嵌入式系统教学方法改革实践

电气电子教学学报

JOURNALOFEEE

Vol.32󰀁No.4Aug.2010

嵌入式系统教学方法改革实践

张󰀁林,刘󰀁辉,孙启龙,何󰀁辉

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221116)

摘󰀁要:笔者提出通过一简单嵌入式系统开发项目贯穿课程始终的方式进行嵌入式系统原理与开发课程的教学,包括嵌入式系统概念、开发流程和开发方法等。学生通过本课程的学习,能够了解并参与一个完整的嵌入式系统开发过程,理论学习和实践操作兼顾。实践证明,该方法能够有效地提高教学质量,增强学生对嵌入式系统课程的理解,可锻炼学生的实践能力和设计能力。关键词:嵌入式系统;教学改革;协议转换器中图分类号:G420󰀁󰀁

文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1008󰀁0686(2010)04󰀁0059󰀁03

ReformandPracticeofEmbeddedSystemTeachingMethods

ZHANGLin,LIUHui,SUNQi󰀁long,HEHui

(ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Abstract:Wearefocusingonprocessofanembeddedsystemdevelopmentprojectduringtheteachingofembeddedsystem,includingconceptionofembeddedsystem,developingprocessanddevelopingmethod.Studentsareabletojoinintheentiredevelopmentprocess,sotheycanunitetheorywithpractice.Itisprovedthattheteachingmethodcanenhancetheteachingquality,helpstudentstounderstandembeddedsystembetterandtrainstudentstopracticeanddesign.

Keywords:embeddedsystem;teachingreform;protocolconverter󰀁󰀁嵌入式系统是一种以应用为中心,为应用所推动的专用计算机系统,其教学需要注重对学生实践能力的培养。然而,从目前高校的󰀂嵌入式系统原理与应用 课程教学的情况来看,尚未突出嵌入式系统的以应用为中心、软硬件可裁剪的特点,因而尚待努力形成更为合理的嵌入式系统教学体系。

从󰀂嵌入式系统原理与应用 课程的教学实践以及笔者多年的嵌入式系统开发经验来看,该课程的讲授应不拘泥于教材。

图1󰀁嵌入式系统体系结构

[1]

课程配套的实验考虑实现嵌入式操作系统的加载,熟悉和掌握嵌入式系统的体系结构。

1嵌入式系统

嵌入式系统的体系结构如图1所示。其开发一般从硬件和软件两方面结合在一起进行。与理论

[2]

通过󰀂嵌入式系统原理与应用 课程的学习,学生具备一定的嵌入式系统开发能力:能够设计出相关的硬件电路,了解硬件驱动的开发以及系统软件和应用软件的设计。

收稿日期:2009󰀁12󰀁03;修回日期:2010󰀁05󰀁18

第一作者:张󰀁林(1981󰀁),女,博士,讲师,主要从事嵌入式系统开发和教学,数字信号处理方向的研究,E󰀁mail:laurneie.zhang@gmail.com

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本课程授课应结合其以应用为中心的特点,阐述嵌入式系统的研发过程。本文以围绕󰀂UART串口!网口协议转换器 的设计案例加以具体说明。首先,UART串口和网口这两种接口属于较常见的计算机接口;其次,各种嵌入式系统当中,这两种接口应用广泛,多种嵌入式操作系统中均已包含其相关驱动程序,适合课程讲授使用;接着,对初次接触嵌入式系统的高校学生而言,串口在硬件和软件上都均表现得较为简单易懂,而网口在研发过程中则能在软件方面体现出嵌入式操作系统的优势。

由󰀂UART串口!网口协议转换器 的标题即可启发学生进行有关该系统应用目标的讨论。形成嵌入式系统开发的第一步:根据系统设计的需求,分析系统结构,提出设计目标。该设计目标是实现UART串口数据和以太网数据的相互转换,涉及包括信号电气特性的转换和数据帧结构的转换。显然,电气特性的转换由硬件电路来实现,而数据帧结构的转换由相关软件实现。

本案例以S3C4510为硬件核心,由Linux嵌入式操作系统实现UART串口!网口协议转换器功能。

嵌入式最小系统电路为基础加以扩展,达到特定的应用目的。比如,UART串口!网口协议转换器的硬件就可在嵌入式最小系统的基础上,增加UART串口接口和网络接口电路。这些系统接口电路框图如图3所示。

图3󰀁UART串口!网口协议转换器接口电路

3󰀁嵌入式系统的软件开发

由图1可知,嵌入式系统软件的开发为两部分:嵌入式操作系统的开发和应用程序的编写。其中嵌入式操作系统部分又分为硬件驱动的开发和操作系统的裁剪。

3.1󰀁嵌入式系统硬件驱动的开发

本文主要讨论嵌入式Linux的设备驱动开发。Linux设备驱动程序一般划分为三个部分:∀自动配置和初始化子程序,负责监测所要驱动的硬件设备是否存在和能否正常工作;#服务于I/O请求的子程序;∃中断服务子程序。

驱动程序的开发大概分为如下几步:∀在内核中找到相近的驱动程序,以其为模板进行开发,有时候需要从头开始做;#实现驱动程序的初始化:如向内核注册该驱动程序;∃设计所要实现的操作,常见的有open()、close()、read()和write()等;%一些驱动需要中断服务;&编译该驱动程序到内核中,或者用insmod实现加载。

上述案例涉及UART串口和网口接口,两者在Linux中支持均很完善,具备统一的编程接口。学生在学习的过程中并不需要从头开始编写驱动程序,只需读懂相关驱动程序代码加以配置和装载,便可达到快速认知的效果。与理论课程配套的实验,要求学生实现串口和网口驱动的配置和装载,理解嵌入式系统中驱动程序的作用、工作机理和开发方法。

3.2󰀁嵌入式Linux的裁剪

在嵌入式环境中软件运行所需的硬件资源十分有限,为了在实现应用功能的同时最大限度地减小对硬件的要求,常常要对软件进行裁剪。嵌入式Linux的裁剪主要发生在内核和文件系统内。

(下转第72页)

[3]

2󰀁嵌入式系统的硬件开发

系统开发的第二个步是从系统的设计目标出发,进行该系统硬件电路结构的规划和设计。本案例中,系统硬件需要提供一个UART串口的接口和一个网络接口,并进行相关协议的转换,核心器件考虑采用嵌入式处理器实现。因此,必须首先在课堂上给学生说清什么是嵌入式处理器,如何选择嵌入式处理器、以及嵌入式系统最小系统的设计等问题。嵌入式处理器的选型主要从系统的功能、性能和成本等几个方面考虑,功能上应涵盖所需的接口,性能上则综合考虑系统的运行速度、系统容量等要素。嵌入式最小系统是嵌入式系统硬件可裁剪的体现。最小系统中包含有嵌入式系统必备的模块,比如,嵌入式处理器、存储器、电源电路、时钟电路和及I/O接口等,如图2所示。

图2󰀁嵌入式系统硬件最小系统

一般来讲,嵌入式系统的硬件设计宜以经典的

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[4]󰀁白顺芳,唐梁兵.项目教学法在计算机网络课程中的应用.[J]

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[9]󰀁谢希仁,计算机网络(第四版)[M].北京:电子工业出版社.2008

图1󰀁纯ALOHA仿真

4󰀁小结

通过数据包窃听软件CommView、网络仿真软件OMNeT++和实物WebServer分析丰富了󰀂计算机通信网 课程的趣味性,并能进一步发挥学生的

能动性和兴趣且能与实际相结合。三重递进式实践的󰀂计算机通信网 课程教学方案是对教学与实践结合的一种探索。

(上接第60页张󰀁林等文)

󰀁󰀁与理论课程相配套的实验课要求实现󰀂UART串口!网口协议转换器 中嵌入式Linux操作系统内核及文件系统的裁剪,掌握裁剪的原则和方法。

1)裁剪嵌入式Linux内核

Linux内核是非常庞大的软件工程,由于高度模块化,在裁剪内核时只要针对实际应用,选择必需的模块即可。

内核裁剪时应选择网络协议栈、TCP/IP协议、UART串口驱动和以太网口驱动等模块。2)裁剪嵌入式Linux文件系统

文件系统占嵌入式Linux软件很大比重,即使仅包含最基本软件的文件系统,其大小也达到内核的2~3倍,因此对文件系统的裁剪至关重要。3.3󰀁应用程序

要完成󰀂UART串口!网口协议转换器 这一项目,还需要完成嵌入式系统开发的第三个步骤,即UART串口数据帧向以太网数据帧结构的转换。借助这部分内容,可以向学生介绍一些相关基础知识,比如嵌入式系统的网络协议栈和socket编程等。而具体的实现也作为课程配套实验,交由学生

[4]

自行完成。

4󰀁结语

󰀂嵌入式系统原理与应用 是一门应用性很强的课程,终极目标是面向实际应用。通过连续几个学期的实践发现,课堂内容主要讲解概念、开发流程和方法,同时结合一个具体的嵌入式系统开发项目,将理论与实践结合在一起,这对学生动手能力和创新能力的培养,能够达到更好的效果,学生在学习之后对系统概念的理解,对开发方法的掌握更透彻。参考文献:

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人民邮电出版社,2008

[4]󰀁刘辉.基于嵌入式Linux的接入网通信设备软件架构研究与

设计[D].徐州:中国矿业大学图书馆,2006