談高職院校嵌入式教學中微處理器和操作系統(tǒng)的選擇

徐　亮

摘 要:嵌入式技術是當今最流行的一門新技術,有著十分廣闊的應用前景。目前,國內很多高職院校都在開設或計劃開設嵌入式課程,很多教師對于嵌入式教學中采用什么樣的微處理器,哪種嵌入式操作系統(tǒng)更適合高職院校教學方面還存在很多問題。本文針對兩種ARM芯片和兩種操作系統(tǒng)進行了比較,并給出一個優(yōu)化選擇,以供高職院校的教師們參考。

關鍵詞:ARM;μC/OS;Linux

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

嵌入式系統(tǒng)教學是一門新課,涉及電子、計算機、軟件等諸多專業(yè)學科,對授課老師要求較高,選擇合適的教學體系和實驗設備對教學的順利開展和保證教學質量至關重要。

從一些資料和高職院校反饋的信息來看,對嵌入式教學中采用何種微處理器以及哪種操作系統(tǒng),教師們還有疑問。作為一名高職院校教師,我認為在微處理器和操作系統(tǒng)的選擇上,ARM7處理器和μC/OS操作系統(tǒng)更適合教學使用。

1 微處理器的選擇

ARM(Advanced RISC Machines)即我們通常所說的ARM微處理器,已遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產品市場,基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。常用的ARM有ARM7和ARM9,兩者皆采用基于ARM7TDMI內核的三星S3C44B0芯片,該芯片是目前國內使用最廣的經典ARM芯片,非常適合教學;和ARM7相比,ARM9在性能方面有很大提高,但它更適合作為產品開發(fā)平臺,并不適合作為教學平臺。下面是筆者在性能、軟件、應用和功能四個方面對兩者的比較:

(1) 從硬件設計方面,ARM7的主頻在30MHz～100MHz左右,學生完全可以掌握其設計技術,而ARM9的主頻在100MHz～200MHz左右,屬高速設計,至少有3年以上經驗的硬件工程師才可能進行設計,一般學生很難掌握。

(2) 從軟件設計方面,在教學中采用源碼開發(fā)的操作系統(tǒng)已成為共識,ARM7資源緊湊,適合運行μC/OS和Linux等源碼開放的操作系統(tǒng),在教學中能夠充分體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)對資源、成本、可靠性有嚴格需要的特點;而ARM9是系統(tǒng)集成度更高的SOC,適合跑WinCE、Linux等高級操作系統(tǒng),用于教學是“大馬拉小車”,這樣使學生在設計時往往不關注資源、成本、可靠性的限制,就如同用一臺PC進行教學一樣,無法體現(xiàn)嵌入式教學的特點。

(3) 從應用方面,ARM7芯片價格比ARM9低得多,而且是目前嵌入式產品市場的主流,占90%以上,很多手機、小靈通等產品都是基于ARM7設計的。就如同目前單片機的開發(fā)與教學絕大多數采用51體系一樣,ARM7就是32位微處理器領域的51,至少有10年左右的生命力,這也如同單片機教學很少講16位的80186一樣。

(4) 從性能方面,嵌入式教學設備和PC不一樣,PC強調“性能”,而教學設備強調“功能”。設備是否高級,在于“功能”,而不在于“性能”。ARM9和ARM7的功能都很完備,但是前者的結構卻比后者復雜,因此ARM7比ARM9的使用更簡單,操作更方便。這就和現(xiàn)代“微機原理”、“計算機組成原理”、“單片機技術”等課程仍在使用4位、8位機,而不選用P4級CPU作為實驗案例是一個道理——因為4位、8位機作為教學工具已經足夠了,既容易理解,又能講清知識和問題。教學中著重要講的是知識和概念,而不是CPU的性能。

ARM7和ARM9的功能相似,但性能價格差異較大,無論從軟件設計還是從應用角度來看,我都認為選擇ARM7更適合教學使用。

2 操作系統(tǒng)的選擇

目前,國內嵌入式教學系統(tǒng)中用得較多的兩類操作系統(tǒng)是Linux和μC/OS。Linux非常熱門,而且是未來幾年的發(fā)展方向;μC/OS是專門為計算機的嵌入式應用設計的,絕大部分代碼是用C語言編寫的。μC/OS操作系統(tǒng)中的CPU硬件相關部分是用匯編語言編寫的,其總量約為200行,這部分匯編語言被壓縮到了最低限度,為的是便于移植到任何一種其他的CPU上。用戶只要有標準的ANSI的C交叉編譯器,有匯編器、連接器等軟件工具,就可以將μC/OS嵌入到開發(fā)的產品中。

在嵌入式系統(tǒng)的教學中,我認為μC/OS更適合,主要有以下三個方面的原因:

(1) 從常用的操作系統(tǒng)來看,當今桌面操作系統(tǒng)主流仍為Windows系統(tǒng),絕大多數老師和學生沒有或很少使用Linux,而且高職院校的?？粕A段也很少開設Linux相關課程。倘若開展ARM+Linux教學,教師和學生至少要有Linux應用經驗,因此教師就要在前期花很大精力講授Linux操作系統(tǒng)知識、ARM微處理器知識以及Linux下的編程與交叉編譯技術,學生在實驗中更要熟悉Linux開發(fā)環(huán)境,進行實際編程訓練等。把這么多內容都放在一門課上講解,很難保證教學質量。

(2) 從大多數專業(yè)的角度來看,μC/OS源代碼簡單經典,容易為學生學習和接受,在Windows環(huán)境下開發(fā),學生容易理解和學習。經過30~40學時的講解和實驗,學生能夠充分掌握嵌入式開發(fā)的要點,保證了教學效果。而在一些高職院校的專業(yè)計算機學院,Linux課程并沒有開設,其他專業(yè)更不會去研究其源代碼。

(3) 從二者的性能角度來看,μC/OS具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性能等特點,最小內核可編譯至2KB。μC/OS-II已經移植到了幾乎所有知名的CPU上。而Linux在這點上對硬件的要求要高于μC/OS,所以它并不適合嵌入式教學系統(tǒng)的使用。

3 小結

綜上所述,我認為高職院校在選擇嵌入式教學系統(tǒng)的微處理器和操作系統(tǒng)時,ARM7和μC/OS更合適。無論是選擇微處理器,還是操作系統(tǒng),我們都必須從學生的實際情況出發(fā),制定相應的教學計劃,選擇實驗設備,不能一味追求“高級”和“流行”,而忽略教學過程中最關鍵的要素:學生接受能力。應做到因材施教,因勢利導,才能達到最好的教學效果。

參考文獻:

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