CDIO模式中應用的計算機硬件嵌入式技術論文

近年來，嵌入式技術在工業控制、通信設備、醫療儀器及航空航天等領域中的應用越來越廣泛，新興的物聯網技術、智能家居等都以嵌入式系統為基礎，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關於嵌入式技術方面的教學還存在一定問題，往往過於注重軟件方面的程序開發，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展方向和人才培養內容與方法，旨在為相關研究與實踐提供參考。

一、CDIO 模式概述

CDIO 模式屬於一種工程教育模式，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、實現及運作四個過程，以產品整個生命週期為載體，讓學生對產品研發到產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，創新性的提出了可操作性的教學標準，對於提升功課教學質量有着重要的意義，代表了當代工程教育的發展方向和趨勢。就我國來看，工科教育體系需要積極培養出與世界接軌的工程師，但我國工科教育實踐還存在着諸多問題，過於注重理論和輕視實踐，過於注重學習而忽略創新，在這樣的背景下，應當積極學習並應用CDIO 工程教育模式。

二、基於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、實現及運作，強調實踐性和創新性，基於這一理念，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

近年來計算機技術發展較快，應用越來越廣泛，使得計算機系統複雜度提升，傳統軟硬件相隔離的設計方式已經難以滿足現代計算機系統要求。計算機系統平台搭建、軟硬件協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。

2.2 缺乏可編程芯片設計能力培養

我國工科高校開設計算機硬件課程很少涉及到關於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。

2.3 缺乏創新能力培養

收到實驗條件等因素的影響，現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，給予學生的創新空間較少，學生在現有條件下難以完成綜合性和創新性的設計。

三、嵌入式技術發展現狀

嵌入式系統是一種專用的計算機系統，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的相關要求，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現計算機技術、電子技術與各行各業應用的有效結合，其應用前景廣泛。

嵌入式技術的快速發展和應用使得計算機分類模式發生了改變，從傳統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，例如醫療領域、航天航空領域、軍事領域、工業控制領域及金融領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，具體來説如下：

一方面，是電子工程、通信工程等硬件專業方面的人才，這些人才以硬件設計和開發為主，開發硬件驅動程序，對硬件原理掌握較為清楚，但這些人才對複雜的軟件系統往往能力較差，例如複雜應用軟件、嵌入式操作系統的程序設計等。另一方面，是偏軟件專業的人才，這些人才在軟件開發和嵌入式系統開發上造詣較高，且如果軟件方面人才掌握了相關硬件原理，完全可以自主開發硬件驅動程序，硬件設計完成後則需要依賴於軟件實現系統功能。但就目前來看，許多企業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、基於CDIO 模式計算機硬件嵌入式技術發展方向

4.1 無線網絡技術

近年來，移動設備發展快速，無線網絡也隨之發展起來，人們對無線網的需求也越來越大，而軟件系統是否能夠支持無線網絡也成為了嵌入式系統發展的關鍵所在。因此，在今後的一段時期內，無線網絡應用將成為嵌入式技術的重要發展方向，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，這些技術有着一定的侷限性，其傳輸距離大多較近，這就需要在未來研發的過程中着重解決遠距離傳輸的問題，例如3G 協議棧的開發等。

4.2 網絡互連技術

在嵌入式系統不斷髮展和應用的背景下，各種互聯網接口受到關注，傳統的單片機難以滿足對互聯網接口的要求，從而催生了各種新型的嵌入式系統，例如微型處理器，從互聯網接口方面來看，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動程序，只有這樣才能夠實現輕鬆上網，打破眾多用户上網的時空限制。

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或產品相結合，實現人機交互，擴展嵌入式系統的服務應用範圍。就目前來看，人工智能技術與嵌入式系統的結合在醫療衞生領域應用較為成熟，能夠降低手術病人受到的傷害。

而隨着技術的發展和社會的進步，人工智能技術的應用範圍將會得到進一步拓展，例如自動控壓裝置、自動控温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展。

五、基於CDIO 模式的計算機硬件嵌入式技術人才培養

計算機硬件嵌入式技術課程的學習是一個系統性、長期性的過程，需要循序漸進，不僅涉及到原油的硬件課程，還涉及到後續嵌入式技術理論知識和嵌入式設計開發等。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方向和方法，具體來説如下。

5.1 學習嵌入式系統基本知識

CDIO 工程教育模式強調對構思、設計、實現及運作等產品整個生命週期的研究和學習，而對於嵌入式系統來説，其構思、設計、實現及運作都離不開嵌入式系統的基本知識，因此，在計算機硬件嵌入式技術人才培養過程中，嵌入式基本知識的學校至關重要。

嵌入式系統大體可以分為三類，其一為傳統的實時多任務系統，即RTOS 系統，主要包括Vxworks 操作系統、Tornado 開發平台等;其二為嵌入式Linux 操作系統，其不僅可以作為服務器的操作系統，在嵌入式領域也有着良好的應用前景，系統免費，支持的軟件眾多，這會大大降低嵌入式產品的開發成本;其三為Windows CE 嵌入式操作系統，如Microsoft 等，其進入嵌入式市場前景良好，Windows CE 嵌入式操作系統雖然於近幾年才被研發出來，但卻能夠迅速搶佔市場，尤其對於智能手機、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着良好的效果。通過對嵌入式系統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環境情況和開發平台，形成對系統開發理性、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 有着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，其專門應用於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，為後續產品設計研發實踐奠定基礎。

5.3 指令系統與硬件電路設計

一般來説，ARM 微處理器有兩種工作狀態，且其能夠在兩種工作狀態之間隨時切換，第一種工作狀態為ARM 狀態，在這種工作狀態下，處理器執行的ARM 指令為32 位字對齊指令;第二種工作狀態為Thumb 狀態，在這種工作狀態下，處理器執行的是Thumb 指令，屬於16 位半字對齊指令。兩種狀態下指令有着一定的關係，即Thumb 指令集合為ARM 指令集合的功能子集，但相較於等價ARM 代碼來説，其能夠有效節省存儲空間，節省比例能夠達到30%-40% 之間。

對於嵌入式技術來説，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硬件組合，提升嵌入式系統的硬件性能。除了上述提到的説那個方面之外，數字電路、數據結構算法及彙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中有所側重。

六、結論

綜上所述，在計算機領域，嵌入式系統的應用越來越廣泛，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應當以CDIO 模式為指導，以市場需求為導向，以嵌入式技術發展趨勢為依據，合理選擇教學內容，培養先進的計算機硬件嵌入式技術人才。