基于ARM的嵌入式系统设计

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1、基于ARM的嵌入式系统设计课程标准一、课程性质及任务1课程定位本课程是计算机应用技术专业嵌入式系统方向的专业课，是学生专业能力的核心课程之一。计算机应用技术专业嵌入式系统方向的配养目标是：要求毕业生成为在嵌入式计算机系统等技术领域从事技术和管理工作的高等应用型专业技术人才。熟悉基于ARM的嵌入式硬件系统和基于Windows CE的嵌入式系统。能够从事嵌入式应用产品的生产、驱动程序及应用程序设计等工作。2课程设计根据嵌入式系统助理工程师工作岗位的特点，我们将以一个具体的嵌入式公司的研发活动展开分析，并确定研发中的典型工作过程，仔细分析工作过程对嵌入式助理工程师的能力要求，完成课程的初步设计。在经

2、过与企业兼职教师商讨后，对课程设计做调整，并整理出实用及可操作的教学内容，以项目的方式进入教学。（1）嵌入式产品研发的特点典型的电子产品设计过程包含三个阶段：概念开发和产品规划阶段、详细设计阶段及小规模试产阶段。嵌入式产品的研发过程与电子产品的研发过程存在一定的差异，这是因为嵌入式产品的研发需要软硬件综合开发，其研发过程也就有其自身特有的地方：嵌入式产品更关注成本，很多公司在产品设计前就预设产品的销售价格，并依此来指导工程师的研发过程。工程师不仅要关注产品功能的实现，更要控制材料的价格，同时要更多考虑生产过程中的隐形成本，以保证产品的价格竞争力。嵌入式产品是软硬件的结合体，在嵌入式系统领域，每

3、一个嵌入式产品都是由软件和硬件共同构成的，而且软件是固化在硬件中的，用户不能对软件进行随意修改。（2）嵌入式研发工程师的工作过程如果从纯技术的角度来分析我们就嵌入式工程师的工作过程分为以下几个过程：可行性研究与分析在产品提交设计及实现目标后，专业的工程师要对产品是否可行进行论证，这里不仅需要技术上的论证，也需要从产品定位、功能、价格及试产等诸多方面的考虑系统总体设计这一步进入嵌入式系统的总体设计，这时需要确定嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分，并根据产品功能要求选定硬件平台和嵌入式操作系统，并确定开发工具。这一工作与公司产品研发的策略和定位有关，同时也取决于工程师对当前嵌入式产

4、品的基本架构和开发工具的熟悉程度有关。软硬件设计实现本阶段的设计是整个设计过程中最基本的一环，也是最重要的阶段。它决定此后软硬件的设计走向以及系统测试的方式和环境。这一部分工程师要完成系统内核的定制、驱动程序的编制、软件的详细设计，代码的生产与测试过程。这部分工作需要与硬件的协作工作，需要反复调试，不断修正，才能完成。这一部分的工作是嵌入式工程师主要的工作过程之一。研发工程师不仅要完成软件的设计，还要进行代码的生成、编译和调试过程，需要助理工程师的协助来完成。在这一环节中，常常会遇到第三方软件的移植与使用。软硬件集成这是软硬件综合测试过程，验证系统功能是否能够正确无误地实现，测试无误的程序将固

5、化在目标的硬件中。本阶段的工作是整个开发过程中最复杂、最费时的过程，也需要辅助开发工具的支持。功能性能测试测试最终完成的系统功能和性能是否满足需求。若不能满足，有可能需要修改设计。3课程任务本课程从一个典型嵌入式产品GPS入手，系统介绍了Windows CE嵌入式系统的应用与开发。详细介绍了嵌入式系统的基本概念，EVC开发工具的使用，Windows CE多任务应用程序的设计方法，Windows CE的内核、内存管理、文件系统、设备管理、图形界面、通讯等技术，驱动程序的编写和加载，嵌入式软件的开发及嵌入式系统的开发过程、方法和典型开发工具等内容。本课程是计算机应用课程链中的重要一环，完全按照工程

6、方法设计，以一个典型的嵌入式产品贯穿课程，内容注重实践与理论的结合。通过本课程的学习，学生能较好地掌握Windows CE嵌入式系统的应用与开发方法，系统掌握Windows CE嵌入式系统应用的相关技术。二、职业岗位标准1嵌入式系统行业高技能人才需求的特点通过对嵌入式系统人才需求的调研和跟踪，我们发现嵌入式系统行业与一般的制造业并不相同，即高技能人才的需求并不在嵌入式产品的制造过程，而是在研发及技术支持环节，这两个环节一个在产品生产之前，一个在产品售出之后。这也是由嵌入式产品自身的特点所决定的。由于嵌入式产品普遍采用32位RISC技术，芯片采用超大规模集成电路制造，也决定了产品的生产过程全部采

7、用SMT设备完成。很多从事嵌入式产品实际制造的公司可能都可以没有自己的制造厂。而是直接委托专业的制造厂家来生产。所以我们所培养的嵌入式系统的人才培养定位在嵌入式系统相关行业的研发助理工程师。2嵌入式系统助理工程师基本职业能力分析除以上专业核心能力外，嵌入式系统助理工程师还必须掌握从事嵌入式系统研发工作的方法能力和社会能力。方法能力是指在工作环境中所需要的工作方法和学习方法，是基本发展能力。由于嵌入式系统能够的发展同步于计算机技术的发展，需要从业者具备在职业生涯中不断获取新的技能与知识，以保证自己的可持续发展。社会能力是从事职业活动的行为能力，包括合作能力和职业素养等内容。在课程的教学过程中，我

8、们不仅以培养学生的专业能力为目标，同时重视学生基本职业能力的培养。并将这一思想贯穿到整个教学过程中。3嵌入式系统行业岗位通过对嵌入式系统相关行业助理工程师岗位能力的分析，我们总结出岗位的专业核心能力组成以下几个方面：（1） 硬件调试能力：协助开发工程师完成嵌入式硬件平台的裁剪、部件的调试工作。（2） 定制操作系统能力：完成在嵌入式开发平台上定制操作系统内核、选择组件的工作。（3） 应用程序编制及调试能力：根据工作要求，完成嵌入式应用程序代码的生成、编译及程序的调试工作。（4） 产品移植能力：基于工作岗位的定位及典对能力的要求。助理工程师经常需要完成移植第三方提供的组件到产品上的工作。从以上对岗

9、位核心能力的分析可以看出，嵌入式系统的定制、应用程序的编制及调试、驱动程序的调试及第三方组件的移植，都要求其掌握嵌入式系统研发的基本方法。课程的教学定位完全满足以上各项能力目标。4面对工作岗位的课程定位我们将课程的培养目标定位在高科技公司的高技能人才，主要从事辅助研发工程师的工作，其中包括集成及定制助理工程师，应用及调试助理工程师等工作岗位。三、课程目标1课程总体目标本课程是一门技能训练课，适合采用项目教学法。课程设计要求学生通过本课程的学习，完成本课程要求的全部实验实训内容。2课程具体目标为了提高计算机应用嵌入式方向学生基于ARM的嵌入式开发能力，计算机系设立了嵌入式开发实训基地，主要任务就

10、是让嵌入式开发方向学生快速掌握嵌入式开发技能，J2ME无线开发方向，ARM的嵌入式系统开发方向技术应用能力进行培训。作为一个专项从事嵌入式开发的基地，我们确立的核心教学目标如下：（1）熟悉嵌入式软件开发的一般流程；（2）能够安装并配置WinCE开发环境；（3）能够根据需求分析设计并完成相关配置；（4）熟练掌握WinCE体系结构；（5）嵌入式系统中的Bootloader的配置与烧写；（6）WinCE内核的配置与烧写；（7）WinCE驱动程序实验（8）WinCE应用程序设计；在上述学习目标中，本课程目的在于训练学生的嵌入式开发能力。据此确定本课程能力目标为：学生通过本课程项目的实训，能够掌握ARM

11、嵌入式项目开发技能。表1 学习目标与学习内容表课程名称学习目标主要内容基于ARM的嵌入式系统软件设计在熟悉WinCE操作系统，ARM9体系结构的基础上，能够利用相关开发工具，把WinCE植入ARM9，并在嵌入式WinCE基础之上，进行驱动程序，嵌入式应用程序的开发。（1）熟悉嵌入式软件开发的一般流程；（2）能够安装并配置WinCE开发环境；（3）能够根据需求分析设计并完成相关配置；（4）熟练掌握WinCE体系结构；（5）嵌入式系统中的Bootloader的配置与烧写；（6）WinCE内核的配置与烧写；（7）WinCE驱动程序实验（8）WinCE应用程序设计；（1）嵌入式软件开发一般流程；（2）

12、嵌入式程序设计规范；（4）基于WinCE的嵌入式开发工具；（5）ARM9体系结构与基本指令；（6）Bootloader设计与分析；（7）嵌入式WinCE内核配置与植入；（8）LED字符设备驱动程序实验；（9）LCD显示驱动程序；（10）动态加载模块；（11）FTP应用程序调试；（12）串口通信；（13）I2C总线接口试验；（14）网络应用程序实验；（15）文件和目录操作实验；（16）实时时钟实验；（17）A/D转换实验；（18）键盘和LED控制实验；（19）EEPROM读/写实验；（20）GPRS应用程序；（21）GPS应用程序。四、课程内容基于ARM的嵌入式系统软件设计，是以实训为基础的课程

13、，所以多采用项目引导的“项目中心型”课程这种内容组织方式。对于开篇的基础知识回顾采用任务驱动的“训练中心型”课程内容组织方式。在整个教学过程中，学员将逐步学习到完成此项目需要的知识点，并能在课程结束时完成该项目。项目的完成情况作为本课程的考核依据之一。项目分解情况表表2 课程内容表序号项目名称能力目标知识目标教学方法项目成果1CEPC系统的创建，与VM上的运行熟练应用虚拟机能够安装CEPC系统虚拟机模拟WinCE运行平台WinCE概述，学习方法，课程安排，软件安装定制CEPC系统教师讲解，学生分析嵌入式系统的启动程序，然后按照步骤进行操作Cepc系统运行2WinCE开发工具的安装与说明能够初步

14、应用VS2005EVC+ActiveSync等软本课程所涉及的软件，以及说明VS2005EVC+ActiveSync等软件的初步应用教师讲解，学生分析嵌入式系统的启动程序，然后按照步骤进行操作Hello World3WinCE的模拟器及软件调试能够进行远程调试VS2005自带模拟器的应用应用软件的远程调试。教师演示驱动程序的设计，学生认真分析。模拟器运行4WinCE体系结构掌握Windows Ce层次体系结构掌握进程、线程与调度了解内存管理、存储管理与文件系统理解驱动程序管理与服务掌握用户介面与图形系统Windows CE 的结构功能概览Windows Ce层次体系结构进程、线程与调度内存管理

15、、存储管理与文件系统驱动程序管理与服务用户介面与图形系统5Boot Loader开发能够读懂Boot Loader程序移植与应用Boot Loader运行WindowsCE所需的硬件BSP介绍 开发BSP教师演示，学生进行操作，分组进行指导BSP6基于ARM的WinCE系统定制与移植定制Windows CE移植Windows CEPlatform Builder集成开发环境应用WindowsCE的目录组织WindowsCE构建系统教师演示文件系统的整个个设计过程，学生模仿进行设计，分组进行指导。WinCE移植7驱动程序开发LED驱动程序开发LCD驱动程序开发WindowsCE 驱动程序的基础知

16、识设备管理器中断外理与物理内存访问教师演示，学生进行操作，分组进行指导LED驱动LCD驱动8基于ARM的WinCE应用程序的开发与调试串行口通信的应用软件开发GPRS应用开发GPS应用开发应用软件的开发与调试教师演示文件系统的整个设计过程，学生模仿进行设计，分组进行指导。串口通信应用GPRS应用GPS应用教学进度表表3 课程学习时间安排表序号学时教学目标和主要内容能力目标知识目标活动项目116熟练应用虚拟机能够安装CEPC系统虚拟机模拟WinCE运行平台WinCE概述，学习方法，课程安排，软件安装定制CEPC系统Cepc系统运行28能够初步应用VS2005EVC+ActiveSync等软本课程

17、所涉及的软件，以及说明VS2005、EVC+ActiveSync等软件的初步应用Hello World38能够进行远程调试VS2005自带模拟器的应用应用软件的远程调试。模拟器运行416掌握Windows Ce层次体系结构掌握进程、线程与调度了解内存管理、存储管理与文件系统理解驱动程序管理与服务掌握用户介面与图形系统Windows CE 的结构功能概览Windows Ce层次体系结构进程、线程与调度内存管理、存储管理与文件系统驱动程序管理与服务用户介面与图形系统516能够读懂Boot Loader程序移植与应用Boot Loader运行WindowsCE所需的硬件BSP介绍 开发BSPBSP6

18、16定制Windows CE移植Windows CEPlatform Builder集成开发环境应用WindowsCE的目录组织WindowsCE构建系统WinCE移植724LED驱动程序开发LCD驱动程序开发WindowsCE 驱动程序的基础知识设备管理器中断外理与物理内存访问LED驱动LCD驱动840串行口通信的应用软件开发GPRS应用开发GPS应用开发应用软件的开发与调试串口通信应用GPRS应用GPS应用五、课程实施方案1教学方法与教学手段面向工作过程的课程设计，其教学方法也要适应这一教学改革，且能够在日常教学过程中体现出来。1）项目教学法在进行课程宏观设计过程时，我们面向工作过程精选了

19、14个实训项目，按照教学进度的要求，每周一个项目。面对一个真实的、由一个典型嵌入式产品分解出来的实训任务，学生需要根据项目单的要求，确定实现的目标，规划实现的具体过程。由于每一个项目的完成最终均指向了一个PDA产品的实现，每一个项目完成的好坏都会营销最终产品的表现，同学们都表现出极大的热情和兴趣。项目由三位同学组成的小组完成，要求三位同学在完成项目的过程中共同讨论，决定实现目标的方法和分工，从而训练他们的合作和沟通能力。整个教学过程中，学生表现积极、兴趣浓厚，充分发挥了学生主动学习的积极性。2）组织学生以小组为单位完成项目实训在教学组织上，我们安排三个同学为一个小组完成具体的教学实践活动，并以

20、小组为单位进行考核评价。之所以这样安排并不是考虑设备的数量。我们实训室以四十人的标准配置，一人一台是完全可以满足的。主要目的有两个，其一是项目本身有难度，一个人独立完成从时间上难以保障；其二是以小组为单位的学习环境有利于发展和促进叙述的交往互动能力、自我反思和行动调节能力以及协作学习能力。3）用工程师的方法解决问题在完成项目的过程中，会出现大量的问题，企业研发工程师所遇到的问题，在教学过程中都会出现。一般在教学过程中，学生遇到问题的第一反映就是找老师解决。为了培养学生今后在工作过程中解决问题的能力，老师会根据问题的性质，知道学生查阅相关的文档、手册，努力让他们自己去找出问题的答案。对于方向性、

21、技术性的问题则及时给予知道，避免学生走弯路。经过一段时间的培养，同学们都适应了这一方法。工程师在研发过程中一般都有做研发日志的习惯，记录在研发过程中的细节问题。我们在教学过程中也鼓励学生养成积累的习惯，把平时遇到的问题都记在一个本子里，老师也会把一些共性的问题提出来，以帮助学生的积累。除了通过以上方法外，我们还鼓励同学们注册到微软的Embedded Community社区，参加社区的讨论，从中了解Windows CE发展的现状，了解工程师在产品实践中遇到的问题，培养他们的沟通和阅读英文技术文档的能力。4）培养学生撰写技术报告的能力撰写报告是工程技术人员经常要做的一件事，在课程中我们安排了两个技

22、术报告的撰写。报告的主题非常明确，要求学生通过自己收集资料，经过整理，按照给定的格式完成。通过这样的训练，学生对撰写技术报告的规范、要求有了深入的了解，为他们写好毕业论文打下了很好的基础。也为他们参加工作后撰写相关的技术文档做必要的准备。5）科学的考核方式课程的考核方式改革无疑是本课程靓丽的一点。取消期末考试，把一次考试定成绩变为全方位考核定成绩，方法更为科学也更受学生欢迎；从考核试卷到考试作品，这样的跨越也反映了课程改革从纯粹的学术型走向了技术型，实用型，学生的适应能力也大大提高。这样做虽然老师的工作强度会加大，平时考核的评定也要求更为科学、合理。6）随时将嵌入式系统发展现状展示给学生为引导

23、和培养学生的兴趣，我们与微软、Intel、ARM、MIPS及行业内各协会、从事嵌入式系统的开发公司奖励密切关系，主动参加这些公司开展的各类技术活动，并随时将技术的最新动态反映到教学网站，让学生及时了解行业的最新发展。由于整个嵌入式系统行业发展如日中天，各类嵌入式新产品层出不穷，给学生以强大的心理冲击。通过长期的引导，学生对整个行业的发展表现处浓厚的兴趣，也提高了他们的学习能力，效果也更好。2教学实验实训条件1）计算机硬件： 嵌入式实训室。2）计算机软件：Windows CE 5.0操作系统、Platform Builder 5.0、EVC 4.0。3）教辅设备：投影仪、多媒体教学设备等。六、课

24、程评价与鉴定以课程的核心能力模块为单位，对课程（模块）目标进行评价与鉴定。通过学生评鉴、同行教师评鉴、自我评鉴及考核等方式，从模块能力目标与教学目标是否统一，课程知识内容与课程模块能力目标是否统一两个方面对课程进行评价，检查能力目标与教学目标的一致性。以便进行修正、补充和完善。表4 课程评价与鉴定表模块名称课程评价与鉴定模块能力目标与教学目标是否统一课程知识内容与课程模块能力目标是否统一学生评鉴教师评鉴自我评鉴考核学生评鉴同行教师评鉴自我评鉴考核CEPC系统的创建，与VM上的运行WinCE开发工具的安装与说明WinCE的模拟器及软件调试WinCE体系结构Boot Loader开发基于ARM的W

25、inCE系统定制与移植驱动程序开发基于ARM的WinCE应用程序的开发与调试CEPC系统的创建，与VM上的运行WinCE开发工具的安装与说明WinCE的模拟器及软件调试七、课程考核及标准根据教学对象和培训课程特点及教育部证书管理规定，本课程以学生完成的项目开发任务为实践考核依据，以期末考试成绩为理论考核依据。评价量规如下表。表6 课程考核标准表评价形式权重说明理论考核对嵌入式WinCE基本知识的掌握程度对ARM体系结构的掌握嵌入式WinCE体系结构嵌入式设备的文件系统30%(1) 理论考核与项目考核分别进行，每项达不到合格分数者，需要单项进行补考；(2) 最终评价结果为：60分以下为不合格；6

26、080分为合格；8090分为良好；90分以上为优秀项目考核嵌入式系统中的BootloaderWinCE内核基础实验WinCE驱动程序实验WinCE应用程序设计串口通信GPRS /GPS实验50%校外考核（顶岗）工作产品的数量工作产品的质量完成工作的能力对项目方案的贡献主动协助和帮助他人完成工作的积极性工作完成的稳定性20%八、附录1教材：何宗键。Windows CE嵌入式系统。北京航空航天大学出版社，2006年9月。2参考资料周立功著。ARM&WinCE实验与实践。北京航空航天大学出版社，2007年7月。中嵌教育网：嵌入式开发学习网站：3学时分配表学习分配表模块名称学时分配CEPC系统的创建，

27、与VM上的运行16WinCE开发工具的安装与说明8WinCE的模拟器及软件调试8WinCE体系结构16Boot Loader开发16基于ARM的WinCE系统定制与移植16驱动程序开发24基于ARM的WinCE应用程序的开发与调试40合计1444其它由于本课程是以嵌入式软件开发为主（时间集中、模块内容多，学生起点水平不一等），教学建议如下：1）对于开发软件平台的使用，由于层次不齐，要进一步熟化开发环境，学员可根据自己实际，选择熟悉的开发环境。2）确保学员的实训过程与教学同步，按时完成实训内容。3）确保实训时间用于学员模仿实例操作和项目实训。此期间教师加强辅导。4）项目作品最迟上交时间为下一个内容开始学习的前一天。保证学生能有充份的上机时间。