开源硬件算法设计中时间控制的策略与教育价值

摘"要：新课标背景下的开源硬件算法设计教学中，要考虑时间控制问题，注重算法编程与硬件的连接执行、软硬件的衔接和协调、硬件的响应速度和执行效率问题，特别是时间编程模块的有效应用和控制。教学中要加强对学生时序控制的计算思维的锻炼，让学生理解抽象概念，提高逻辑思维和时间管理能力，引导学生将编程应用于实际问题的解决和创新，提升适应未来发展需要的必备素养。关键词：信息科技；开源硬件；编程；时间控制；计算思维0"引言开源硬件在信息科技教育中发挥着重要的作用，为教与学开辟了相对简单的途径，为完成《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）中的“过程与控制”“身边的算法”提供了合适的工具选择，有助于提升学生计算思维能力品质。在开源硬件教学实践过程中，要注重算法编程、机器语言编译与硬件的连接执行，也不能忽略软硬件的衔接和协调以及硬件的响应速度与执行效率问题，尤其要重视时间编程模块的有效应用和控制，加强对学生时序控制的计算思维的锻炼，注重培养学生在真实情境中解决问题的能力，提升以学生发展为中心的核心素养。1"开源硬件在编程过程中的时间控制设计应用在基于硬件的图形化编程中有“等待1秒”的命令模块，类似还有“等待直到”和时钟控制等模块语句，都能实现时间控制的功能。从表象上看，时间控制反映在硬件的整体响应速度和执行效率上。动作速度和效率对于不同类型的开源硬件开发有不同的重要性，例如：生产线上的工业机器人需要快速、准确地执行重复任务，提高生产效率，对动作速度和准确性要求非常高；服务型机器人需要在与人类互动时保持安全和平稳的动作，对动作的平稳和精准要求超过对速度的要求。因此，开源硬件的时间控制非常重要，合适的时间控制，让程序编写逻辑性更强，与硬件匹配度更高，无差错输出到硬件的机器语言更高效；合适的时间控制，让硬件动作更加流畅，避免运行报错、硬件运行不平稳或是无响应动作的情况，符合人类设计和审美需求。1.1"主动设计应激时间受限于硬件的应激反应灵敏性，开源硬件的应激时间的程序编写要充分考虑硬件极限参数和传输反应。如舵机的控制与时间模块的关系，舵机的控制涉及确定舵机应该停留在特定位置的时间长度，使用时间模块确定舵机何时应该开始移动、移动到特定位置后停留多长时间再移动到下一个位置。在开源硬件中，常规使用的舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5～2.5ms范围内的角度控制脉冲部分[1]，一般为0.22/60°或0.18/60°，当更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。因此，时间模块在舵机控制系统中起着重要作用，确保舵机按照预期的方式进行移动和停留。应激时间的实践测算，包括从传感器受激，到承担动作反馈的硬件反应的时间延时，再到完成预计划动作的时间间隔。再如DHT11温湿度传感器供电电压为3～5.5V，传感器上电后，要等待1s越过不稳定状态，在此期间无须发送任何指令。微处理器与DHT11之间的通信和同步，采用单总线数据格式，一次通信时间是4ms左右，温湿度传感器的初始响应时间是6～30s。在图形化编程过程中，单纯的信息显示采用间隔1s采集信息一次，通过循环语句的执行时让主控板与传感器之间有频率匹配的间歇，符合人性化的信息采集需求，也防止无时间控制干预下的硬件发热现象。1.2"有效预留等待时间根据具体的应用场景和需求，选择合适的时间库函数并结合硬件控制的需求进行编程，在程序中有时需要进行一些延时操作，如等待传感器稳定、执行某项功能后需要等待一段时间等。如掌控板在Mind+编程环境下，扩展导入网络模块连接到Wi-Fi网络，需要“等待直到”网络连接成功。在实践中，程序需要等待网络连接建立、传感器读数稳定后才能执行下一步操作。设置等待时间后，要确保程序正确地执行后续操作、访问所需网络资源。再如扩展导入物联网模块时，会出现需要“等待直到”的设置。在连接物联网设备时，要确保有足够的等待时间应对网络延迟或网络不稳定的情况，保障连接的顺利进行。一些物联网设备需要一定时间响应连接请求，因此，设置等待时间非常重要，不仅可以为建立连接提供额外的时间，确保在尝试连接之后给设备充分的响应时间，而且超时后，通过重试机制，可以多次持续尝试连接，直至成功建立连接。这样可以提高物联网应用程序的稳定性和可靠性，避免连接过程中的各种异常情况。此外，基于MQTT协议的物联网双向信息交流，发送消息也需要预留等待时间，否则会出现数据丢失或卡顿。在考虑硬件反应时间和真实环境中的不确定因素后，加入适当的时间等待控制，需要进行状态监测，掌握当前运行阶段。如基于ESP32和ESP8266的掌控板，在连接Wi-Fi网络或是物联网过程中，需要在屏幕上监督连接状态并跟踪动作运行实时情况。加入屏显信息内容，如“正在连接中……”“网络连接成功”等，通过实时交互显示设置，让用户能够及时了解当前状态，提前掌握操作反应情况，及时发现、排查异常问题。1.3"优化硬件编程的时间算法虽然计算机能快速完成运算处理，但开源硬件的计算处理能力相对有限，输入数据的规模和算法效率都会显著影响处理器资源。因此，为了确保程序能够高效运行，必须着重考虑算法效率。时间复杂度（评估执行程序所需的时间）和空间复杂度（评估执行程序所需的存储空间）是衡量算法效率的主要指标，决定了程序对处理器和计算机内存的使用程度。设计算法时，要先考虑系统环境，然后权衡时间复杂度和空间复杂度，选取一个平衡点。开源硬件的程序编写过程中，算法执行所耗费的时间不仅取决于算法本身的效率，还受到硬件反应时间、物联网等多方面因素的综合影响，需要通过实验操作进行测算，寻找更优化的算法。同时，算法执行所耗费的时间与算法中语句的执行次数成正比，特别是多重循环和函数嵌套调动等，会占用运行内存空间，影响硬件对各种资源（如处理器、内存等）的利用方式。优化算法可以提高开源硬件的性能，显著提升硬件的运行效率，进而更高效地执行任务。一些算法还可以帮助硬件在执行任务时降低功耗，这对于移动设备或电池供电的设备尤为重要。算法的设计应尽可能充分利用并行处理能力。对于多核处理器或GPU等硬件，合理的算法设计能够更有效地实现并行计算，显著提升运行效率。2"基于开源硬件的时间控制策略在基于开源硬件的算法设计和具体编程开始之前，要制定一个明确的计划，确定每个阶段需要完成的任务和相应的时间分配，保证整个编程时间控制在预定的时间框架内。通过优化编程代码，尽量减少循环和计算次数，提高程序的运行效率和响应速度。利用多线程技术，将不同的任务分配给不同的线程，实现并行处理，提高整体的反应速度。合理使用缓存减少数据的读取和写入次数，减少硬件访问的延迟。在适当的时机提前加载数据或进行必要的计算，减少实际需要响应的时间。编程过程中应定期进行时间管理的反思与调整，评估是否能够按计划完成工作。如果出现偏差，需要找到原因并调整时间控制策略。根据硬件的特性和性能需求，调整硬件的参数设置，如时钟频率、缓存大小等，从而获得更好的响应时间性能。2.1"软硬件匹配运行过程中的时间设置在开源硬件的算法设计中，通常会将软硬件配合与运行评价视为一个整体，实现紧密集成与协同工作，不能将它们视为相互独立的两个部分。紧密集成和配合让开源硬件在软件设计使用过程中具有更大的灵活性和定制性。首先，要了解硬件的性能指标，包括处理速度、存储容量、传输带宽等参数，这些指标直接影响程序的执行效率和响应速度；其次，要考虑硬件设备的传输反应时间，即数据输入和输出的延迟情况，以便在编写程序时进行合理的优化和预处理；最后，要预判硬件可能存在的故障和错误，设计相应的容错机制，及时处理异常情况并采取必要的应急措施。2.2"兼顾稳定性与运行效率确保硬件在长时间运行和重复使用中保持稳定和高效，首先，需要综合考量、分析硬件组件的质量、耐用性与散热能力等因素，避免程序编写和运行过程中受到意外因素的影响；其次，需要关注硬件与特定程序或编程语言的兼容性，包括对硬件接口、数据传输速率等方面的检验，确保在编写程序时可以顺利地与硬件进行交互和通信；再次，需要关注硬件在程序运行过程中对异常情况的处理能力，包括对输入错误、通信故障、传感器故障等情况的应对机制，保障程序稳定运行，并提供适当的错误提示和处理措施；最后，需要关注硬件在程序编写过程中的性能表现，进行必要的监测和优化，包括对硬件资源占用情况、功耗、响应速度等指标的评估和改进，确保程序能够在硬件上稳定、高效地运行。2.3"注重开源硬件效率的整体规划开源硬件在程序编写过程中，通过提供详尽的文档和丰富的示例代码，可以显著提升开发和调试的效率。如开源硬件社区提供了大量的资源和支持，可以帮助开发者快速解决问题并加快开发进度。开源硬件通常具有良好的兼容性，可以与多种开发环境和工具无缝集成，降低开发者在配置和适配硬件方面的时间投入。开源硬件具有的丰富功能模块和接口，可以通过简单的引用库或API快速实现复杂的功能，提高开发效率。此外，开发者社区可以为开发者提供宝贵的建议和指导，帮助开发者在编写程序时避免常见的错误和陷阱，节约调试和修改程序的时间，让开发者更专注于程序本身的逻辑和功能。注重开源硬件效率的整体规划，还需要从全局规划设计上明确项目目标与需求，清晰界定开源硬件的使用场景，确定硬件必须实现的功能和性能指标。如用于数据采集的开源硬件，要明确采集数据的类型（模拟量、数字量）、精度、采样频率等。遵循模块化编程思想，将程序按功能划分为独立模块，每个模块负责特定任务，如数据采集、数据处理、通信等，不仅可以提高代码可读性，还方便后续维护与功能扩展。针对数据处理任务，选择或设计高效算法，避免使用复杂度高、效率低的算法，以减少计算时间和资源消耗。3"时间控制在编程过程中的教育价值在编程中，时间控制是一项重要技能，涉及合理安排和管理任务的执行顺序与时间消耗，而这种时间控制逻辑在启发学生的计算思维中发挥着重要作用。在教学过程中应借助开源硬件的整体应用开发，让学生体验过程与控制的场景，验证解决问题的过程，并将所学迁移到其他问题的解决中，初步具备应用信息科技解决问题的能力[2]。3.1"理解抽象概念和培养逻辑思维时间控制要求学生在编程过程中明确各个任务的执行顺序，评估任务执行所需时间，并在程序中合理安排这些任务的执行顺序，考虑代码的执行顺序、时间间隔与事件触发时间，设计解决问题的方法和步骤的算法。这有助于培养学生的逻辑思维和对时间概念的抽象理解能力，让他们学会从整体上思考问题，分析任务之间的关联与依赖关系，将复杂的问题分解成简单的步骤，学会组织和表达清晰的思维，逐步提高逻辑推理能力，增强创造力。3.2"培养时间管理能力良好的时间管理能力可以帮助学生更好地平衡学业、社交活动和个人兴趣爱好。有效地管理时间能避免因时间压力而产生的焦虑和压力，摆脱焦虑情绪，有利于保持心理健康，提高学习效率。时间管理能力帮助学生养成自律和计划性的习惯，学会合理分配、安排时间和任务，能够培养学生的自律性和责任感，给任务设定清晰明确的目标和优先级，提高效率，确保在规定时间内完成工作。良好的时间管理能力对学生未来职业发展和生活至关重要。3.3"提高实践问题解决能力学生在处理时间控制问题的过程中需要应对各种问题的挑战有利于培养问题解决能力和创造性思维，思考如何利用时间控制来实现特定的功能和效果。通过将时间控制与硬件实际情况相结合，引导学生将编程应用于实际问题的解决和创新，培养实际应用能力和对技术的深入理解。时间控制要求在限定时间内高效完成任务，因此，学生不仅要具备分析问题和制定解决方案的能力，还要能将其转化为实际可运行的程序。在编程实践中，学生需要反复尝试、调整和优化时间控制设计，培养耐心、毅力和坚韧不拔的品质。此外，基于开源硬件算法设计中的