嵌入式系统的基本原理精选(九篇)

第1篇：嵌入式系统的基本原理范文

关键词：嵌入式系统；人才培养目标；计算机本科专业；课程体系

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-9599(2011)23-0000-01

Curriculum Study for Computer Undergraduate Embedded System

Li Biyun,Shi Junping,Li Zongshou

(College of Information Science&Engineering,Jishou University,Jishou 416000,China)

Abstract:For the lag teaching and training in higher education embedded system,this article analyzes the development characteristics of the embedded system,identify curriculum thinking and personnel training objectives of building embedded systems of major computer science in colleges,a new curriculum system with theory and practice of the embedded system is proposed based on the courses of major in computer.

Keywords:Embedded system;Talents training objective;Computer undergraduate;

Curriculum system

一、引言

嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求[1]。

嵌入式系统已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域，如手机、PDA、MP3、手持设备、智能电话、机顶盒等，可以说嵌入式技术无处不在。由于社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求，使嵌入式软硬件工程师成为未来几年最为热门的职业之一。

目前，随着嵌入式技术越来越热，国内越来越多的高校陆续开设了相关课程，并建立了嵌入式实验室。但是通过各种渠道反映出，很多高校嵌入式课程开设的情况不理想，很多学校建立了优良的嵌入式实验室，却很难达到理想的授课效果。归结其原因主要有两点：一、没有完善的课程体系；二、需要合适的师资力量。吉首大学作为一所办在民族地区的省属高校，其办学宗旨之一就是为地方经济建设服务。吉首大学计算机系一直就是秉承此种宗旨来发展和培养应用型人才的。从目前的嵌入式系统技术发展趋势来看，计算机专业本科教学不仅要面向计算机软硬件系统，更应与嵌入式系统方向相结合，与人才培养模式和人才需求相结合进行适时调整，从理论及实践课程体系、师资能力到人才培养模式进行整体规划，以适应当前应用广泛的嵌入式系统人才需要。

二、计算机本科专业嵌入式方向的人才培养目标

按照嵌入式技术及其密切相关的电子信息产业目前及未来的发展需求，培养与我国社会主义现代化建设要求相适应的，在德、智、体、美等方面全面发展，掌握计算机科学与技术基本理论、基本知识和基本技能，具有深厚嵌入式理论基础、能从事嵌入式系统设计与开发、集成电路设计与应用、无线通信等实际工作，具有良好的政治素养、文化科学素养、较强的学习能力、实践能力和创新意识和综合解决实际问题能力的高级应用型人才。嵌入式系统方向重点培养学生嵌入式系统软件工程实践能力，包括软件工程及各种嵌入式系统开发技术、调试和测试工具[2]，毕业后学生将具备嵌入式系统软件开发能力，有能力适应巨大的嵌入式系统产品市场需求，成为嵌入式系统产品企业所急需的掌握嵌入式系统软件技术的人才。

毕业生具有的知识、素质、能力包括：1.具有良好的思想道德素养和团结协作的精神，熟悉计算机方面的有关法规，遵纪守法，善于合作，勇于创新。掌握较丰富的科学文化知识、较扎实的计算机学科基础知识、系统的专业基础知识和基本技能，了解计算机专业的发展趋势和新进展。2.具有较强的学习能力和实践能力，能够熟练地运用多种方法获取知识、理解知识、掌握知识，能够综合性地提出问题、分析问题和解决问题；具有较强的计算机综合应用能力和一定的科学研究能力。3.掌握嵌入式系统开发的理论和基本方法，具有嵌入式系统软硬件的设计、开发、调试及维护的基本能力。具体掌握一种嵌入式操作系统，具有在该操作系统环境下设计、编程及开发的能力。兼具软件及硬件的协调开发能力。4.具有良好的语言表达和书面表达的能力，适应现代社会的交往沟通方式，具有较强的集体合作和组织协调的意识与能力。5.熟练掌握一门外语,并能顺利阅读本专业的外文书刊，了解文献检索、资料查询的基本方法。能够较熟练地使用英语从事嵌入式方向的研究与开发。

三、计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系建设思路

嵌入式系统作为一个完整的智能电子系统，需要掌握有关电子和计算机等相关领域的硬、软件综合知识。一般而言，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。计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系的建设和规划，应从以下几方面结合进行。

（一）计算机本科专业课程与嵌入式系统方向相结合

嵌入式系统是将先进的计算机技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式系统的应用范围可以粗略分为两大类：电子系统的智能化(工业控制、现代农业、家用电器、汽车电子、测控系统、数据采集等)，计算机应用的延伸(MP3、手机、通信、网络、计算机设备等)。从这些应用可以看出，要完成一个以MCU为核心的嵌入式系统应用产品设计，需要硬件、软件及行业领域相关知识。硬件主要有MCU的硬件最小系统、输入／输出电路、人机接口设计。软件设计有固化软件的设计，也可能含PC机软件的设计，这些有关嵌入式系统的硬、软件设计和测试也是计算机系统的组成部分之一，嵌入式系统知识体系最主要的三大技术仍然是计算机体系结构、计算机操作系统和计算机网络，嵌入式系统方向的课程设置应与这些计算机本科专业课程相结合，在计算机相关软硬件知识基础进一步拓展设计和应用知识。

（二）与嵌入式系统自身特点相结合

嵌入式系统以计算机、电子技术为基础，但嵌入式系统也有其自身的特点。按照层次结构看待嵌入式系统，嵌入式系统分为4层：硬件层、驱动层、操作系统层和应用层，不能片面地从“电子”或“计算机软件”角度认识嵌入式系统，嵌入式系统软件硬件密切相关，软硬件协同设计已经成为电子系统级工具和方法的主要应用，是软件与硬件的综合体，没有对硬件的理解就不可能写好嵌入式软件，同没有对软件的理解也不可能设计好嵌入式硬件。软硬件相结合进行课程设置是嵌入式系统的特点要求之一[3]。嵌入式系统设计也是一门实践性非常强的课程,作为以应用为中心的课程，实践教学是嵌入式系统教学的关键，要求理论与实践并重，为将学生的操作能力、分析能力、工程设计能力与应用实践结合起来，引导学生由浅入深地掌握嵌入式系统设计的理论与技术，嵌入式系统方向课程设置应以培养实践动手能力为核心。

（三）与市场、企业需求相结合

高校计算机专业嵌入式方向从需求的角度，总体培养目标是培养人才市场紧缺，企业需求量大，就业率高的软硬结合的复合型嵌入式开发工程师。嵌入式系统人才的培养应与社会需求相接轨，充分培养学生技能水平与职业素养，使学生能够达到企业实际岗位的用人标准，满足企业应用需求，缩短企业二次岗前培训，成为具有完备的专业知识和技术能力的应用型人才。

四、嵌入式方向课程体系基本内容

要完成一个嵌入式系统应用产品设计，需要硬件、软件及行业领域相关知识与实践训练，嵌入式方向人才培养的定位为应用型技术人才，综合计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系建设的三个结合点，制定一套培养应用型人才为目标的课程体系[4]。

（一）理论课程体系

计算机科学与技术专业课程包括电路与模拟电子技术、数字逻辑电路、汇编语言程序设计、计算机组成原理、计算机体系结构、微机原理与接口技术等硬件课程；C语言程序设计、离散数学、数据结构与算法、面向对象程序设计（Java和C++）、软件工程等软件课程；操作系统原理、计算机网络、数据库原理等专业核心课程，这些课程也应该为嵌入式方向的支撑课程群。操作系统考虑嵌入式方向课程设置，应增加Linux操作系统的实训内容。

在这些计算机专业课程基础上，删减原来与嵌入式方向联系不大，相对独立的若干专业课程，适当增大嵌入式系统应用技术方向课程比例，构成计算机专业嵌入式方向理论课程体系。基础课程中增加嵌入式系统概论，硬件层面上增加可编程逻辑器件及描述语言FPGA/VHDL、嵌入式处理器体系结构。软件层面上增设Linux下C语言编程、嵌入式Linux驱动开发、嵌入式实时操作系统、嵌入式应用程序开发；嵌入式系统级别上考虑软硬结合增设嵌入式系统设计课程，考虑嵌入式发展方向，增设WinCE设计与开发、嵌入式软件测试技术课程。

（二）实践课程体系

嵌入式系统是面向应用的，实践是整个嵌入式系统课程体系中最重要的环节，其目标是培养学生实际的嵌入式软硬件设计能力。在嵌入式课程实践中，采用多层次专业实践与培训认证相结合的实践体系。专业实践包括课内实验、课程设计、综合项目实践、毕业实习与毕业设计，课内实验学时占每门课总学时数比例不低于30%，课程设计包括软硬件和应用系统开发等课程，综合项目实践以项目团队的形式使学生得到团队协作的训练，毕业实习以校企合作、实习基地形式进行。课内实验和课程设计可使学生课程理论知识得到巩固提高，综合项目实践则培养学生阶段性综合性实践能力，毕业实习和毕业设计可培养学生综合分析设计的应用能力。目前，在嵌入式专业领域内的知名厂商及相关认证也越来越为更多的大学毕业生及在职工程师所关注，在实践教学中，引入国际和国内嵌入式认证的培训内容和知识更新体系，增加实践动手能力，积累项目开发经验，增加就业竞争力。

五、结束语

在IEEE计算机协会和ACM共同制定的2004版计算机类课程体系中，嵌入式系统已经被列为核心课程之一。嵌入式系统课程群建设是一项长期、艰难的任务，新知识更新速度明显快于传统学科，计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系的规划与建设，需要明确人才培养目标和建设思路，并在计算机专业课程基础上进行，既重视融合学科的基础知识积累，又强调实践性，使嵌入式系统的教学紧随嵌入式技术的发展。

参考文献：

[1]马义德,汤书森,张北斗等.嵌入式系统课程群建设与创新型人才培养[J].高等理科教育,2004(8):23-25

[2]徐劲松,刘钰碧,蒋晶.应用型本科嵌入式系统课程群建设与实践[J].企业技术开发,2009(28):145-146

[3]徐敏,林瑞金,关健生.嵌入式系统教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2009(3):13-15

[4]杨立林.从企业招聘需求看嵌入式系统教学课程体系设置[J].中国电力教育,2011(22):69-70

[作者简介]

第2篇：嵌入式系统的基本原理范文

论文摘 要:为提高高校计算机专业嵌入式系统课程的教学效果，以适应社会对嵌入式人才的要求，在分析嵌入式系统体系结构的基础上，分析了高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法，指出现有教学过程中存在的不足之处，并提出相应的解决方案。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减的计算机系统，通俗地讲，就是具有智能处理功能的电子产品。如今，嵌入式系统已经被广泛应用于工业控制、医疗仪器、智能仪表、通信设备等众多领域，可以说，嵌入式系统无处不在，人们的生活也离不开嵌入式系统。

如今，社会对掌握嵌入式技术的人才需求量较大，近几年高校中的自动化类、电子类以及计算机类专业均开设了嵌入式系统的相关课程，社会上也有一些培训机构开始开展嵌入式工程师的培训。然而，由于面向对象、培养目标以及基础知识的不同，高校中各专业以及培训机构培养出的嵌入式人才的能力也不尽不同。本文结合嵌入式系统的体系结构和高校计算机专业的课程结构，对高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法展开探讨，指出现有教学过程中存在的不足之处，并提出相应的解决方案。

1 嵌入式系统的体系结构

一个完整的嵌入式系统可以分为软件部分和硬件部分，因此，大体上讲，嵌入式工程师可以分为嵌入式软件工程师和嵌入式硬件工程师。但我们认为，一个合格的嵌入式工程师应该既要懂软件，又要懂硬件，软件和硬件之间是相辅相成的。

嵌入式软件包含应用程序开发、驱动程序开发、操作系统的移植和裁减三个主要方面。然而，并非所有的嵌入式系统都需要进行驱动程序的开发以及操作系统的移植和裁减，如果使用的单片机较为简单，或者开发的程序较为简单，那么就没有必要基于操作系统来进行应用程序的开发。但是，如果基于操作系统来开发应用程序，那么应用程序开发过程和普通的软件开发几乎没有区别。

嵌入式硬件主要包含PCB设计和原理图设计两个方面。在原理图设计阶段，工程师需要根据实际需求选择合适的芯片，设计相应的电路图;而PCB设计主要是指PCB的布局和布线。对于高频电路，在布线完成之后，还需要进行PCB电路图的电磁兼容仿真和分析，以保证生产出的产品能够正常工作。

由此可见，嵌入式系统开发涉及到的知识面较多，这对相应的从业人员提出了较高的要求，因此，要称为一名合格的嵌入式工程师必须对上述所有方面都有所了解，并精通其中若干个方面。

2 高校计算机专业的课程结构

如今，高校计算机专业的课程结构除公共课外，可以分专业基础课程，专业必修课程和专业选修课程。专业基础课程主要是指电子技术基础和计算机程序设计;专业必修课程主要包括计算机体系结构、操作系统、数据结构、软件工程、计算机网络和编译原理等;专业选修课包括信息安全、图像处理、网络程序开发、嵌入式系统等。

从课程结构上，我们不难发现，该专业学生在学习嵌入式系统时存在一定难度，主要体现在对电路、数电和模电三门课程的掌握不牢固上。要想学好嵌入式系统，首先必须学好上述三门课程。而事实上，通常计算机专业将上述三门课程合成一门课程来进行讲授，并且学时较短。学生经过一个学期的学习，只能对这三门课程有个大概的了解，并不能达到较为灵活应用的程度。

3 教学现状、教学内容和教学手段

在教学现状上，如今高校在讲授嵌入式系统时，往往是一个教师会面对几十个，甚至上百个学生。在人数较多时，授课质量会下降。事实上，社会培训机构在进行嵌入式系统培训时，往往会限制学生的数量。

在教学内容上，主要是以一些基本概念为主，如单片机结构，Linux嵌入式操作系统的原理和移植，Linux嵌入式驱动程序的开发，以及嵌入式软件的设计方法等。事实上，对于刚接触嵌入式系统的学生来说，讲授这些空洞的基本概念是没有任何意义的。根据学生的反映，由于他们没有任何嵌入式方面的基础知识，讲授上述内容使得他们陷入一种迷茫的状态，除了强迫性记住一些概念之外，其它什么都没有学到。

在教学方法上，主要是以教师讲课为主，学生处于被动地接受状态。学生接受了大量的概念，却没有办法真正理解这些概念。尽管学生也会做一些嵌入式系统的实验，但在进行实验时，学生往往是根据实验手册上的说明，按照实验步骤一步步进行下去，最终除了能看到一些实验结果外，几乎根本无法理解其中的原理。

4 解决方案

为此，我们认为，高校计算机专业嵌入式系统的教学内容和教学方法必须进行改革，具体体现在以下三个方面:

第一，改变教学内容，注重实际应用。在教学内容上，不应讲授空洞的基本概念，不应以复杂的单片机，如ARM为例进行讲授，不应讲授嵌入式操作系统的原理和移植操作，也不应讲授驱动程序开发，这些内容都不适合初学者。而应该以一个简单的单片机，如C51为例进行讲授。同时，在讲授C51时，应从一个应用者的角度，而不是一个设计者的角度来进行授课，这一点往往是一些教师没有注意到的问题。他们往往过于强调单片机的内部原理，而忽略了单片机的应用方法。

第二，应以教师教课为辅，学生动手为主的教学方法。由于嵌入式系统是一门实践性很强的课程，对于这类课程，过多的教学是无益的，往往会让学生对嵌入式失去兴趣。而如果能够让学生动手实验，学生则能够很直观地感受到嵌入式的魅力。

第三，在动手实践上，应以一个小型项目为主，基于开发板实验为辅的方法。事实上，基于开发板进行实验，学生往往只是简单地对他人的程序进行编译和下载，并观看开发板上的运行效果，并不能主动地研究其中的原理，也无法提高学生解决问题的能力。而如果让学生开发一个小型项目，如温度显示器等，那么学生不仅能够真正了解嵌入式系统的开发流程，解决开发过程中遇到的各种问题，而且能够获得开发成功后的成就感，增加学生对嵌入式系统的乐趣。

5 结语

本论文在分析嵌入式系统体系结构的基础上，分析了高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法，指出现有教学过程中存在的不足之处，并提出了相应的解决方案。该方案有利于提高高校计算机专业嵌入式系统课程的教学效果，以适应社会对嵌入式人才的要求。

参考文献

[1] 蒋伟杰．计算机专业本科嵌入式系统方向可见建设研究[J]．计算机教育，2011，10(5):61～64．

第3篇：嵌入式系统的基本原理范文

关键词：嵌入式系统；集中授课；教学方式

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）49-0182-02

一、引言

随着信息化与工业化的融合及工业4.0国家战略的提出，嵌入式系统技术有着越来越广阔的应用空间。目前，嵌入式系统技术已经深入应用到了工业控制、智慧城市、智慧交通、智能家居、智能医疗、智能穿戴、通信设备等人们生活的各个领域。为了适应社会对嵌入式系统开发人才的紧迫需要，如今大多数高校在电子信息工程、自动化等专业开设了嵌入式系统方向[1-3]。在嵌入式系统开发方向课程教学中大多高校仍采用传统的授课方式，即把相关专业课分散到三到四个学期，每门课又分散到一个学期讲授，每周二到三次课。其教学效果并不理想，学生普遍感到该课程难以掌握。为了解决上述问题，本文给出集中授课方式在嵌入式系统方向教学中应用的一些想法和意见。

二、嵌入式系统方向开设背景及课程介绍

（一）嵌入式系统开设背景

所谓嵌入式系统是软硬件紧密结合的综合系统，一般而言，嵌入式系统由嵌入式硬件和嵌入式软件组成，它是面向用户、面向应用、面向产品的专用计算机系统。嵌入式系统拥有软件硬件可裁剪，对可靠性、成本、体积和功耗严格要求的特点。基于嵌入式系统的“专用性”以及“嵌入性”，在各个领域均有嵌入式系统的广泛应用。因此当前嵌入式系统拥有巨大的发展潜力、社会需求大量的嵌入式软硬件工程师。在此背景下，以及遵循培养应用型人才的教学理念下，国内绝大多数高校纷纷开设嵌入式系统开发课程。

目前我校的嵌入式系统方向人才培养目标是：掌握电子技术、嵌入式系统应用与开发、物联网技术开发与应用等工程领域的实践知识和技能，具备嵌入式开发、嵌入式系统测试、物联网应用开发能力，能在通信、电子设备设计制造、物联网应用、IT业等部门从事嵌入式系统软硬件分析与设计、测试、物联网研究与开发、电子信息系统应用与维护、开发、测试、销售及研究等生产和管理第一线需要的高素质应用型人才[4]。

（二）嵌入式系统课程介绍

嵌入式系统课程一般包括：Linux系统、C语言、C++面向对象的程序设计、ARM微处理原理与应用、嵌入式系统GUI开发。其中Linux系统为嵌入式系统课程的核心部分，在今后的嵌入式开发编程过程中大多是在Linux环境下进行；C语言则属于嵌入式系统开发最基础也是最重要的编程语言，目前嵌入式系统硬件开发多是基于C语言；C++语言则是属于面向对象的高级编程，嵌入式系统GUI开发则是在Linux环境下在Qt上使用C++语言进行图形界面的编程设计；最后ARM微处理器的原理与应用是整个嵌入式系统课程的精华也是其难点所在，所有的程序都需要在ARM处理器上运行，所以学习好ARM原理与运用无论以后做硬件工程师还是软件工程师都有着重要意义[5-7]。

三、嵌入式系统方向教学方式现状

目前绝大多数高校仍然采用传统的授课方式来讲授嵌入式系统课程，即把相关专业课分散到三到四个学期，某门课程在一个学期开展，分散在15～18个教学周，每周讲授4～6节课。从近几年毕业生难以适应市场的需求来看，按照传统的教学方式对嵌入式系统课程进行教学显然有着巨大的不足之处。主要不足是：

1.知识点的讲授不连贯，往往在下节课浪费了大量的时间来进行上次课的补习。

2.实践应用少，尤其对于应用开发型的课程，讲完理论之后缺失及时的实验开发。即使加了实验课，某些实验项目不能在两节课完成[8]。

3.时间跨度过大，嵌入式系统课程知识涉及面广，仅仅上述的四门基础课程按传统授课计划一学期一门课来看，需要两年才能完成。

4.高校针对嵌入式系统教学知识落后于当下嵌入式技术发展，同时也缺乏有资深嵌入式工作经验的教师。

四、集中授课方式在嵌入式系统方向教学应用

集中授课方式是指把某门课程集中在一段时间内连续进行学习，直到该门课程进行完毕，再开展下一门课程的学习。整个学习阶段大致是以知识点做基础，实际应用做课程案例，开发项目为驱动，注重提高学生的实际编程能力。这样能够及时有效地进行针对性学习，能够稳固知识点，加强学生实践动手能力，而且学习时间跨度大大降低，根据人类的记忆规律更能使学生加深理解记忆，更好地掌握本阶段的知识[9]。

由于嵌入式课程涉及知识面广，系统的嵌入式系统开发课程我在这里大致分为了四个阶段：

1.嵌入式系统开发基础篇。首先，进行Linux系统的基础学习，其主要内容为：学习Linux系统的理论知识，如Linux系统简介、Linux的文件系统、文件类型及属性、文本编辑器等；之后进行学习Linux系统下的常用命令和shell编程；最后也是以后常使用的知识便是编译与调试，学习GCC编译器和GDB调试器以及make工具，通过makefile文件来描述源程序之间的相互关系并自动维护编译工作。其次，在学习了Linux基础之后便可以在Linux环境下进行开发，也就意味着进入了C语言的高级编程学习中，而在此阶段学习中不能像传统教学一样仅仅教授C语法基础，要更深入学习C语言的灵魂知识――指针的学习，之后进行C的高级编程，例如编译的预处理、链表及操作、树和二叉树等知识的学习。这样就基本上完成了本阶段的理论学习，本阶段最后一步是学生实战提高的一项内容即C项目系统的设计开发，在一个系统项目的开发过程中几乎会用到此前所学的所有知识，学生在开发过程中也会看清自己学习中所欠缺的知识。

本阶段因为是基础性知识学习，在后期学习应用中均占有很大的分量，所以用时也是最长的一个阶段，约在5～6周方可完成阶段性学习。

2.嵌入式开发系统篇。在完成了C语言的学习后，便可以开始进行学习Linux系统程序的设计，本阶段学习目标便是掌握Linux系统编程和网络编程的基本方法，掌握多进程和多线程的编程能力。学习过程中主要学习进程与线程的原理、进程间通信的方式、网络的基本原理、Socket编程等。在此阶段的学习中要多锻炼大型程序和复杂项目框架的设计能力，使得学生能够在未来工作中具备掌控和领导项目的潜力。

在完成本阶段性学习之后，同样需要大量的练习以及系统项目的设计开发训练。本阶段主要是系统的设计学习，则需训练诸如局域网OICQ程序设计、远程终端管理系统之类的开发项目，来提高学生系统设计开发能力。本阶段主要学习系统的基础性开发，大约在四周左右完成。

3.嵌入式开发的软件应用篇。本阶段主要进行C++面向对象的程序设计开发，学习类和对象的区别与应用，面向对象程序设计的三个基本特征：封装、继承和多态。因其在C语言基础上演变而来，故而此阶段属于快速学习阶段，在一到两周即可完成。然后学习系统GUI开发，主要要求掌握Qt开发的基本流程和Qt提供的类库的使用方法。在整个的软件应用阶段会在两周内完成。

虽然学习用时比较短，项目的开发练习依然不可缺少，在未来工作中这类快速学习并加以应用的情景有很多，学生们有必要也必须有快速学习的能力。

4.嵌入式开发的硬件篇。本阶段在整个嵌入式系统开发中属于难点，需在本阶段学习ARM微处理原理和应用，主要掌握ARM的基本架构、指令系统，同时也要了解ADS集成开发环境；嵌入式Linux的系统移植，主要掌握u-boot启动流程、u-boot的移植流程及关键步骤，学会构建根文件夹系统，掌握整个嵌入式Linux系统开发方法；学习Linux驱动开发，掌握嵌入式Linux设备驱动程序的基本原理、架构和设计方法以及驱动开发中常用的机制和内核资源。

该阶段主要以实验为主，加强学生动手能力，熟悉嵌入式的硬件程序开发，该阶段也在四周左右。

五、总结

经过对社会上嵌入式系统培训机构的调研来看，大多数机构都是应用的此类授课方式专项培训嵌入式系统开发人才，而经过培训之后的学员有着扎实的知识功底和良好的实用技能，明显比高校毕业生有更高的动手能力和岗位适应优势。因而在高校嵌入式系统方向课程的教学中尝试使用集中授课方式，对提高应用型人才培养有重要的借鉴意义。

参考文献：

[1]王崴.“嵌入式系统”课程的教学改革与实践[J].常州工学院学报，2013，26（1）.

[2]郭锐.嵌入式系统教学中若干教学方法研究与实践[J].科技信息，2012，（16）.

[3]彭道刚，李辉，夏飞.基于项目驱动的嵌入式系统教学改革与实践[J].中国电力教育，2013，（28）.

[4]张广渊，肖海荣，马昭，梁伟.应用科技大学本科生科研能力培养改革探讨[J].大学教育，2014，（4）.

[5]冀常鹏，马飞，徐维.项目驱动的嵌入式系统教学改革.电气电子教学学报，2012，（33）.

[6]郑广海，曲英伟.嵌入式系统课程群实践教学优化整合与知识融合的研究[J].2015，18（6）.

第4篇：嵌入式系统的基本原理范文

1、始于微型机时代的嵌入式应用:

电子数字计算机诞生于1946年,在其后漫长的历史进程中,计算机始终是供养在特殊的机房中,实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代,微处理的出现,计算机才出现了历史性的变化。以微处理为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点,迅速走出机房;基于高速数值解算能力的微型机,表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对象体系的智能化控制,例如,将微型计算机经电气加固、机械加固,并配置各种接口电路,安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统,把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称作嵌入式计算机系统。因此,嵌入式系统诞生于微型机时代,嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去,这些是理解嵌入式系统的基本出发点。

2、现代计算机技术的两大分支

由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中,实现的是对象的智能化控制,因此,它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算;技术发展方向则是:总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大。 而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力;技术发展方向则是:与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

早期,人们勉为其难地,将通用计算机系统进行改装,在大型设备中实现嵌入式应用。然而,对于众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、工控单元…),无法嵌入通用计算机系统,况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同,因此,必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统,这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。

如果说微型机的出现,使计算机进入到现代计算机发展阶段,那么嵌入式计算机系统的诞生,则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代,从而导致20世纪末,计算机的高速发展时期。

3、两大分支发展的里程碑事件

通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展,导致20世纪末、21世纪初,计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术,不必兼顾嵌入式应用要求,通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列;操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力,使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。

嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路,这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士,接过起源于计算机领域的嵌入式系统,承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务,迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

因此,现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于:它不仅形成了计算机发展的专业化分工,而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域,使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。

第二章 嵌入式系统的定义与组成

1、嵌入式系统的定义

有些人把嵌入式处理器当做嵌入式系统,但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统的的含义,因此,只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统,并作为嵌入式应用时,这样的计算机系统可称作嵌入式系统。

嵌入式系统与对象系统密切相关,其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求,不断扩展对象系统要求的电路(如ADC、DAC、PWM、、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等),形成满足对象系统要求的应用系统。因此,嵌入式系统作为一个专用计算机系统,要不断向计算机应用系统发展。因此,可以把定义中的专用计算机系统引伸成,满足对象系统要求的计算机应用系统。

如果我们了解了嵌入式(计算机)系统的由来与发展,对嵌入式系统就不会产生过多的误解,而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。

(1) 嵌入式系统的定性

按照历史性、本质性、普遍性要求,嵌入式系统应定义为:“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。

(2) 嵌入式系统的特点

嵌入式系统的特点与定义不同,它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

与“嵌入性”的相关特点:由于是嵌入到对象系统中,必须满足对象系统的环境要求,如物理环境(小型)、电气/气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求的特点。

与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性。满足对象要求的最小软、硬件配置等。

与“计算机系统”的相关特点:嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应,这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

另外,在理解嵌入式系统定义时,不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备,例如,内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。

(3)嵌入式系统的种类与发展

按照上述嵌入式系统的定义,只要满足定义中三要素的计算机系统,都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级(工控机)、板级(单板、模块)、芯片级(MCU、SoC)。

2、嵌入式系统的组成

嵌入式系通常由嵌入式处理器、设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。

1、嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有有利于嵌入式系统设计趋于小型化,并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器,因而现今市面上有1000多种嵌入式处理器芯片,其中使用最为广泛的有ARM 、MIPS、PowerPC、MC6800等。

2、设备

设备是指在一个嵌入式系统中,除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件。根据设备的功能可以分为 存储器、接口和人机交互。

3、嵌入式操作系统

在大型嵌入式应用系统中,为了使嵌入式开发更方便、快捷,需要具备一种稳定、安全的软件模块集合,用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应,以及提供多任务处理等,即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大的提高了嵌入式系统的功能,方便了应用软件的设计,但同时占用了宝贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式系统。嵌入式系统常常需要有实时要求,所以嵌入式操作系统往往又是“ 实时操作系统 ”。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的,从而或多或少都有些实时要求,所以从前“嵌入式操作系统”实际上是“实时操作系统”的代名词。今年来由于手持式计算机和掌上电脑等设备的出现,也有了不带实时要求的嵌入式系统。另外一方面,由于CPU速度的提高,一些原先认为是“实时”的反应速度现在已经很普遍了。这样,一些原先需要在“实时”操作系统上才能实现的应用,现在已不难在常的操作系统上实现。在这样的背景下,“嵌入式操作系统”和“实时操作系统”就成了不同的概念名词。

4、应用软件

嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域,基于相应的嵌入式硬件平台,并能完成用户的预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入操作系统的支持,但在简单的场合下不需要专门的操作系统。由于嵌入式应用软件对成本十分敏感,因此,为减少系统成本,除了精简每个硬件单元的成本外,应尽可能的减少应用软件的资源消耗,尽可能的优化。

第三章 嵌入式系统的两种应用模式

嵌入式系统的嵌入式应用特点,决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含,要求计算机领域介入其体系结构、软件技术、工程应用方法的发展。然而,了解对象系统的控制要求,实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此,从嵌入式系统发展的历史过程,以及嵌入式应用的多样性中,可以了解到客观上形成的两种应用模式。

1、客观存在的两种应用模式

嵌入式计算机系统起源于微型机时代,但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代,嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中,以电子技术应用工程师为主体,实现传统电子系统的智能化,而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此,电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式,从事单片机的应用开发,这种应用模式最重要的特点是:软、硬件的底层性、随意性;对象系统专业技术的密切相关性;缺少计算机工程设计方法

虽然在单片机时代,计算机专业淡出了嵌入式系统领域,但随着后PC时代到来,网络、通信技术的发展;同时,嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升,为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入,形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点:即基于嵌入式系统软、硬件平台,以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。

2、两种应用模式的并存与互补

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造。因此,以通晓对象专业的电子技术队伍为主、用最少的嵌入式系统软、硬件开销,以8位机为主,带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用,但囿于对象专业知识的隔阂,其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面,不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此,客观存在的两种应用模式会长期并存下去,在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中,学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术;计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中,了解嵌入式系统应用的电路系统特性,基本的电路设计方法和对象系统的基本要求等。

3、嵌入式系统应用的高低端

由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路,大多是基于8位单片机,实现最底层的嵌入式系统应用,带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员,都是对象系统领域中的电子系统工程师,加之单片机的出现,立即脱离了计算机专业领域,以“智能化”器件身份进入电子系统领域,没有带入“嵌入式系统”概念。因此,不少从事单片机应用的人,不了解单片机与嵌入式系统的关系,在谈到“嵌入式系统”领域时,往往理解成计算机专业领域的,基于32位嵌入式处理器,从事网络、通信、多媒体等的应用。这样,“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的,独立发展起来的嵌入式系统,从学科建设的角度出发,应该把它的统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点,可以把嵌入式系统应用分成高端与低端,把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用,含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。

第四章 嵌入式系统的低端应用:8位单片机

1、单片机开创了嵌入式系统独立发展道路

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而,微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。

在探索单片机的发展道路时,有过两种模式,即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式,它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后,集成在一个芯片上,构成单片微型计算机;“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的,满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统(单片微型计算机),MCS-51是在MCS-48探索基础上,进行全面完善的嵌入式系统。历史证明,“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路,MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。

2、单片机的技术发展

单片机诞生于20世纪70年代末,经历SCM、MCU、SoC三大阶段

SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。

MCU即微控制器(MicroController Unit)阶段,这阶段主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面最着名的厂家当数PHILIPS公司。PHILIPS公司以其在嵌入式应用方面巨大优势将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和PHILIPS的历史功绩。

单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

嵌入式系统的高端应用

1、概述

由于网络与通信技术的发展,嵌入式系统在经历了近20年的发展历程后,又进入了一个新的历史发展阶段,即从普遍的低端应用进入到一个高、低端并行发展 ,并且不断提升低端应用技术水平的时代,其标志是近年来32位MCU的发展。

32位MCU的应用不会走8位机百花齐放、百余种型号系列齐上阵的道路,这是因为在8位机的低端应用中,嵌入对象与对象专业领域十分广泛而复杂;而当前32位MCU的高端应用则多集中在网络、通信和多媒体技术领域,32位MCU将会集中在少数厂家发展的少数型号系列上。

在嵌入式系统高端应用的发展中,曾经有众多的厂家参与,很早就有许多8位嵌入式MCU厂家实施了8位、16位和32位机的发展计划。后来,8位和32位机的技术扩展侵占了16位机的发展空间。传统电子系统智能化对8位机的需求使这些厂家将主要精力放在8位机的发展上,形成了32位机发展迟迟不前的局面。当网络、通信和多媒体信息家电业兴起后,出现了嵌入式系统高端应用的市场;而在嵌入式系统的高端应用中,进行多年技术准备的ARM公司适时地推出了32位ARM系列嵌入式微处理器,以其明显的性能优势和知识产权平台扇出的运行方式,迅速形成32位机高端应用的主流地位,以至于使不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己的32位发展计划,转而使用ARM内核来发展自己的32位MCU。甚至在嵌入式系统发展史上做出卓越贡献的Intel公司以及将单片微型计算机发展到微控制器的PHILIPS公司,在发展32位嵌入式系统时都不另起炉灶,而是转而使用ARM公司的嵌入式系统内核来发展自己的32位MCU。

网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来,无疑为32位嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发展空间;同时,也为力不从心的8位机向高端发展起到了接力作用。一般来说,嵌入式系统的高、低端应用模糊地界定为: 高端用于具有海量数据处理的网络、通信和多媒体领域,低端则用于对象系统的控制领域。然而,控制系统的网络化、智能化的发展趋势要求在这些8位机的应用中提升海量数据处理能力。当8位机无法满足这些提升要求时,便会转而求助32位机的解决办法。因此,32位机的市场需求发展由两方面所致: 一方面是高端新兴领域(网络、通信、多媒体和信息家电)的拓展;另一方面是低端控制领域应用在数据处理能力的提升要求。

后PC时代的到来以及32位嵌入式系统的高端应用吸引了大量计算机专业人士的介入,加之嵌入式系统软/硬件技术的发展,导致了嵌入式系统应用模式的巨大变化,即使嵌入式系统应用进入到一个基于软/硬件平台、集成开发环境的应用系统开发时代,并带动了SoC技术的发展。

在众多嵌入式系统厂家参与下,基于ARM系列处理器的应用技术会在众多领域取得突破性进展。Intel公司将ARM系列向更高端的嵌入式系统发展;而PHILIPS公司则在向高端嵌入式系统发展的同时,向低端的8位和16位机的高端应用延伸。Intel公司和PHILIPS公司的发展都体现了各自的特点,并充分发挥了各自的优势。因此,在32位嵌入式系统的应用中,ARM系列会形成ARM公司领军,众多厂家参与,计算机专业、电子技术专业以及对象专业人士共同推动的局面,形成未来32位嵌入式系统应用的主流趋势。这种集中分工的技术发展模式有利于嵌入式系统的快速发展。

2、ARM

ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

随着嵌入式系统处理器的不断发展,典型的32位RISC芯片——ARM处理器,不论是在PDA,STB,DVD等消费类电子产品中,还是在GPS,航空,勘探,测量等军方产品中都得到了广泛的应用。越来越多的芯片厂商早已看好ARM的前景,比如Intel, NS, Atmel, Philips, NEC, CirrusLogic等公司都有相应的产品。他们把更多的功能集成在ARM芯片中,使其成为了高集成度,低功耗的典型代表。

ARM将其技术授权给世界上许多着名的半导体、软件和OEM厂商,每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。

ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。

ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行(理论上如此)。典型的产品如下。

①CPU内核

--ARM7:小型、快速、低能耗、集成式RISC内核,用于移动通信。

-- ARM7TDMI(Thumb):这是公司授权用户最多的一项产品,将ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起,以减少内存容量和系统成本。同时,它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计,并用一个DSP增强扩展来改进性能。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。

--ARM9TDMI:采用5阶段管道化ARM9内核,同时配备Thumb扩展、调试和Harvard总线。在生产工艺相同的情况下,性能可达ARM7TDMI的两倍之多。常用于连网和顶置盒。

②体系扩展

-- Thumb:以16位系统的成本,提供32位RISC性能,特别注意的是它所需的内存容量非常小。

③嵌入式ICE调试

由于集成了类似于ICE的CPU内核调试技术,所以原型设计和系统芯片的调试得到了极大的简化。

④微处理器

--ARM710系列,包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器,配有高速缓存(Cache)、内存管理、写缓冲和JTAG。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。

--ARM940T、920T系列:低价、低能耗、高性能系统微处理器,配有Cache、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。

第5篇：嵌入式系统的基本原理范文

目前，在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统较为准确的定义。

1 现代计算机的技术发展史

(1)始于微型机时代的嵌入式应用

电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。

(2)现代计算机技术的两大分支

由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。 而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、工控单元……），无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。

如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，计算机的高速发展时期。

(3) 两大分支发展的里程碑事件

通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。

嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。

2 嵌入式系统的定义与特点

如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。

(1) 嵌入式系统的定义

按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。

(2) 嵌入式系统的特点

 嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。

与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。

与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。

(3)嵌入式系统的种类与发展

按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。

有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。

嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。

3 嵌入式系统的独立发展道路

(1)单片机开创了嵌入式系统独立发展道路

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。

在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模

式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。 (2)单片机的技术发展史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

4 嵌入式系统的两种应用模式

嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此，从嵌入式系统发展的历史过程，以及嵌入式应用的多样性中，可以了解到客观上形成的两种应用模式。

(1) 客观存在的两种应用模式

嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。

虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。

(2)两种应用模式的并存与互补

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的电路设计方法和对象系统的基本要求等。

第6篇：嵌入式系统的基本原理范文

摘 要：针对通信专业嵌入式实验教学中存在的专业针对性差、设备缺乏和课程层次性不足等问题，文章利用本研究所自主研发的嵌入式实验教学平台，探讨了以基础型实验、综合型实验，创新型实验和课外实践为基础的分层次实验课程教学方式。这种方式在教学实践中取得较好的成效。

关键词：嵌入式系统；实验教学；教学设计

基金项目：浙江省自然基金项目(Y1101077)；浙江工业大学教改项目“通信专业嵌入式系统课程实验的研究”。

作者简介：徐志江，男，副教授，研究方向为无线通信与宽带网接入技术；王丽婷，女，硕士研究生，研究方向为无线通信与网络；孟利民，女，教授，研究方向为多媒体数字通信、无线通信与网络。

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。实验系统构架如图1所示。

图1 实验平台系统构架

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。

ADS环境下的汇编指令实验。本实验介绍了ADS环境下用汇编语言进行编程和调试的一般流程，以及使用汇编语言实现对GM8180开发板进行初始化的方法。目的是为了让学生熟悉和掌握ADS开发环境。

建立Linux虚拟机及熟悉常用命令实验。通过本实验，学生需要掌握如何在Windows系统下面搭建Linux服务器，并学会基本的Linux命令和操作。

Linux交叉编译平台实验。通过在Linux下建立交叉编译平台和使用交叉编译平台编译源代码的方法，使学生熟悉和理解交叉编译的原理和概念，学会建立Linux交叉编译平台。

程序下载烧写实验。本实验介绍了配置和编译BootLoader(ARMBOOT)和Linux内核的方法，从而学生可以掌握下载编译好的BootLoader(ARMBOOT)和Linux内核的方法以及建立NFS文件系统的方法。

Mount挂载(nfs/usb/sd)实验。通过本实验，学生能掌握配置linux下nfs服务的方法和mount挂载usb/sd的方法。

3.2 综合型实验

综合性实验旨在培养学生的综合设计能力。根据之前的理论教学与基础性实验的练习，综合所学知识，具备基本的软件开发能力。这部分教学实践实行“教师逐步放手，学生动手去做”的原则，故实验指导书编写得简明扼要。为了达到综合培养的目的，既要包括多方面的知识与设计要求，又要有空间让学生自己发挥。

ADS下混合编程。本实验让学生熟悉和掌握在ADS环境下C语言和汇编语言的混合编程和调试，巩固使用AXD和Mulit-ICE调试的方法。

C语言程序设计与串口通信实验。通过本实验，学生可以掌握在ADS环境下的操作和JTAG的下载和调试，掌握使用C语言对GPIO端口控制。

GPIO驱动实验、I2C驱动实验。在理解Linux驱动程序的结构、原理和I2C协议的原理，掌握Linux驱动程序的编程的基础上，学生能够掌握Linux动态加载驱动程序模块的方法。

图像合成实验。本实验要求学生具有图像合成的知识，熟练进行实验设备的连接和调试、寄存器的设置，能够修改配置文件，深入理解图像合成的原理。

MMC/SD驱动实验。在学生掌握了MMC/SD卡接口的基本原理、MMC/SD驱动的结构以及SD卡的挂载的方法和测试方法后，能够配置、编译Linux内核，在实验箱上烧写Linux内核，建立NFS文件系统，并运行测试程序进行SD卡的读写。

视频网络传输实验。学生在了解了视频网络传输协议工作过程及原理之后，学会在IP网络中实现视频传输的方法。

Web服务器实验、单Server多Client实验。在本实验之前，学生已经熟悉了Web服务器原理及工作过程，通过路由器将实验箱和PC机连接，编写简单的服务器代码，在PC机上运行IE浏览器，能够查看网页服务器是否运行；以及熟练开启Linux，能向多个客户端发送视频数据。

远程控制视频实验。本实验要求学生理解远程控制的原理，通过本实验掌握在Windows下TCP客户端建立及通信的过程，及Linux下TCP服务器建立及通信的过程。

3.3 创新型实验

在嵌入式系统的应用领域里，嵌入式软件已经逐渐成为嵌入式产品设计创新和增值的关键因素，所以实验教学应侧重于软件实践和创新。理论和实践要相结合，而学生的创新能力要着重培养。针对本实验系统的可开放性，设计了一些具有创新型的实验，比如修改内核的内部代码，从而能使学生深入理解实时操作系统的一些机制，加深对理论知识的理解与巩固。再加上指导教师对实验系统原理的熟知，即使学生在操作的过程中导致实验系统瘫痪也能及时得以解决，让学生放心大胆进行实践设计。

在实验课堂上，学生难免会依赖于实验设备以及教师的指导而缺乏自主思考的动力，再加上实验室开放场地和时间的限制，要在有限的时间和空间里完成自主创新设计有些困难。课程选用ARM处理器+Linux操作系统的主流配置，学生可以在课外利用PC机上的Linux进行代码编写，可行之后再利用实验箱进行验证。这样，一方面可以减少场地和时间的限制，加强学生对所学知识渗透性的认知，另一方面提高了学生自主学习能力，培养其创新能力。基于此，在课程设置上，加进了学生自主安排时间。

3.4 课外实践

鼓励学生参加院校级“建龙基金”、“运河杯”等

课外科技立项活动。活动基金提供实验平台，而通信类学生可以根据自己的兴趣与长处设立通信网络与设备等的项目计划，申请资金设备并在导师的同意后获得实验室开放资源。此外，通过组织学生参加省级、部级电子设计大赛及其他各种嵌入式应用型竞赛，让感兴趣、学有余力的学生得到更好的实践与创新能力锻炼的机会。

4 结语

嵌入式系统产品发展迅猛，不断渗透各个行业，人才要求也日益迫切。近几年来，为顺应社会和企业人才的需求，越来越多的高校将嵌入式系统的课程加入通信类专业教学体系，使之成为专业选修课甚至专业必修课。然而，嵌入式教学体系还未成熟，存在诸多问题。针对前文分析的课程设置缺陷，及我们在教学中发现的问题，本文以研究所自主开发的嵌入式实验教学平台为例，提出了针对通信学生的层次性的实验教学方案。根据软件实验环境，设置合理的实验课程，突出自主性与创新性，提高学生自主学习的能力，对培养学生的创兴能力具有重要意义。

参考文献：

[1] 杨水清,张剑,施云飞,等. ARM嵌入式Linux系统开发技术详解[M]. 北京:电子工业出版社,2008:1-6.

[2] 耿鹏. 信息工程专业嵌入式系统课程教学探索[J]. 中国现代教育装备,2010(19):82-110.

[3] 何剑锋,姜林,刘琳. 软件专业嵌入式系统教学探究与实践[J]. 计算机教育,2009(18):111-113.

[4] 张莉君. 自动化专业本科嵌入式系统课程教学问题新思考[J]. 计算机教育,2011(2):82-85.

Design on Experimental Teaching of Embedded System for Communication Specialty

XU Zhijiang1, 2, WANG Liting1, 2, MENG Limin1, 2

(1. Department of information, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Zhejiang

Provincial Key Laboratory of Communication & Application, Hangzhou 310023, China)

第7篇：嵌入式系统的基本原理范文

关键词：嵌入式系统；实践教学；ARMCortex―M3

中图分类号：TP368.1-4

嵌入式系统的最主要目的是满足生产过程中的部分特定用途。嵌入式系统的核心在于硬软件设计协同性的体现。因此，在有关“嵌入式系统”的教学过程当中，对学生所掌握的硬软件知识均有着严格的要求。本文在对目前我国电子信息工程专业的教学模式进行深入分析后，从“嵌入式系统”的内涵、需求与体系上着手，对电子信息工程“嵌入式系统”实践教学课程内容的相关信息进行进一步的整合，在ARMCortex―M3的基础下，全面探讨“嵌入式系统”实践教学体系的可行性。

1 “嵌入式系统"教学的相关理论

1.1 “嵌入式系统”教学的人才需求

就现阶段电子行业的发展状况看，嵌入式的硬件工程师、系统工程师与应用工程师三种工程师是电子市场所急需的。按照市场需求的相关因素来进一步分析表明：对嵌入式硬件工程师主要技能要求偏向于在电路、驱动程序和板级支持包；嵌入式应用工程师考核重点是在嵌入式系统下，能对平台软件进行可利用式的开发；而嵌入式系统工程师则要求工程师能在操作技能与移植技能上有所建树并完成硬件平台与软件程序的高效对接。就一般电子信息工程专业来说，学生对信号与电子设备的掌控程度、对整体知识的运用已属于最高的要求。就专业的特性因素来说，三种类型的工程师有内在相关度，都属于嵌入式人才需求类型的方向。经过对以往电力型人才的运用经验发现，在嵌入式中的硬件工程师与系统工程师更为契合，而嵌入式应用工程师则更偏向于计算机科学体系。

1.2 “嵌入式系统”教学改革的主要方向

首先，“嵌入式系统”教学改革需要兼顾理论，关注实践：“嵌入式系统”教学具有很强的实践性特征，为了能够针对不同的嵌入式应用，做出不同的变化与创新，就需要学生掌握坚实的理论基础。同时，“嵌入式系统”教学也需要以实践为重点，突出教学过程的实验性。特别是针对验证性的实验教学而言，实验的结果并不能作为评价学生的唯一标准，而需要对学生获取实验结果的过程加以突出的关注，使学生能够在反复进行程序调试的过程当中，对实验方法进行合理的改进与调整，逐步提高学生分析并解决问题的能力。

其次，“嵌入式系统”教学改革需要确保所选取实验项目的合理性。在“嵌入式系统”的教学过程当中，良好的实验项目要求体现其综合性、以及创新性特征，将学生既有的知识点充分调动起来，解决问题，将被动的应付学习状态改变成为主动思考，并积极应对的学习状态。同时，所选取的教学试验项目还应当具有一定的柔韧性，使学生能够具备弹性化的思维空间，将学生个性充分激发出来，以达到提高学生思维活跃度、以及创新能力的目的。

2 Cortex-M3 “嵌入式系统原理及应用"教学实践

2.1 通过对课程内容的整合并从信息工程的发展实际出发，电子信息工程专业在经过认真思考后选取了以Codex-M3为教学内容的内核、以STM32处理器为教学实验对象的教学体系。其主要的教学实践流程为：在学生充分了解cortex―M3的体系、掌握其结构的基础上，在最近研发的cortex-M3内核处理器STM32的有效引导下，对嵌入式操作系统的任务进行合理调度，在ARM公司“嵌入式系统”的有效经验下，完成51单片机的转化。此实验的体系有四个组成部分，即： ARM codex―M3体系，STM32系列处理器、内核处理器和嵌入式操作系统C/OS―lI。校方以精选的4本教材和特质的参考书作为学生学习的模本并全方位扩宽学生查阅资料的渠道。依据模块的选择教科书选用了以下知识模块：《嵌入式系统设计与实例开发――基于ARM微处理器与～C/OS―II实时操作系统》、《ARM Codex―M3权威指南》、《STM32系列ARM Coaex―M3微控制器原理与实践》与《嵌入式实时操作系统》

2.2 实验平台的选择

通过对实施嵌人式实验进行全面的规划，并对此硬件载体深入了解后表明，传统的实验箱模式中存在有限制性因素，STM32仿真学习套件STM3210B更符合试验的要求。该套件采用在核心与性能上都进行了优化并支持USB下载程序和供电，因此极具便捷性。另外，此平台将仿真器与目标有效结合而极具效益。

2.3 实践流程的设计

在对有效信息进行整合后发现，实践的环节分为三个部分即实验、课程设计和毕业设计。实验部分按课时计算有18个，课程设计按天数计算为两周。在试验中，要求学生学习要点中必须具备：计算机的组成、系统的结构、单片机原理的运用、微机原理与汇编语言程序，并将重点定为对指定ARM系统的编绘，克服嵌入式系统中的各种操作难点。在对老师选择上，采取试验课老师与教学课老师交替担任的模式，最大限度地实现教学与实践的同步性；在课程设计上，要求学生有效将理论应用于实际，在实验平台的要求下，促使具体任务的完成。通过对以往开发板例程中经验的整合，结合当今的开发环境，分6个部分进行实验。如下表（表1）所示：

通过实验发现，嵌入式系统的程序的庞大性，增加了学生在特定的课时内进行透彻掌握的难度。据此，在试验时，应对工程模板进行合理的调整，提醒学生修改编写关键代码并保持设置的合理性，有序进行试验并设计分值，根据实际情况对操作分进行定量选择。另外，增加学生对Source Insight和BeyondCompare两个程序的认识并能有效将其运用到文本与软件中，进一步促使编程效率的提高。整个试验由两个部分组成即实际操作、实验报告，其中，操作占60% ，报告占40%。具体的课程设计内容，要求学生在实验平台上完成操作系统的移植，有效管理多个系统任务并进行任务调用。“嵌入式系统”实践教学根据医生试验流程运行了两届，学生的接受程度有了明显的提高。但是由于其处于发展的初步阶段，在教学的实践与结构上仍需进行持续的改进。

3 总结

综上所述，通过对“嵌入式系统”教学进行相关的试验后表明，“嵌入式系统”课程是电子信息工程专业课程经过不断改革后的最具可行性的课程体系，其教学的需求适应时代的发展、知识的体系利于学生对专业知识的吸收、内容模板更具组合的高效性，因此，“嵌入式系统”教学在电子信息工程专业中有巨大的研究价值。另外，“嵌入式系统”教学在形成中所存在的弊端，有望于教育者在实践中进行不断总结与改进以促使其动态体系的形成，争取让电子信息工程专业的学生能用最快的方式、最好的方式去掌握最深层的、最全面的专业知识。

参考文献：

[1]施文娟.电子信息工程专业嵌入式系统教学改革的探索[J].林区教学，2011（06）.

[2]王维博，王海滨，叶凯.电子信息工程专业嵌入式系统教学的改革探讨[J].中国电力教育：上，2010（04）.

第8篇：嵌入式系统的基本原理范文

关键词:嵌入式系统; 实验; 教学改革; 实验装置

嵌入式系统的高速发展以及目前社会上嵌入式系统人才短缺的现象给各大高校带来了契机,很多高校购买了嵌入式设备,开设了嵌入式课程。嵌入式技术具有很强的实践性、综合性和应用性,因此,在讲授嵌入式课程的同时还必须通过大量的实验来加强学生所学的知识。可以说,嵌入式系统的实验与理论教学占有同等的比重[1]。本文针对目前在嵌入式系统实验教学中出现的问题提出了改革的思路,并详细介绍了一种实用的嵌入式系统教学实验装置的设计方法。

1嵌入式系统实验教学中存在的问题及改革措施

当前,嵌入式系统实验教学中主要存在以下问题:

(1) 对实验课程重视程度不够,所花的时间和精力远远比不上在理论教学方面的投入,结果造成学生对嵌入式系统的实际应用能力普遍较差。

(2) 实验课程和理论课程相脱节,经常是理论课程还未学到的内容,而实验课程已经开始进行;或者是理论课程已经完毕,而相应的实验课程还未跟上。

(3) 过分依赖实验平台,缺乏自主创新实验。随着实验平台功能的完善,很多应该由学生完成的部分,都由实验平台的某些模块所替代,学生在实验过程中只要按实验说明的步骤操作即可,结果使学生对整个知识体系的理解和掌握只停留在表面上,对于细

节知识很难理解,更不要谈系统开发。

(4) 实验室管理封闭,课程之间的沟通、设备共享等方面存在障碍,资源利用率不高。

针对嵌入式系统实验教学中出现的上述问题,可从以下几个方面进行改革。

1.1明确嵌入式系统实验课程的地位,培养学生的学习兴趣

在实验课程教学中,首先使学生明确嵌入式系统实验课程的地位和实际应用领域,使学生充分明确学习该知识的目的,从而激起学生的学习兴趣。另外,在教学安排上进行合理的调整,使实验课程和理论课程的教学互相衔接,以保证学生全面、有效地掌握嵌入式系统的相关知识。

1.2增加自主创新实验的力度

首先,必须克服按照实验手册提供的实验机械完成的教学模式,要让学生不是把实验作为一种任务,而是作为一种兴趣来完成,充分体验实验开发过程中的成就感,拓宽自己的创作思路。其次,授课教师和实验教师必须为学生开拓除常规实验之外的实验课题或应用课题,由浅入深、循序渐进地在嵌入式实验体系中引入具有一定应用价值和具有自己特色的实验课题,从而扩大学生的知识面,加深学生对嵌入式知识领域的更深层次的认识[2]。针对学生成长的实际需要,可将实验教学内容安排为基本认识、基本实验、

基金项目:铜陵学院校级教学研究项目(JY10001)。

作者简介:谢东(1968-),男,副教授,硕士,研究方向为电气自动化。

设计性实验和综合性实验四个层次,既对学生进行基础知识、基本技能的培养,又给学生以发挥才智,进行开拓创新的空间和机会。

1.3提供宽松的实验环境,进行开放式教学

嵌入式系统实验室必须充分利用已有的硬、软件资源,从时间和场所方面为那些对嵌入式实验感兴趣的学生提供良好的便利条件,使其成为一个对学生真正开放的实验室。这样,一方面可以发挥实验室的资源优势,不至于使实验设备长时间闲置;另一方面在开放式教学中,鼓励学生主动探索、独立思考、自行设计、自主操作、自由发挥,充分调动学生的学习积极性,培养学生的创新意识和动手能力。

2嵌入式系统教学实验装置的设计

为更好地开展嵌入式系统实验课程的教学,根据本校学生实际情况,笔者对用于嵌入式系统教学的实验装置进行了研制。本装置是以嵌入式系统教学为目的的实验平台,可用于指导学生尽快熟悉基于μCLinux的嵌入式系统的开发环境,掌握嵌入式系统的开发流程,为学生今后进行嵌入式系统的研发打下良好基础。

通过本装置,学生可熟悉μCLinux操作系统,了解操作系统的启动过程、调度机制、内存管理、文件系统及操作系统的其它各个方面。也可以用来了解CPU与其它外设的控制原理,可以领会嵌入式系统的网络通信、CAN通信、通信协议的嵌入式μCLinux实现等。

2.1嵌入式系统教学实验装置硬件的设计

本装置硬件结构如图1所示,主要包括CPU、存储器、人机接口、测量控制电路、CAN通信接口、以太网通信接口等。通过20脚标准JTAG调试接口,结合ARM的集成开发环境(IDE)ADS1.2,可调试驱动程序、内核、启动代码等,并可查看ARM芯片内部的硬件资源。

2.1.1CPU和存储电路

CPU采用的是S3C44B0X微处理器,它是整个系统的控制核心。S3C44B0X是基于ARM7TDMI内核的32位RISC微处理器,具有内核耗电少、低成本、功能强等优点,便于低成本设计嵌入式应用系统[3]。

图1系统硬件结构

存储电路包括一片1M×16位的Flash(SST39 VF160)和一片4M×16位的SDRAM(HY57V65160B)。CPU通过片选信号nGCS0与片外Flash连接,Flash的地址空间为0x00000000～0x00200000。Flash存储芯片用于存放启动代码、内核和文件系统。SDRAM由CPU专用SDRAM片选信号nSCS0选通,地址空间为0x0C000000～0x0C800000。系统启动时,由CPU将Flash中的程序调入SDRAM后运行。

2.1.2人机接口

人机接口包括键盘和LCD液晶屏。

键盘采用的是4×4行列式矩阵键盘,行线选用4个数据线,列线选用4个地址线。该键盘通过中断扫描方式进行工作,用于输入命令或设置有关参数。

LCD液晶屏是整个系统的显示部分,由于S3C44B0X芯片已经提供了LCD控制器、驱动器及输人/输出口,因此只要把实验装置的LCD接口相关引脚与CPU相应引脚连接即可。本装置采用的LCD液晶屏型号为LRH9J515XA STN/BW,16级灰度,320×240像素,驱动电压21.5V。

2.1.3测量控制电路

测量控制电路主要是A/D和D/A转换电路。

S3C44B0X内部具有8通道10位A/D转换器,转换频率为0～100Hz,所以通道切换时应保证至少15μs的间隔。本装置提供了两路直流电压测量电路,经CPU的AIN1、AIN2两个输入通道将被测直流电压送入内部A/D转换器进行转换,转换结果由LCD显示出来。

D/A转换由芯片AD5320完成,它是12位串行D/A转换器,具有微功耗特点,可用电源电压作基准,有自校准功能,串行时钟频率可高达30MHZ,有较宽的动态输出范围。

2.1.4CAN通信接口

本装置CAN通信接口主要由CAN控制器和CAN收发器组成,其原理图如图2所示。CAN控制器采用独立CAN控制器SJA1000,它在S3C44B0X CPU的控制下完成数据的接收与发送。CAN收发器PCA82C250是CAN控制器和物理传输线路之间的接口,提供了对总线的差动接收和差动发送能力,加入PCA82C250能够增强信号抗干扰能力。为增强系统的抗干扰性能力,在SJA1000与PCA82C250之间接有光电耦合器件6N137以实现电气隔离[4]。

图2CAN通信接口原理图

2.1.5以太网通信接口

以太网通信接口由芯片RTL8019AS、滤波器20F001N及型号为RJ45的8针模块插头组成,其原理图如图3 所示。

RTL8019AS是台湾 REALTEK公司生产的以太网控制器,采用全双工方式工作。RTL8019AS具有32位I/O口地址,地址偏移量为0x00～0x1F。其中0x00～0x0F这16个地址为寄存器地址,0x10～0x17和0x18～0x1F分别为远程DMA端口、复位端口的地址。本系统中I/O基址设置为300H,所以,实际的I/O口寻址范围为300H～31FH。

RTL8019AS输出端连接20F001N,20F001N是双绞线驱动/接收器,为耦合隔离变压器模块。RTL8019AS的双绞线差分输出信号引脚45、46与20F001N的1、3脚连接;RTL8019AS的双绞线差分输入信号引脚58、59与20F001N的4、6脚连接。最后,通过带RJ45插头的双绞线接入以太网。

图3 以太网通信接口原理图

2.2嵌入式系统教学实验装置软件的设计

2.2.1启动代码

启动代码Boot Loader相当于普通PC机的BIOS,是在系统复位后执行的第一段代码。本装置Boot Loader功能如下:禁止所有的中断、设置处理器时钟和运行速度完成对CPU初始化、初始化存储区、设置堆栈指针并将bss段清0、跳转到内核映像入口并开始执行内核程序。

2.2.2操作系统内核及文件系统

本装置操作系统采用的是μCLinux。μCLinux是Linux的一个变种,用于没有内存管理单元MMU的处理器,它的内核一般小于512K,非常适合应用于嵌入式领域。μCLinux支持NFS、ext2、romfs、JFFS等文件系统,本装置采用的文件系统是romfs文件系统。通过在宿主机上建立μCLinux的交叉开发编译环境,生成内核和文件系统的映像文件。然后将映像文件通过串行口下载到目标板,烧写在目标板闪存的不同位置处。这样,启动代码初始化硬件设施,内核挂载文件系统,整个系统启动后,操作人员输入执行命令,可以做各个实验[5]。

2.2.3驱动程序

驱动程序是操作系统内核与机器硬件之间的接口。本装置对ADC、DAC、键盘、LCD液晶屏、CAN通信接口、以太网通信接口等硬件电路都设计了相应的驱动程序。驱动程序主要功能是完成硬件设备的初始化和释放、从硬件读取数据或从内核传送数据到硬件[6]。

2.2.4应用程序

应用程序是指通过调用驱动程序或操作系统内核完成特定应用功能的程序。通过这些应用程序学生可以学习ARM汇编程序和C语言程序的编写与调试、掌握CPU基本接口功能及各硬件外设的应用方法。此外,学生也可以自行编写应用程序,从而掌握嵌入式系统软件的开发流程和技巧。

3结语

在嵌入式系统教学中,加强和提高实验教学是关系到当今社会需要的动手能力强、创新能力高、适应性强的人才培养的关键。目前,嵌入式系统实验教学在各高校才刚刚起步,其教学方法和教学模式中还存在着许多不足之处需要改革。另外,结合学生的实际能力和知识水平,为其提供合适的嵌入式系统实验平台,可以更好地培养学生分析问题、解决问题以及综合应用知识的能力,提高教学效果,为社会提供更多高素质的嵌入式系统开发人才。

参考文献:

[1] 张其亮,韩斌.“嵌入式系统”课程的实验教学研究[J]. 实验室研究与探索,2009(6):132-133.

[2] 倪蕴涛. 基于嵌入式系统实验课程教学方法改革和教学思路探索的研究[J]. 牡丹江教育学院学报,2007(4):130-131.

[3] 田泽. 嵌入式系统开发与应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2005:374-375.

[4] 饶运涛,邹继军,郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2003:154-155.

[5] 邹思轶. Linux嵌入式设计与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2002:130-135.

[6] 朱立新,崔玲丽,郑刚,等. 基于AT91微控制器嵌入式教学系统的设计与实现[C]//天津市计算机学会单片机分会. 2003年全国单片机及嵌入式系统学术年会论文集. 北京:北京航空航天大学出版社,2003.

Reformation of Experimental Teaching and Development of Experimental

Device for Embedded System

XIE Dong

(Department of Electrical Engineering, Tongling College, Tongling 244000, China)

第9篇：嵌入式系统的基本原理范文

关键词：应用型本科；嵌入式软件；课程体系

中图分类号：G 文献标识码：B

文章编号：1672-5913 （2007） 07-0035-03

嵌入式系统已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器等众多领域，“嵌入式无处不在”已成为现实。而社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求，使嵌入式软硬件工程师成为未来几年最为热门的职业之一。2004年6月，美国电气及电子工程师学会计算机协会（IEEE-CS）和美国计算机学会（ACM）公布了“计算教程2004”(Computing Curriculum 2004，简称CC2004)。CC2004对原“计算教程CC2001”四个专业方向进行了修改和扩充，并给出了新的评述，其中在计算机工程专业课程中将嵌入式系统作为一门核心课程，分两个学期进行学习。可见，国内外将嵌入式技术人才的培养已经作为一个重点方向。本文根据江苏技术师范学院以培养应用型本科人才的教学体系，对在计算机科学与技术专业中增设嵌入式软件专业方向进行探讨。

1 增设嵌入式软件专业方向的可行性

20世纪70年代，随着微处理器的出现，计算机的发展出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速应用在智能化控制领域中，这使计算机失去了原来的形态与通用计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

嵌入式系统所涉及到的知识有电子工程、通信工程和计算机技术等多种学科。在嵌入式系统应用领域中，人才可分为两类，一类主要是搞硬件设计，他们大多数在本科阶段学习电子类或通信类专业；另一类主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发，他们大多数在本科阶段学习计算机专业。嵌入式产品硬件设计完成后，后期工作主要靠软件技术人员进行开发与设计，不同的软件体现不同的功能，在嵌入式系统设计中软件开发与设计占总工作量的80%左右，所以在嵌入式系统设计和开发中需要更多的嵌入式软件开发人才。

目前，我校从事嵌入式应用方向研究的教师有16人，其中副高以上5人，讲师5人，助教6人，获得硕士以上学位的教师有8人，在读研究生4人。与嵌入式相关的实验室有计算机组成、接口实验室，以51序列为主的嵌入式实验室，以ARM7为主的嵌入式实验室，正在筹备的以ARM9为核心的嵌入式实验室。

从社会需求、师资力量、实验室建设等多方面可得出，在我校计算机科学与技术专业中增设嵌入式软件专业方向是可行的。

2 嵌入式软件人才培养目标与规格

2.1 培养目标

嵌入式软件专业方向是以应用为主的专业，其培养目标是：德、智、体、美全面发展，掌握计算机基础理论和软件开发的过程，掌握必需的嵌入式软件理论、主流嵌入式系统硬件架构，和嵌入式软件编程的技术、方法和工具，基本具备本领域分析问题解决问题的能力，具备一定的工程实践能力，并具备良好外语运用能力，从事嵌入式软件设计与开发的应用型人才。

2.2 培养规格

计算机科学与技术专业（嵌入式软件方向）的学制一般为4年，授予工学学士学位。学生在专业知识的学习、实践能力以及职业素质的培养过程中，逐步提高自身的获取知识的能力、应用知识能力、创新能力以及团队合作的能力。

（1）职业素质

现代企业需要的人才是职业化的专业人才，企业选拔、考核人才主要从德、能、勤、绩四个方面考核，德排在首位，因此，职业素质是培养嵌入式软件人才的基础。在计算教程CC2004报告中，各专业方向的知识领域中都包含社会和职业生涯方面的知识，涉及与计算相关的哲学、历史、社会、职业和道德责任、知识产权、隐私和公民自由、计算机犯罪等内容。通过这些知识体培养学生的思想品德、职业道德和社会责任。一个合格的人才首先要具备良好的职业素质。

（2）专业能力

嵌入式系统专业方向知识结构比较庞大，为了在本科阶段培养出合格的嵌入式软件专业人才，需要将计算机知识、嵌入式系统知识、相关交叉学科（电子、通信）基础知识结合起来，形成嵌入式软件专业方向领域知识。

（3）实践能力

培养嵌入式软件人才，工程实践能力非常重要，因为嵌入式系统是以应用为中心，要求学生能借助于硬件开发平台进行实际的研究与开发，并且要求学生具有独立设计产品的能力，同时也要求学生具有团队合作的能力，这就需要在实践技能训练过程中，加强学生的动手能力、团队合作能力的培养。

3 课程体系结构

从企业实际用人需求出发，分析现阶段嵌入式相关产业领域、行业人才需求特点及发展趋势，合理地安排课程，是培养优秀人才的关键。根据培养嵌入式人才的能力构成将所学课程归纳为如下五个模块：

人文社科模块（A模块）：在于强化学生的思想道德素质、文化素质和职业素质，让学生对社会环境有所认识和了解。可安排政治思想、形势与政策、法律等人文社科方面的课程，大学语文、英语、体育、心理学、经营管理等方面的课程，以及培养学生团队合作精神和沟通能力相关的课程也放在该模块中。

基础学科模块（B模块）：在于为学生打下扎实的基础知识，主要安排高等数学、大学物理、计算机基础等方面的基础课程。

专业知识模块（C模块）：是体现本专业业务能力和素质的核心、涉及专业基础课程、专业核心课程。

专业基础课程主要有离散数学、电路与电子学、逻辑设计、计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、数据结构、嵌入式系统概论和学科前沿讲座。

专业核心课程主要有操作系统、数据库系统原理、嵌入式微处理器原理与接口技术、计算机网络、算法设计与分析、软件工程方法学、Java 语言程序设计。

实践教学模块（D模块）：培养学生实际工作能力和操作技能，主要安排为实验、实习、课程设计、实训、毕业设计、职前培训或案例分析等环节。

专业扩展模块（E模块）：是培养学生专业知识和职业适应能力，该模块课程设置为选修课程，可分为专业必修课程和专业任选课程。必修课程主要有嵌入式实时操作系统、嵌入式网络技术、嵌入式系统设计方法、嵌入式系统体系结构、DSP软件开发技术、单片机原理与应用。专业任选课程可安排多种不同要求的选修课，任选课有 Windows 环境与编程、面向对象技术、无线局域网、计算机控制系统、计算机安全技术、J2ME、移动通信、家庭网关技术、计算机系统结构、WinCE 操作系统、嵌入式Linux操作系统、传感器概论等。

4 实验室建设

为了让学生能够深入地理解和掌握嵌入式软件开发与设计技术，必须建立嵌入式软件实验室，在建立嵌入式软件实验实之前，首先要对嵌入式实验课程内容、实验体系、实验室师资队伍等诸多方面进行详细设计和规划，以保证嵌入式软件实验室能够满足学生掌握嵌入式软件开发与设计的要求。根据培养目标，实验室要配备相应的硬件开发环境和软件。硬件包括开发板、仿真器等必须的硬件设备，最好采用以ARM9为核心的实验开发平台，软件包括常用的Linux、μC/OS、VxWorks、WinCE等常用操作系统，以及相应的软件开发工具。实验室要有经验丰富的、具有项目开发经验的教师进行实验指导。

5 结束语

在计算机科学与技术专业中设置嵌入式软件专业方向是可行的，它符合社会发展的需要。由于嵌入式系统将多种学科交织在一起,所以在制订教学计划，专业知识结构和课程体系时要充分考虑各学科的知识点，形成嵌入式软件专业方向人才培养的独特体系。

参考文献：

[1] 魏洪兴,王田苗. 软件专业嵌入式系统课程体系研究[C].第三届全国高等院校嵌入式系统教学研讨会论文集，北京:清华大学出版社,2005.

[2] IEEE Computer Society/ACM Task Force on Computing Curriculum. Computing Curricula-Computer Enginnering “Iron-Man Draft”. June 8,2004 (/ece/CCCE/).

[3] 康一梅. 嵌入式软件工程人才系统化教育探索[C].第三届全国高等院校嵌入式系统教学研讨会论文集.北京:清华大学出版社,2005.

[4] 2006年第三届全国高等院校嵌入式系统教学研讨会第一届全国嵌入式系统学术交流会论文集.北京:北京航空航天大学出版社,2006.