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CDIO模式中應用的計算機硬件嵌入式技術(shù)論文
近年來(lái)，嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制、通信設備、醫療儀器及航空航天等領(lǐng)域中的應用越來(lái)越廣泛，新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居等都以嵌入式系統為基礎，在這樣的背景下，市場(chǎng)對嵌入式人才的需求越來(lái)越重視。但就目前來(lái)看，當前高校計算機專(zhuān)業(yè)關(guān)于嵌入式技術(shù)方面的教學(xué)還存在一定問(wèn)題，往往過(guò)于注重軟件方面的程序開(kāi)發(fā)，忽略了硬件嵌入式技術(shù)的研究和教學(xué)。
在這樣的背景下，本文以CDIO 功課教學(xué)模式為基礎，探討了計算機硬件嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向和人才培養內容與方法，旨在為相關(guān)研究與實(shí)踐提供參考。
一、CDIO 模式概述
CDIO 模式屬于一種工程教育模式，是國家工程教育改革的一項突破性成果，由麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)組成的研究團隊歷時(shí)四年研究獲得。CDIO 模式代表構思、設計、實(shí)現及運作四個(gè)過(guò)程，以產(chǎn)品整個(gè)生命周期為載體，讓學(xué)生對產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行各個(gè)階段進(jìn)行學(xué)習，實(shí)踐性較強。CDIO 理念繼承了歐美先進(jìn)工程教育改革觀(guān)念，創(chuàng )新性的提出了可操作性的教學(xué)標準，對于提升功課教學(xué)質(zhì)量有著(zhù)重要的意義，代表了當代工程教育的發(fā)展方向和趨勢。就我國來(lái)看，工科教育體系需要積極培養出與世界接軌的工程師，但我國工科教育實(shí)踐還存在著(zhù)諸多問(wèn)題，過(guò)于注重理論和輕視實(shí)踐，過(guò)于注重學(xué)習而忽略創(chuàng )新，在這樣的背景下，應當積極學(xué)習并應用CDIO 工程教育模式。
二、基于CDIO 理念分析計算機硬件課程存在的問(wèn)題
CDIO 的核心為構思、設計、實(shí)現及運作，強調實(shí)踐性和創(chuàng )新性，基于這一理念，分析我國計算機課程中存在的主要問(wèn)題。
2.1 缺乏設計能力培養
近年來(lái)計算機技術(shù)發(fā)展較快，應用越來(lái)越廣泛，使得計算機系統復雜度提升，傳統軟硬件相隔離的設計方式已經(jīng)難以滿(mǎn)足現代計算機系統要求。計算機系統平臺搭建、軟硬件協(xié)同設計等成為主流設計思想，但當前計算機硬件技術(shù)相關(guān)課程缺乏對學(xué)生這種先進(jìn)設計能力的有效培養。
2.2 缺乏可編程芯片設計能力培養
我國工科高校開(kāi)設計算機硬件課程很少涉及到關(guān)于芯片編程的實(shí)驗課程，僅有的實(shí)驗安排在大肆，但受到教育體制的影響，許多學(xué)生畢業(yè)設計不涉及到芯片編程就不會(huì )認真學(xué)習，這就大大弱化了對學(xué)生可編程芯片設計能力的培養。
2.3 缺乏創(chuàng )新能力培養
收到實(shí)驗條件等因素的影響，現有計算機硬件實(shí)驗大多針對的是純硬件邏輯，缺乏橫向功能拓展和縱向功能延伸，給予學(xué)生的創(chuàng )新空間較少，學(xué)生在現有條件下難以完成綜合性和創(chuàng )新性的設計。
三、嵌入式技術(shù)發(fā)展現狀
嵌入式系統是一種專(zhuān)用的計算機系統，其以計算機技術(shù)為基礎，以具體應用為核心，軟硬件可進(jìn)行裁剪來(lái)滿(mǎn)足應用系統的相關(guān)要求，例如功能要求、穩定性要求、功耗要求、成本要求及體積大小要求等。嵌入式系統的應用能夠實(shí)現計算機技術(shù)、電子技術(shù)與各行各業(yè)應用的有效結合，其應用前景廣泛。
嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和應用使得計算機分類(lèi)模式發(fā)生了改變，從傳統的按體積進(jìn)行分來(lái)變化為通用型和嵌入型兩類(lèi)，涉及到的領(lǐng)域十分廣泛，例如醫療領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、工業(yè)控制領(lǐng)域及金融領(lǐng)域中都能夠看到嵌入式系統的身影。嵌入式系統中軟硬件結合，要想從事此項工作，需要具備較高的計算機技能水平，具體來(lái)說(shuō)如下：
一方面，是電子工程、通信工程等硬件專(zhuān)業(yè)方面的人才，這些人才以硬件設計和開(kāi)發(fā)為主，開(kāi)發(fā)硬件驅動(dòng)程序，對硬件原理掌握較為清楚，但這些人才對復雜的軟件系統往往能力較差，例如復雜應用軟件、嵌入式操作系統的程序設計等。另一方面，是偏軟件專(zhuān)業(yè)的人才，這些人才在軟件開(kāi)發(fā)和嵌入式系統開(kāi)發(fā)上造詣較高，且如果軟件方面人才掌握了相關(guān)硬件原理，完全可以自主開(kāi)發(fā)硬件驅動(dòng)程序，硬件設計完成后則需要依賴(lài)于軟件實(shí)現系統功能。但就目前來(lái)看，許多企業(yè)將硬件設計部分外包，硬件設計能力較弱，對硬件有所忽視，這就造成市場(chǎng)上對硬件嵌入式技術(shù)方面的人才短缺。
四、基于CDIO 模式計算機硬件嵌入式技術(shù)發(fā)展方向
4.1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)
近年來(lái)，移動(dòng)設備發(fā)展快速，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )也隨之發(fā)展起來(lái)，人們對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的需求也越來(lái)越大，而軟件系統是否能夠支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )也成為了嵌入式系統發(fā)展的關(guān)鍵所在。因此，在今后的一段時(shí)期內，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用將成為嵌入式技術(shù)的重要發(fā)展方向，就目前來(lái)看，WIFI、藍牙技術(shù)及無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)等的應用越來(lái)越成熟，但需要注意的是，這些技術(shù)有著(zhù)一定的局限性，其傳輸距離大多較近，這就需要在未來(lái)研發(fā)的過(guò)程中著(zhù)重解決遠距離傳輸的問(wèn)題，例如3G 協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)等。
4.2 網(wǎng)絡(luò )互連技術(shù)
在嵌入式系統不斷發(fā)展和應用的背景下，各種互聯(lián)網(wǎng)接口受到關(guān)注，傳統的單片機難以滿(mǎn)足對互聯(lián)網(wǎng)接口的要求，從而催生了各種新型的嵌入式系統，例如微型處理器，從互聯(lián)網(wǎng)接口方面來(lái)看，嵌入式處理器能夠支持TCP/IP、USB、CAN、IEE1394 等多種通信接口，一些先進(jìn)的嵌入式處理器甚至能夠同時(shí)支持幾種接口，但同時(shí)也需要一些硬件驅動(dòng)程序，只有這樣才能夠實(shí)現輕松上網(wǎng)，打破眾多用戶(hù)上網(wǎng)的時(shí)空限制。
4.3 人工智能技術(shù)
歸根結底，嵌入式技術(shù)的應用就是滿(mǎn)足人類(lèi)相關(guān)的應用服務(wù)，人工智能化的發(fā)展和使用則能夠提升嵌入式技術(shù)的服務(wù)水平，將人工智能技術(shù)與嵌入式系統或產(chǎn)品相結合，實(shí)現人機交互，擴展嵌入式系統的服務(wù)應用范圍。就目前來(lái)看，人工智能技術(shù)與嵌入式系統的結合在醫療衛生領(lǐng)域應用較為成熟，能夠降低手術(shù)病人受到的傷害。
而隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì )的進(jìn)步，人工智能技術(shù)的應用范圍將會(huì )得到進(jìn)一步拓展，例如自動(dòng)控壓裝置、自動(dòng)控溫裝置等智能化儀表的應用越來(lái)越多，這都會(huì )促進(jìn)人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
五、基于CDIO 模式的計算機硬件嵌入式技術(shù)人才培養
計算機硬件嵌入式技術(shù)課程的學(xué)習是一個(gè)系統性、長(cháng)期性的過(guò)程，需要循序漸進(jìn)，不僅涉及到原油的硬件課程，還涉及到后續嵌入式技術(shù)理論知識和嵌入式設計開(kāi)發(fā)等。本文結合CDIO 工程教育模式和理念，探討計算機硬件嵌入式技術(shù)的人才培養方向和方法，具體來(lái)說(shuō)如下。
5.1 學(xué)習嵌入式系統基本知識
CDIO 工程教育模式強調對構思、設計、實(shí)現及運作等產(chǎn)品整個(gè)生命周期的研究和學(xué)習，而對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)，其構思、設計、實(shí)現及運作都離不開(kāi)嵌入式系統的基本知識，因此，在計算機硬件嵌入式技術(shù)人才培養過(guò)程中，嵌入式基本知識的學(xué)校至關(guān)重要。
嵌入式系統大體可以分為三類(lèi)，其一為傳統的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，即RTOS 系統，主要包括Vxworks 操作系統、Tornado 開(kāi)發(fā)平臺等;其二為嵌入式Linux 操作系統，其不僅可以作為服務(wù)器的操作系統，在嵌入式領(lǐng)域也有著(zhù)良好的應用前景，系統免費，支持的軟件眾多，這會(huì )大大降低嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本;其三為Windows CE 嵌入式操作系統，如Microsoft 等，其進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)前景良好，Windows CE 嵌入式操作系統雖然于近幾年才被研發(fā)出來(lái)，但卻能夠迅速搶占市場(chǎng)，尤其對于智能手機、顯示儀表等對界面要求較高，Windows CE 嵌入式操作系統的應用有著(zhù)良好的效果。通過(guò)對嵌入式系統這些基礎知識的學(xué)習，能夠讓學(xué)生全面掌握嵌入式軟件整體開(kāi)發(fā)環(huán)境情況和開(kāi)發(fā)平臺，形成對系統開(kāi)發(fā)理性、直觀(guān)的認識。
5.2 ARM 技術(shù)及嵌入式微處理器
當前嵌入式處理器種類(lèi)較多，例如ARM 處理器、MIPS處理器及PowerPC 處理器等，其中應用最為廣泛的處理器當屬ARM，ARM 有著(zhù)四個(gè)通用處理器系列，不同系列能夠提供的性能有所差異，但基本覆蓋了大多應用領(lǐng)域，有效滿(mǎn)足了不同應用領(lǐng)域的應用需求。以SecurCore 系列為例，其專(zhuān)門(mén)應用于對安全等級要求較高的場(chǎng)合。因此，應當讓學(xué)生積極學(xué)習ARM 技術(shù)及相關(guān)嵌入式微處理器結構，為后續產(chǎn)品設計研發(fā)實(shí)踐奠定基礎。
5.3 指令系統與硬件電路設計
一般來(lái)說(shuō)，ARM 微處理器有兩種工作狀態(tài)，且其能夠在兩種工作狀態(tài)之間隨時(shí)切換，第一種工作狀態(tài)為ARM 狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，處理器執行的ARM 指令為32 位字對齊指令;第二種工作狀態(tài)為T(mén)humb 狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，處理器執行的是Thumb 指令，屬于16 位半字對齊指令。兩種狀態(tài)下指令有著(zhù)一定的關(guān)系，即Thumb 指令集合為ARM 指令集合的功能子集，但相較于等價(jià)ARM 代碼來(lái)說(shuō)，其能夠有效節省存儲空間，節省比例能夠達到30%-40% 之間。
對于嵌入式技術(shù)來(lái)說(shuō)，其軟硬件可以裁剪，因此應當做好硬件電路設計工作，通過(guò)有效的硬件電路設計來(lái)獲取最優(yōu)硬件組合，提升嵌入式系統的硬件性能。除了上述提到的說(shuō)那個(gè)方面之外，數字電路、數據結構算法及匯編語(yǔ)言和編程語(yǔ)言等也較為重要，需要在計算機硬件嵌入式技術(shù)人才培養中有所側重。
六、結論
綜上所述，在計算機領(lǐng)域，嵌入式系統的應用越來(lái)越廣泛，計算機硬件嵌入式技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，計算機嵌入式技術(shù)人才的培養應當以CDIO 模式為指導，以市場(chǎng)需求為導向，以嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢為依據，合理選擇教學(xué)內容，培養先進(jìn)的計算機硬件嵌入式技術(shù)人才。
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