統教學應有所側重，不能千篇一律；只有把國內的嵌入式應用推動起來，培養的學生才能好找工作。這樣看來，本科教學中，電子技術專業應側重講接口技術和驅動程序設計，非電類的對象應用專業應側重單片機接口和C語言編程技術，計算機專業應側重GUI應用和驅動程序。至于操作系統移植，并非一般教學內容，應安排在本科畢業設計或研究生階段教學。實際教學能做到“師傅領進門，修行在個人”即可，主要是培養學生對嵌入式系統的興趣，而不能因涉及面太廣、難度太大而把學生們嚇跑。各高校嵌入式系統課多為選修課，學時有限，規劃主要的教學內容和實驗內容側重點是教師的首要任務。

3.3? 加強嵌入式系統的實踐能力

　　筆者“嵌入式系統”選修課圍繞ARM和Linux，按照驗證性實驗、綜合性實驗和創新性實驗等3個層次逐漸培養學生開發應用程序和驅動程序的能力。實驗教學中心采購了多種實驗箱。針對實驗設備的多樣性，采用驅動程序屏蔽的方法，給學生提供一致的應用程序編程接口，利用實驗設備共性的部分開設基礎的驗證性實驗。同時，針對各種外設開發出各種實驗樣例程序，如液晶屏、觸摸屏、小鍵盤和攝像頭等，由學生自由組合成綜合性實驗。對于實驗設備選配件以及未開發的部分，允許學生自主命題，申請器件進行創新性設計。這已經不是課內的內容，而是作為對嵌入式系統感興趣的學生的課外科技活動。基于GTK+圖形庫的開源LiPS手機平臺被移植到實驗箱上。手機是未來的電腦，三大Linux手機標準聯盟正推動著基于Linux的手機開發。鼓勵大三和大四學生選修嵌入式系統課，側重圖片顯示、觸摸屏和視頻采集的內容，通過開源手機平臺等提高學生對硬件類課程的興趣。上課和開設實驗更多是為了發現對嵌入式系統感興趣的學生，嵌入式系統課程不是普及教育，而是精英教育。光學課本，沒有長時間的動手實踐，根本不行。回想接觸嵌入式Linux之初，買遍了市面上嵌入式Linux的書也沒有找到一個模塊化驅動程序的開發樣例，最后不得不求助在Freescale公司工作的學生。從只會畫單色圓的實驗設備做起到積累大量實驗樣例，深深感到只把Linux移植到具體的板子遠遠滿足不了嵌入式Linux應用的要求，應用程序和驅動程序開發才是嵌入式系統開發的關鍵。只有把嵌入式Linux的應用推動起來，國內高端嵌入式應用才能健康發展。現在更缺少嵌入式軟件人才，希望培養學生對嵌入式系統的興趣，更多地側重多媒體、人機交互和GUI的程序設計。

　　因實驗箱廠商的支持有限，倡議成立嵌入式系統教學聯盟，尋找提供交流的平臺。按照各個專業的特點設計實驗樣例，能有自己的OS和GUI。希望不久的將來在國內能看到大量基于Linux的產品，學生們也能更好找工作。

3.4? 重視開發環境的教學

　　2008年5～7月，ARM公司舉辦“微控制器市場創新研討會”。會議的主題內容是：ARM MCU市場和技術發展趨勢、各半導體廠商基于ARM的MCU產品及技術方案和針對ARM MCU的開發工具解決方案。ARM公司合作伙伴Atmel、Luminary、NXP和ST公司及其代理商介紹自己的MCU并展示開發板。

　　ARM公司推出的CortexM核專門針對微控制器市場。ARM公司收購德國Keil公司并投資英蓓特公司，推出中國版的RealView MDK開發平臺。這樣原用8051單片機的用戶可使用熟悉的開發環境過渡到ARM MCU的應用。此次會議的新理念是，用ARM來統一支離破碎的微控制器市場開發環境，以后微控制器的選型不再以8位、16位和32位來區分，而是以高、中、低檔芯片來劃分。因為這些微控制器都有統一的機“芯”，區別只是它們的外圍部件不同和廠商的技術支持不同。這樣，工具和軟件都可以重復使用，不用購置各種開發工具。在整個芯片成本中CPU只占很少的部分，芯片的價格不是由CPU核來確定，再按位數來評價MCU沒有意義，應按外圍部件和Flash容量等來確定。Microchip公司用MIPS核推出了32位微控制器。這都顯現出通用的內核、廣泛的支持、一致的開發環境是未來的發展趨勢，也是嵌入式系統教學的新曙光。

結語

　　其實各高校也不一定淘汰單片機教學而一味去講帶操作系統的嵌入式系統。適時更新一部分教學內容，跟上時代的發展即可。ARM現在也同樣看中單片機的應用市場。只要大家記住教學是為了滿足應用的需求，社會有什么需求，就朝什么方向努力。嵌入式系統沒有單一、通用的教學模式，正像嵌入式系統是面向對象領域的專用計算機系統，只有突出自己的專業特點才能更好地為社會服務。