嵌入式软件设计课程教学实践_康一梅.pdf
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1、计 算 机 教 育Computer Education30第 4 期2023 年 4 月 10 日基金项目:教育部产学合作协同育人项目(202102373002)。作者简介:康一梅,女,教授,研究方向为嵌入式系统、人工智能,;张莉(通信作者),女,教授,研究方向为软件工程,。0引 言嵌入式软件是工信部“十四五”软件规划中5 个关键软件之一,嵌入式软件的特点是面向领域应用,如工业检测软件、5G 通信设备软件、自动驾驶控制软件、航天飞行器控制软件等。早期的嵌入式系统开发从硬件设计到软件开发一般是一个工程师完成。随着产业需求与技术发展,嵌入式系统的规模越来越大,系统功能越来越复杂,嵌入式软件也越来越
2、复杂,但是,早期的简单嵌入式系统依然占有巨大的需求份额,简单嵌入式系统、复杂嵌入式系统、智能嵌入式系统将会长期共存。目前,国内大多数嵌入式系统相关课程的内容侧重硬件与简单嵌入式软件开发1-2。国外主要是在 EE 专业开设嵌入式系统的课程,斯坦福的“嵌入式系统设计”(Embedded System Design)非常详细地介绍嵌入式系统的硬件组成与原理;MIT 的“嵌入式与开放系统”(Embedded and Open Systems)重点介绍在高性能嵌入式平台上的边缘计算,比如雷达、通信与人工智能应用;伯克利大学的“嵌入式系统”(Embedded Systems)更侧重嵌入式技术与应用。嵌入式
3、软件设计课程教学实践康一梅,张 莉(北京航空航天大学 软件学院,北京 100191)摘 要:为了培养高级嵌入式软件设计人才,提出以系统工程思想为基础的 5 层课程内容设计,阐述让学生循序渐进地掌握简单嵌入式软件、复杂嵌入式软件、实时嵌入式软件、智能嵌入式软件的设计方法。介绍课程的实践与考核,说明其具有挑战度,在综合培训学生工程能力与创新能力的同时,强调方法论的灵活应用,以达到鱼渔双授、传道致远的教学目标。关键词:简单嵌入式软件设计;复杂嵌入式软件设计;实时嵌入式软件设计;智能嵌入式软件设计上述课程的重点都不在嵌入式软件设计方法论的讲授与训练上,而系统地、完整地介绍自顶向下的简单嵌入式软件、复杂
4、嵌入式软件、实时嵌入式软件、智能嵌入式软件的嵌入式软件设计课程设计方法,可以让学生在技术快速发展中持续从容应对。1课程教学内容设计针对特色化示范性软件学院工业嵌入式软件方向的学生特点及培养定位,在嵌入式软件设计课程教学内容设计中,以系统思想汇聚、融合、集成跨学科知识与技术,以软件工程方法论指导嵌入式软件设计与开发,系统地培养学生针对不同类型嵌入式软件的设计能力,并挑战在复杂嵌入式系统设计中多种嵌入式软件设计方法的集成应用。1.1课程内容结构授课内容分为方法与技术 2 个版块,如图 1所示。IT 技术是快速变化的,软件系统设计方法是相对稳定的,因此,课程内容设计以方法为核心,技术皆作为方法应用所
5、需的案例引入。课程内容设计循序渐进,由简及难。文章编号:1672-5913(2023)04-0030-04中图分类号:G6422022年中国高校计算机教育大会(三)DOI:10.16512/ki.jsjjy.2023.04.0142022 年中国高校计算机教育大会(三)第 4 期31方法版块分为系统工程思想、嵌入式系统组成、嵌入式软件设计、实时软件设计、智能软件设计的基础知识与方法 5 个层次,这里的技术特指硬件主板及实现网络、通信、传感器、人工智能等相关技术的软硬件模块,称为模组,包括网络模组、通信模组、传感器模组、人工智能模组等。课程中技术版块是为方法服务的,按照学生对嵌入式系统了解的程度
6、以及方法的需要,分别选择 Arduino、STM32、RK3399 硬件平台及相关模组,由简单嵌入式系统到复杂嵌入式系统,再到智能嵌入式系统,循序渐进地支撑嵌入式软件设计的教学需要。1.2系统工程思想方法版块中,最底层是系统论与系统工程的基本概念,用 2 个学时快速介绍系统论与系统工程的核心思想,让学生建立系统思想的基本概念,以便理解贯穿后续整个授课内容的系统工程思想。任何领域的系统设计都需要系统思想,由于课时有限,首先在重点介绍系统 9 个要素的基础上,通过详解系统中部件应具有一致性、相关性、有用性的系统特性,让学生建立系统的整体观念;然后,介绍系统工程设计是一个设计决策问题,让学生用决策论
7、中优选、优化的方法进行嵌入式软件设计,从而形成基本的系统工程思想。1.3嵌入式系统组成第 2 层首先用 6 个学时介绍嵌入式系统的软硬件组成及各级总线,然后用 4 个学时以案例分析的方式介绍 Arduino 平台的组成与接口,温湿度传感器及传感器采集的周期、滤波与误差处理,蓝牙通信、串口通信的参数设置与软件设计,让学生建立对嵌入式系统的基本认知。这部分的教学目的是让学生建立嵌入式系统软硬件的基本概念,并介绍简单嵌入式软件即无操作系统的嵌入式软件设计方法。如图 2 所示,在设计课程内容的过程中,重组简单嵌入式软件设计方法知识体。教学中,详细介绍板级支持包BSP 的设计方法,以及应用软件采用轮询结
8、构、带有中断的轮询结构、函数队列调度结构、有限状态机、巡回服务结构、基于中断的前后台结构。同时,让学生了解这些软件结构在其他复杂软件中也可以使用,比如在游戏软件设计中,大量使用有限状态机的软件结构。图 1 课程结构图2 无操作系统的简单嵌入式软件体系结构第 2 层的难点是让学生理解总线及总线通信软件的设计开发。选择 Arduino 平台是因为其硬件模组封装性好,可以让学生将关注点放在接口、协议的软件开发上,而不是陷入硬件设计的细节中。202332计 算 机 教 育Computer Education1.4复杂嵌入式软件设计第 3 层用 6 个学时介绍复杂嵌入式软件设计的基本过程与方法,包括嵌入
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