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CDIO模式中應用的計算機硬件嵌入式技術論文
近年來，嵌入式技術在工業(yè)控制、通信設備、醫(yī)療儀器及航空航天等領域中的應用越來越廣泛，新興的物聯(lián)網(wǎng)技術、智能家居等都以嵌入式系統(tǒng)為基礎，在這樣的背景下，市場對嵌入式人才的需求越來越重視。但就目前來看，當前高校計算機專業(yè)關于嵌入式技術方面的教學還存在一定問題，往往過于注重軟件方面的程序開發(fā)，忽略了硬件嵌入式技術的研究和教學。
在這樣的背景下，本文以CDIO 功課教學模式為基礎，探討了計算機硬件嵌入式技術的發(fā)展方向和人才培養(yǎng)內(nèi)容與方法，旨在為相關研究與實踐提供參考。
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，由麻省理工學院等四所大學組成的研究團隊歷時四年研究獲得。CDIO 模式代表構思、設計、實現(xiàn)及運作四個過程，以產(chǎn)品整個生命周期為載體，讓學生對產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行各個階段進行學習，實踐性較強。CDIO 理念繼承了歐美先進工程教育改革觀念，創(chuàng)新性的提出了可操作性的教學標準，對于提升功課教學質(zhì)量有著重要的意義，代表了當代工程教育的發(fā)展方向和趨勢。就我國來看，工科教育體系需要積極培養(yǎng)出與世界接軌的工程師，但我國工科教育實踐還存在著諸多問題，過于注重理論和輕視實踐，過于注重學習而忽略創(chuàng)新，在這樣的背景下，應當積極學習并應用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題
CDIO 的核心為構思、設計、實現(xiàn)及運作，強調(diào)實踐性和創(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題。
2.1 缺乏設計能力培養(yǎng)
近年來計算機技術發(fā)展較快，應用越來越廣泛，使得計算機系統(tǒng)復雜度提升，傳統(tǒng)軟硬件相隔離的設計方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代計算機系統(tǒng)要求。計算機系統(tǒng)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相關課程缺乏對學生這種先進設計能力的有效培養(yǎng)。
2.2 缺乏可編程芯片設計能力培養(yǎng)
我國工科高校開設計算機硬件課程很少涉及到關于芯片編程的實驗課程，僅有的實驗安排在大肆，但受到教育體制的影響，許多學生畢業(yè)設計不涉及到芯片編程就不會認真學習，這就大大弱化了對學生可編程芯片設計能力的培養(yǎng)。
2.3 缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)
收到實驗條件等因素的影響，現(xiàn)有計算機硬件實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，給予學生的創(chuàng)新空間較少，學生在現(xiàn)有條件下難以完成綜合性和創(chuàng)新性的設計。
三、嵌入式技術發(fā)展現(xiàn)狀
嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，其以計算機技術為基礎，以具體應用為核心，軟硬件可進行裁剪來滿足應用系統(tǒng)的相關要求，例如功能要求、穩(wěn)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(tǒng)的應用能夠?qū)崿F(xiàn)計算機技術、電子技術與各行各業(yè)應用的有效結合，其應用前景廣泛。
嵌入式技術的快速發(fā)展和應用使得計算機分類模式發(fā)生了改變，從傳統(tǒng)的按體積進行分來變化為通用型和嵌入型兩類，涉及到的領域十分廣泛，例如醫(yī)療領域、航天航空領域、軍事領域、工業(yè)控制領域及金融領域中都能夠看到嵌入式系統(tǒng)的身影。嵌入式系統(tǒng)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，具體來說如下：
一方面，是電子工程、通信工程等硬件專業(yè)方面的人才，這些人才以硬件設計和開發(fā)為主，開發(fā)硬件驅(qū)動程序，對硬件原理掌握較為清楚，但這些人才對復雜的軟件系統(tǒng)往往能力較差，例如復雜應用軟件、嵌入式操作系統(tǒng)的程序設計等。另一方面，是偏軟件專業(yè)的人才，這些人才在軟件開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)上造詣較高，且如果軟件方面人才掌握了相關硬件原理，完全可以自主開發(fā)硬件驅(qū)動程序，硬件設計完成后則需要依賴于軟件實現(xiàn)系統(tǒng)功能。但就目前來看，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，這就造成市場上對硬件嵌入式技術方面的人才短缺。
四、基于CDIO 模式計算機硬件嵌入式技術發(fā)展方向
4.1 無線網(wǎng)絡技術
近年來，移動設備發(fā)展快速，無線網(wǎng)絡也隨之發(fā)展起來，人們對無線網(wǎng)的需求也越來越大，而軟件系統(tǒng)是否能夠支持無線網(wǎng)絡也成為了嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的關鍵所在。因此，在今后的一段時期內(nèi)，無線網(wǎng)絡應用將成為嵌入式技術的重要發(fā)展方向，就目前來看，WIFI、藍牙技術及無線傳輸技術等的應用越來越成熟，但需要注意的是，這些技術有著一定的局限性，其傳輸距離大多較近，這就需要在未來研發(fā)的過程中著重解決遠距離傳輸?shù)膯栴}，例如3G 協(xié)議棧的開發(fā)等。
4.2 網(wǎng)絡互連技術
在嵌入式系統(tǒng)不斷發(fā)展和應用的背景下，各種互聯(lián)網(wǎng)接口受到關注，傳統(tǒng)的單片機難以滿足對互聯(lián)網(wǎng)接口的要求，從而催生了各種新型的嵌入式系統(tǒng)，例如微型處理器，從互聯(lián)網(wǎng)接口方面來看，嵌入式處理器能夠支持TCP/IP、USB、CAN、IEE1394 等多種通信接口，一些先進的嵌入式處理器甚至能夠同時支持幾種接口，但同時也需要一些硬件驅(qū)動程序，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)輕松上網(wǎng)，打破眾多用戶上網(wǎng)的時空限制。
4.3 人工智能技術
歸根結底，嵌入式技術的應用就是滿足人類相關的應用服務，人工智能化的發(fā)展和使用則能夠提升嵌入式技術的服務水平，將人工智能技術與嵌入式系統(tǒng)或產(chǎn)品相結合，實現(xiàn)人機交互，擴展嵌入式系統(tǒng)的服務應用范圍。就目前來看，人工智能技術與嵌入式系統(tǒng)的結合在醫(yī)療衛(wèi)生領域應用較為成熟，能夠降低手術病人受到的傷害。
而隨著技術的發(fā)展和社會的進步，人工智能技術的應用范圍將會得到進一步拓展，例如自動控壓裝置、自動控溫裝置等智能化儀表的應用越來越多，這都會促進人工智能技術的進一步發(fā)展。
五、基于CDIO 模式的計算機硬件嵌入式技術人才培養(yǎng)
計算機硬件嵌入式技術課程的學習是一個系統(tǒng)性、長期性的過程，需要循序漸進，不僅涉及到原油的硬件課程，還涉及到后續(xù)嵌入式技術理論知識和嵌入式設計開發(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的人才培養(yǎng)方向和方法，具體來說如下。
5.1 學習嵌入式系統(tǒng)基本知識
CDIO 工程教育模式強調(diào)對構思、設計、實現(xiàn)及運作等產(chǎn)品整個生命周期的研究和學習，而對于嵌入式系統(tǒng)來說，其構思、設計、實現(xiàn)及運作都離不開嵌入式系統(tǒng)的基本知識，因此，在計算機硬件嵌入式技術人才培養(yǎng)過程中，嵌入式基本知識的學校至關重要。
嵌入式系統(tǒng)大體可以分為三類，其一為傳統(tǒng)的實時多任務系統(tǒng)，即RTOS 系統(tǒng)，主要包括Vxworks 操作系統(tǒng)、Tornado 開發(fā)平臺等;其二為嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，其不僅可以作為服務器的操作系統(tǒng)，在嵌入式領域也有著良好的應用前景，系統(tǒng)免費，支持的軟件眾多，這會大大降低嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)成本;其三為Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)，如Microsoft 等，其進入嵌入式市場前景良好，Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)雖然于近幾年才被研發(fā)出來，但卻能夠迅速搶占市場，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(tǒng)的應用有著良好的效果。通過對嵌入式系統(tǒng)這些基礎知識的學習，能夠讓學生全面掌握嵌入式軟件整體開發(fā)環(huán)境情況和開發(fā)平臺，形成對系統(tǒng)開發(fā)理性、直觀的認識。
5.2 ARM 技術及嵌入式微處理器
當前嵌入式處理器種類較多，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 有著四個通用處理器系列，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域，有效滿足了不同應用領域的應用需求。以SecurCore 系列為例，其專門應用于對安全等級要求較高的場合。因此，應當讓學生積極學習ARM 技術及相關嵌入式微處理器結構，為后續(xù)產(chǎn)品設計研發(fā)實踐奠定基礎。
5.3 指令系統(tǒng)與硬件電路設計
一般來說，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(zhí)行的ARM 指令為32 位字對齊指令;第二種工作狀態(tài)為Thumb 狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，處理器執(zhí)行的是Thumb 指令，屬于16 位半字對齊指令。兩種狀態(tài)下指令有著一定的關系，即Thumb 指令集合為ARM 指令集合的功能子集，但相較于等價ARM 代碼來說，其能夠有效節(jié)省存儲空間，節(jié)省比例能夠達到30%-40% 之間。
對于嵌入式技術來說，其軟硬件可以裁剪，因此應當做好硬件電路設計工作，通過有效的硬件電路設計來獲取最優(yōu)硬件組合，提升嵌入式系統(tǒng)的硬件性能。除了上述提到的說那個方面之外，數(shù)字電路、數(shù)據(jù)結構算法及匯編語言和編程語言等也較為重要，需要在計算機硬件嵌入式技術人才培養(yǎng)中有所側重。
六、結論
綜上所述，在計算機領域，嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛，計算機硬件嵌入式技術越來越受到關注，計算機嵌入式技術人才的培養(yǎng)應當以CDIO 模式為指導，以市場需求為導向，以嵌入式技術發(fā)展趨勢為依據(jù)，合理選擇教學內(nèi)容，培養(yǎng)先進的計算機硬件嵌入式技術人才。
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