嵌入式系统教学模式探讨1

摘要 回顾从单片机教学到现在的嵌入式系统教学20余年的发展，介绍嵌入式系统教学流行的微处理器和嵌入式操作系统的类型，以及公司的大学计划对嵌入式系统教学的支持。探讨各专业的嵌入式系统教学模式，总结教学经验，为促进国内嵌入式系统健康发展服务。

关键词 嵌入式系统教学 微处理器 嵌入式操作系统

引言

　　从1985年初接触单片机到现在已有20余年，亲历我国嵌入式系统的发展，也从事着嵌入式系统教学的探索。在社会上开始单片机培训7年后高校才大规模开设单片机课程，而嵌入式系统课程只是全面铺开，并没有形成由应用推动的嵌入式系统教学体系，这值得探讨和反思。

　　由8/16位单片机到采用32位嵌入式处理器的嵌入式系统，一方面是互联网的普及和高端应用的需求，另一方面是8位单片机对半导体公司来说利润空间已经很小。由全国大学生电子设计竞赛组委会主办、Intel公司协办的“全国大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题竞赛”进一步丰富了全国大学生电子设计竞赛的形式和内容，推动了高校信息电子类专业教学改革、课程体系及实验室建设，各高校纷纷开设嵌入式系统课程。2002年举办的首届嵌入式系统专题竞赛采用Intel公司提供的基于StrongARM和Windows CE的开发板。只有北京大学参赛队采用了Linux操作系统，并最终获得了Intel杯。嵌入式系统不只是 ARM和Linux的组合，可用于嵌入式应用的微处理器和嵌入式操作系统种类繁多。下面评介流行的、适合嵌入式系统教学的微处理器和嵌入式操作系统，探讨嵌入式系统教学模式和经验。

1 嵌入式处理器

　　用于嵌入式应用的处理器可分为4类：微控制器（即俗称单片机，Microcontroller Unit，MCU)、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)、信号处理领域的DSP处理器(Digital Signal Processor，DSP)和高度集成的片上系统(System on Chip，SoC)。目前用于教学的嵌入式处理器大致形成了以8位、16位和32位划分的局面。

　　单片机教学最流行的是8051系列。8051是Intel公司1980年设计的8位MCU。20世纪80年代中期，Intel公司将8051单片机内核使用权以专利互换或出售形式转让给世界许多著名的IC制造厂商，如Philips、Atme1、Dallas、Infineon、ADI、Winbond和Silicon Labs公司等，这样8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。到目前为止，其他任何一个单片机系列均未发展到如此的规模，近30年一直是普遍流行的产品，如此具有生命力。8051是单片机教学的首选机型，已成为单片机领域的实际标准。现在C8051F系列和STC89系列就是8051生命力的最好体现，前一种是SoC型单片机，功能更强，后一种价格相当便宜。Oregano System公司的Core8051 IP和Synopsys公司的DW8051_core是与8051指令兼容的8位单片机IP核。基于IP核和FPGA的SoC设计方法具有极大的灵活性，可以大大缩短项目的开发周期。

　　Microchip公司的PIC系列倚靠大学计划，使得在单片机教学中采用PIC系列单片机的高校不少。值得欣赏的是这个公司非常专注，它把8位PIC单片机做到了60亿颗。现在他们才用MIPS核推出32位微控制器。MIPS是美国计算机体系结构课教学机型，国产的龙芯CPU就是MIPS兼容的。Atmel公司的AVR系列同PIC系列一样也是RISC结构的单片机，得益于启东人成长起来的双龙公司代理该系列产品。AVR系列单片机也在教学中采用，甚至推广到了中学课外科技活动中。这些从国内出版的单片机教材中可见一斑。

　　在DSP芯片教学中，TI公司做得最好，TMS320C54x系列靠大学计划得到普及。该公司后续推广的TMS320C240系列和MSP430系列单片机也得益于大学计划。ADI公司也利用大学计划推广DSP芯片。Freescale公司（原Motorola公司半导体部）大学计划推广DSP芯片、通信用PowerPC芯片和单片机。

　　ARM公司是一家不生产芯片，只提供IP授权的公司，它的产品已经成为32位嵌入式系统的事实标准。ARM嵌入式处理器以它独特的IP授权形式得到了众多半导体厂家的青睐。DSP生产厂家购买它的RISC核做双核芯片，PLD生产厂商购买其IP核支持SoC设计，大多数半导体厂商设计MPU或MCU。NXP公司（原Philips公司半导体部）靠广州周立功公司的推广，其LPC系列ARM7核微控制器在教学中得到采用。采用ARM公司最新Cortex核的意法半导体公司的STM32系列和Luminary公司的群星系列微控制器正在推广过程中。ARM9核芯片方面，因NXP公司和Atmel公司的芯片都不带LCD控制器，做实验箱普遍都采用了三星公司的S3C2410芯片。但三星公司对散客没有支持，优势只是价格便宜。Intel公司出售了ARM核的XScale，主推自己的EIA架构，对高端嵌入式系统教学有一定的影响。

　　SoC片上系统更是嵌入式系统的终极目标。大学计划做得最好的是Altera公司，它推出了Nios软核的SOPC解决方案，并举办创新竞赛。Xilinx公司也有大学计划，推广Microblaze软核FPGA。现在还有Actel公司，在推广带ARM CortexM硬核和8051软核的FPGA芯片。

　　总之，嵌入式系统教学用处理器应选用主流芯片，或有厂家大学计划支持的芯片。若教学偏重硬件设计，要教会学生制板、做硬件应用系统，最好选择8/16位芯片、ARM7或CortexM芯片。200 MHz以上的ARM9芯片对布线的要求高，而且表面贴装引脚较多的芯片也需要专门的焊接设备。

2 嵌入式操作系统

　　Linux从1991年问世到现在，短短十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统抗争，在新兴的嵌入式系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式Linux以其可应用于多种硬件平台、内核高效稳定、开放源码、软件丰富、完善的网络通信和文件管理机制等优良特性，成为嵌入式系统领域中的一个研究热点。Linux开放源码及内核可裁减非常适用于嵌入式系统教学。要注意，没有MMU的微控制器只能使用μClinux，要使用流行的图形用户界面GUI需要ARM9以上的微处理器和普通Linux操作系统。

　　Windows CE是微软公司从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许对从掌上电脑到专用工业控制器的用户电子设备进行定制。微软公司的大学计划支持高校的嵌入式系统教学，提供有时间限制的安装软件光盘和完整的教学课件。会微机编程的人能够很容易上手Windows CE编程，软件学院教学选用它很合适。更重要的是微软提供完整的解决方案，学生可以专注于应用的开发。