北京理工大学 马忠梅

浅谈嵌入式人才培养

北京理工大学 马忠梅

从1985年初接触单片机到现在已有30年，笔者亲历了我国嵌入式系统的发展（从单片机到嵌入式系统，又回归微控制器），一直从事嵌入式教学和研究。

1997年，在北京航空航天大学出版社出版的《单片机的C语言应用程序设计》是国内第一本单片机C语言书，推广单片机编程以C语言为主、汇编语言为辅，采用模块化的编程方法。为了能运行操作系统、连网，由8/16位单片机发展到32位ARM嵌入式处理器。2002年，根据ARM公司提供的资料，笔者组织编写了国内第一本关于ARM的书——《ARM嵌入式处理器结构与应用基础》。

由8/16位单片机升级到32位嵌入式处理器，一方面是由于互联网的普及和高端应用的需求刺激，另一方面是因为8位单片机带给半导体公司的利润空间已经十分有限。2002年起，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。2003年起，笔者所在学校开设了嵌入式系统课程，2004年笔者撰写了《ARM&Linux嵌入式系统教程》，并在本科教学中使用。

Linux的教学难度很大，一般要求学生学过操作系统。早期教授嵌入式系统课，很大精力耗费在教学生怎么用Linux，直到计算机操作系统课程增加了Linux上机实验情况才有所好转，但由于理论课时和实验学时有限，软硬件很难兼顾。研究生教学一直没有放弃单片机，从研究生教学调查来看，嵌入式系统应用还是以微控制器为主，因为微控制器使用量大，应用面广，已有很好的应用基础。一个MCU设计可以改造一个旧产品，也可以创造一个新产品。MCU对于大学生和研究生来说不仅容易上手，更重要的是集成度高，学生既方便做电路板，能够学习硬件接口技术和直接面向硬件的软件编程技术，从而对嵌入式软硬件有深入的理解。

现在的嵌入式系统教学在很大程度上不是由应用来推动的，而是针对实验箱厂家提供的内容来规划授课内容。很多内容是接口技术、汇编编程、C语言编程、操作系统移植，甚至只要ARM+Linux就是嵌入式系统。Linux的优点是开放源代码，但存在的问题是没有固定的团队支持。一旦碰到难点只能网上求援。很多小公司吃了苦头，不敢再用Linux做产品，因为他们无法把握产品的开发周期，人员耗费的成本巨大。此外，虽然Linux可以免费得到，但是其上流行的图形用户界面GUI却是收费的，按照GPL协议还需公开自己的源码。

从Intel大学计划送给高校教学用的PDA参考设计SitSang开发板的培训教师角度看，硬件部分的培训教师是开发板的设计者，学电子技术的讲授硬件原理，软件只是用C语言编写测试程序来测试开发板各个部件是否工作正常。软件部分的培训教师是学计算机的，讲如何移植Linux、设计驱动程序和应用程序，可见大公司软硬件人才的分工是很明确的。反观我们的嵌入式Linux，还陷在移植和底层接口模块的使用上，这些适合偏硬件的人员来做，离开发出产品还相去甚远。

半导体厂商偏爱Linux是因为它免费，只要移植到评估板上就能证明它的处理器是正常工作的，而真正想要开发出产品还得搭建应用平台，目前大厂商都有手机平台或汽车电子平台。软件类嵌入式系统教学与硬件类嵌入式系统教学有所不同，应侧重平台搭建、GUI应用开发，让学生能把自己的创意实现出来。至于编程，应以C语言为主、汇编语言为辅，需优化时采用模块化混合编程。嵌入式系统课程实践性非常强，若成为了理论课就失去了它的意义。

各个专业的嵌入式系统教学应有所侧重，不能千篇一律，只有把国内的嵌入式应用推动起来，培养的学生才能满足工作需要。这样看来，本科教学电子技术专业应侧重讲接口技术和驱动程序设计，非电类的对象应用专业应侧重单片机接口和C语言编程技术，计算机专业应侧重GUI应用和驱动程序。

现在安卓（Android）的开发板更加方便了应用的编程，学生可在手机上开发，完成后再移植到实验室的开发板上。操作系统移植并非一般教学内容，应安排在本科毕业设计或研究生阶段，实际教学能做到“师傅领进门，修行在个人”即可，主要是培养学生对嵌入式系统的兴趣，而不是由于涉及面太广、难度太大，使学生们望而生畏。各高校嵌入式系统课程多为选修课，学时有限，规划主要教学内容和实验内容侧重点是教师的首要任务。

ARM公司推出专门针对微控制器市场Cortex-M内核后，微控制器的选型不再以8位、16位和32位来区分，而是以高、中、低档芯片来划分。因为这些微控制器都有统一的机“芯”，区别只是它们的外围部件和厂商的技术支持不同。这样，工具和软件都可以重复使用，不用购置各种开发工具。事实上，在芯片的整个成本中CPU只占很少的一部分，芯片的价格不是由CPU核来定的，再按位数来评价MCU已经没有意义，应按外围部件和Flash容量等来定。这显现出通用的内核、广泛的支持、一致的开发环境是未来的发展趋势，也是嵌入式系统教学的新曙光。

2010年笔者撰写了《ARM Cortex微控制器教程》，包括4家公司的MCU，主要涉及GPIO、中断和定时器的片上资源基本编程，力图比较各家的编程方式。主要目的有两个：一个是推动高端MCU不要再面向寄存器编程，而要使用库函数；另一个是体现Cortex MCU有很好的生态环境，获得多家厂商支持。还有一点是，尽量给出寄存器名、指令等的英文原义，而这是国内翻译资料没有注意到的。通过LM3S竞赛看到，优秀的大三学生一个月就能上手Cortex微控制器。这种32位MCU完全可用C语言编程，不涉及汇编语言。片上外设的寄存器配置更加复杂，支持的工作方式也更多。厂家纷纷都提供了库函数，只要用户依据参数配置外设，使用库函数就能方便地操作外设，不必再记住寄存器名、寄存器位定义去使用汇编语言了，而这也是学习单片机难度最大的地方。现在编程只需关注外设的工作方式，了解有哪些操作即可，大大降低了学习门槛。只要学会C语言，实验指导书中许多样例程序就可直接使用。

总之，嵌入式系统教学所用的处理器应选用主流芯片，如有厂家大学计划支持更好。如果教学偏重硬件设计，要教会学生制板、做硬件应用系统，最好是选择8/16位芯片、Cortex-M芯片。200MHz以上的Cortex-A芯片对布线的要求较高，而且表面贴装引脚多的芯片也需要专门的焊接设备。如果没有编程基础，则可以从8051单片机入手，毕竟用汇编语言的寄存器和存储器的传送指令，感觉更直观些。况且，8051单片机教材是经过多年摸索，消化了国外手册的内容编写出来的。不同基础、不同专业背景的人应根据自己的情况酌情选择，倾向哪家的处理器也是需要考虑的内容。

兴趣是最好的老师，一通百通，大可先专注一家的产品，诸如价廉物美的口袋实验室开发板和厂家评估板等。

马忠梅，北京理工大学副教授，多年来一直从事嵌入式教学和研究工作，编写的教材有：《单片机的C语言应用程序设计》、《ARM嵌入式处理器结构与应用基础》、《ARM&Linux嵌入式系统教程》、《ARM Cortex微控制器教程》等。

��薛士然

2015-06-02）