基于Proteus和uC/OS—II的嵌入式課程教學(xué)研究與實踐

李創(chuàng)?翁紹捷

摘要：“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”是自動化、測控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要講授嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。在以往的課程教學(xué)過程中，理論課和實驗課內(nèi)容之間脫節(jié)，容易出現(xiàn)教學(xué)效率低下、學(xué)生難以掌握和無法學(xué)以致用的情況。針對存在的問題，本文提出將基于Proteus和uC/OS-II的嵌入式仿真平臺引入到教學(xué)過程中，提出“理論講授—實驗驗證”并行展開的教學(xué)模式，通過“邊學(xué)邊用”的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，強(qiáng)調(diào)學(xué)生分析問題、解決問題能力的提高，強(qiáng)化設(shè)計技能訓(xùn)練。教學(xué)實踐表明，所設(shè)計的仿真平臺和提出的教學(xué)方法有效地提高了課程的教學(xué)效果和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用；Proteus；uC/OS-II；仿真平臺

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0154-03

“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”課程是高等教育院校電氣信息類專業(yè)一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有實踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的特點。[1，2]掌握該門課程內(nèi)容能有效地提高學(xué)生分析、解決問題的能力，增強(qiáng)實踐動手能力，也能培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和探索精神。但是根據(jù)多年的教學(xué)實踐和教學(xué)效果問卷調(diào)查結(jié)果反饋情況，學(xué)生普遍反映該課程知識點分散、指令集難記、嵌入式操作系統(tǒng)過于復(fù)雜、理論課內(nèi)容難以指導(dǎo)實驗課內(nèi)容、了解課程的重要性但不知道如何應(yīng)用等問題；而教師則反映在講授過程中較難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、理論課聽課率低、分組實驗效果不佳等問題。造成這種情況的原因有多個方面：“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”課程的課時數(shù)較少使得學(xué)生對課程內(nèi)容掌握不足，但更主要是由于課程實踐性強(qiáng)、實驗內(nèi)容和理論課內(nèi)容之間聯(lián)系不強(qiáng)所導(dǎo)致的。

為了改進(jìn)本課程的教學(xué)效果，使學(xué)生真正掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計技術(shù)，海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院進(jìn)行了長期摸索，開展“電工電子系列課程教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)”項目，利用英國Labcenter Electronics公司的Proteus軟件，搭建了基于Proteus和uC/OS-II的嵌入式仿真平臺，將其引入到課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中。經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐和教學(xué)效果調(diào)查，學(xué)生對教學(xué)效果反映良好，課程設(shè)計水平和動手能力得到了極大提高。

一、Proteus-uC/OS-II仿真平臺的設(shè)計

1.Proteus與uC/OS-II介紹

英國Labcenter Electronics公司推出的Proteus是一款硬件仿真EDA軟件Proteus的優(yōu)勢體現(xiàn)在虛擬系統(tǒng)建模（Virtual System Modelling，VSM）系統(tǒng)，支持基于ARM7、8051、PIC、AVR等系列微處理器的數(shù)字、模擬協(xié)同仿真，并支持源代碼級在線調(diào)試。[3]Proteus是一個完整的嵌入式軟、硬件設(shè)計仿真平臺，為開發(fā)真實的嵌入式系統(tǒng)提供了前期測試和驗證平臺。[4]

uC/OS-II是美國Jean J. Labrosse設(shè)計的輕量級嵌入式操作系統(tǒng)，是一個可移植、可裁剪的基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實時內(nèi)核，已經(jīng)移植到幾乎所有知名的微處理器上。uC/OS-II已經(jīng)通過聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證，主要采用ANSI-C編寫，源代碼量大約在6000-7000行，與CPU硬件相關(guān)部分采用匯編語言編寫，執(zhí)行效率高，占用ROM空間小。[5]uC/OS-II的上述特點使得其特別適用于嵌入式產(chǎn)品開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中。

2.Proteus-uC/OS-II仿真平臺的設(shè)計

針對“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”課程的全部知識點，筆者利用Proteus精心設(shè)計了基于NXP公司LPC2124處理器的仿真平臺，包括LCD接口（LM4229，240×120點陣）與ZLG/GUI移植、4×4鍵盤接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、I2C接口、、UART接口、SPI接口、外部中斷接口、GPIO接口（LED顯示）等典型外設(shè)接口。利用ARM公司的ADS 1.2和Keil uVision4 for ARM集成開發(fā)工具，采用“應(yīng)用程序-驅(qū)動程序-底層代碼”的自上而下的軟件結(jié)構(gòu)，將uC/OS-II操作系統(tǒng)移植到Proteus仿真平臺中，并對學(xué)生開放所有設(shè)計源代碼，方便課堂內(nèi)外講解和調(diào)試。Proteus仿真平臺的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

教學(xué)過程中使用的軟件版本具有8個功能，支持鍵盤對應(yīng)的數(shù)字鍵輸入和鍵盤的方向鍵選擇輸入。仿真平臺的8個功能如表1所示。功能設(shè)計的原則是幫助學(xué)生明確嵌入式系統(tǒng)設(shè)計“自上而下”的概念和體系，盡量將外設(shè)功能情況實時地通過LCD顯示和串口顯示，以直觀的方式說明處理器和外設(shè)運(yùn)行情況，加強(qiáng)教學(xué)的趣味性和實用性。

表1 仿真平臺功能

功能1：ADC轉(zhuǎn)換實驗 功能5：SPI接口數(shù)碼管實驗

功能2：I2C讀寫實驗 功能6：外部中斷實驗

功能3：GUI菜單、曲線繪制實驗 功能7：uC/OS-II統(tǒng)計功能實驗

功能4：UART讀寫與Shell實驗 功能8：uC/OS-II信號量、郵箱實驗

將uC/OS-II移植到Proteus仿真平臺，在軟件中創(chuàng)建4個任務(wù)：LED1顯示任務(wù)TaskLED1、LED3顯示任務(wù)TaskLED3、處理器休眠任務(wù)TaskPowerDown、鍵盤處理任務(wù)TaskKeyBoard。通過LED1和LED3指示操作系統(tǒng)運(yùn)行情況，在TaskPowerDown任務(wù)中對GUI界面進(jìn)行刷新和處理器低功耗操作，在TaskKeyBoard中掃描鍵盤動作，使用函數(shù)指針指向表1中的8個功能代碼入口地址，通過按鍵直接選擇任意功能進(jìn)行運(yùn)行。

仿真平臺正常運(yùn)行后，顯示如圖2所示的GUI界面和串口調(diào)試信息。

在軟件設(shè)計過程中，充分考慮了系統(tǒng)的軟硬件可擴(kuò)展性，提供給學(xué)生的軟件代碼書寫規(guī)范，函數(shù)和變量命名風(fēng)格統(tǒng)一，采用大量的宏定義（#define）和條件編譯，保證了硬件管腳接線變化時能方便地修改ARM處理器的GPIO管腳配置。

以LED1連接在P0.28引腳為例，采用如下代碼對LED1的連接和行為進(jìn)行描述：

#define LED1 28

#define LED1_ON（） IOCLR = 1<

#define LED1_OFF（） IOSET = 1<

連接LED1管腳的初始化代碼如下：

#if LED1 < 16

PINSEL0 &= ～（3<<（2*LED1））；

#else

PINSEL1 & =～（3<<（2*（LED1-16）））；

#endif

IO0DIR |= （1<

所有外設(shè)引腳均采用這種方式進(jìn)行初始化和行為描述，因此可以在TargetInit函數(shù)中僅對必要的外設(shè)（如串行口、RTC時鐘）進(jìn)行初始化，在各任務(wù)代碼中對使用的外設(shè)進(jìn)行獨立的初始化。這種代碼風(fēng)格符合學(xué)生的使用習(xí)慣和教學(xué)實際需要，無需在多個*.c文件之間來回進(jìn)行函數(shù)查找和代碼修改。

二、Proteus-uC/OS-II仿真平臺在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”課程的核心體現(xiàn)在硬件和軟件的結(jié)合上。但傳統(tǒng)的理論教學(xué)中，ARM7TDMI處理器架構(gòu)和RISC指令集是教學(xué)的重點和難點，這部分內(nèi)容一般安排在外設(shè)接口和操作系統(tǒng)教學(xué)之前；而實驗教學(xué)一般以點亮一個LED開始，按照GPIO、串行口、定時器、外部中斷的順序講授ARM處理器的內(nèi)部寄存器。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，處理器架構(gòu)和指令集內(nèi)容過于抽象，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，造成教學(xué)進(jìn)度緩慢、學(xué)生對知識點掌握不到位等情況，極大地影響了課堂教學(xué)效果和實驗效果。

1.基于仿真平臺的嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)

筆者將設(shè)計的Proteus-uC/OS-II仿真平臺引入到教學(xué)中，從操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制、實現(xiàn)原理上進(jìn)行宏觀講解，然后對應(yīng)用軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解介紹，最后深入到操作系統(tǒng)源代碼和ARM移植代碼的分析和講解。這種教學(xué)方式完整地覆蓋了嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的流程和理論知識點，也能讓學(xué)生在入門階段形成“自上而下”的設(shè)計思路，徹底擺脫傳統(tǒng)的“前-后臺”設(shè)計思想的限制，對嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式處理器的架構(gòu)和內(nèi)部狀態(tài)寄存器集有更深刻的了解，為以后從事嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

uC/OS-II是輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，其源代碼僅有7000行左右，在裁剪了郵箱、隊列、信號量等功能后，OS_Core.c和OS_task.c文件源代碼結(jié)構(gòu)清晰，特別適合在教學(xué)中進(jìn)行源代碼級分析。OS_TCB鏈表結(jié)構(gòu)和最低優(yōu)先級查找算法是uC/OS-II的精華知識點，對后續(xù)學(xué)習(xí)信號量、郵箱、互斥等鏈表結(jié)構(gòu)具有舉一反三的作用。下面詳細(xì)列舉基于LED1和LED3任務(wù)的uC/OS-II任務(wù)切換教學(xué)過程：

在TaskStart任務(wù)中創(chuàng)建TaskLED1和TaskLED3任務(wù)，要求LED1每秒閃爍一次，LED3每秒閃爍5次。因此，需要分別在TaskLED1和TaskLED3中分別調(diào)用OSTimeDlyHMSM（0，0，1，0）和OSTimeDlyHMSM（0，0，0，50），使得任務(wù)延時并交出CPU控制權(quán)。在教學(xué)中，依次分析OSInit、OSTaskCreate和OSStart的源代碼，根據(jù)鏈表斷開和插入操作，對OSTCBCur、OSTCBFreeList、OSTCBHighRdy和OSTCBList四個指針的內(nèi)容進(jìn)行討論，使學(xué)生掌握操作系統(tǒng)在建立用戶任務(wù)后OSTCBTbl數(shù)組的鏈表結(jié)構(gòu)。同時，在建立用戶任務(wù)TaskLED1和TaskLED3的過程中，對OS_core.c的任務(wù)就緒表OSRdyTbl、映射表OSMapTbl的內(nèi)容變化進(jìn)行分析，掌握uC/OS-II優(yōu)先級查表算法“以空間換處理時間”的核心思想。在理論課教學(xué)中，首先通過源代碼和流程圖分析，使得學(xué)生對uC/OS-II的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有一個初步了解，然后在Proteus平臺，通過Keil uVision4的聯(lián)調(diào)方式，以單步運(yùn)行的方式，結(jié)合軟件流程圖走向，在Keil中觀察相關(guān)變量的內(nèi)容變化，學(xué)生就能比較容易地掌握uC/OS-II的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和任務(wù)級任務(wù)切換的概念。在這個過程中所涉及到的軟件中斷、定時器中斷等內(nèi)容則在后續(xù)理論課程中進(jìn)行講授。

2.基于仿真平臺的外設(shè)接口知識點教學(xué)

在學(xué)生從應(yīng)用的角度，掌握了uC/OS-II的任務(wù)創(chuàng)建、信號量等知識點之后，進(jìn)入到ARM處理器外設(shè)接口的知識點學(xué)習(xí)階段。在課堂教學(xué)中，對于表1中所列的功能1-功能6的各外設(shè)功能，按照GPIO、UART、定時器、I2C、SPI、外部中斷的知識點順序在課堂上講解ARM處理器的內(nèi)部寄存器和對應(yīng)的功能。利用Proteus仿真平臺中的Debug功能和Keil的聯(lián)調(diào)功能，實時查看不同配置時相關(guān)外設(shè)寄存器的內(nèi)容，對仿真效果進(jìn)行在線分析和調(diào)試，加深學(xué)生對外設(shè)寄存器的理解。

3.基于仿真平臺的ARM處理器底層結(jié)構(gòu)知識點教學(xué)

在獨立講授Proteus-uC/OS-II仿真平臺的功能1 – 功能8之后，進(jìn)入到uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植代碼部分。這部分知識點與ARM7TDMI處理器架構(gòu)和RISC指令集密切相關(guān)。通過在課堂上依次講授ARM處理器啟動代碼、OS_cpu_a.s、OS_cpu_a.c源代碼分析和軟件中斷等內(nèi)容。以中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw的講授過程為例：

OS_TASK_SW是任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)，引起0x00號軟中斷，并最終會跳轉(zhuǎn)到OSIntCtxSw執(zhí)行，OSIntCtxSw也是中斷級任務(wù)切換函數(shù)的入口地址。對OSIntCtxSw的理解，實際上是要理解各個任務(wù)的堆棧設(shè)置。一個任務(wù)正常運(yùn)行，是運(yùn)行在user模式下，根據(jù)ARM7的體系結(jié)構(gòu)，user模式的所有寄存器和system模式下的所有寄存器使用同一個物理地址。其他模式R13，R14不同物理地址，F(xiàn)IQ模式R8-R14不同物理地址。其他模式相比user/sys模式，多一個SPSR寄存器，用于保存發(fā)生中斷時的CPSR的備份。因此，當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換，需要保存當(dāng)前任務(wù)的所有寄存器，即R0-R14。

利用Keil軟件的聯(lián)調(diào)功能，對uC/OS-II的啟動過程、任務(wù)級任務(wù)切換和中斷級任務(wù)切換等過程在Proteus仿真平臺進(jìn)行單步Debug調(diào)試，配合ARM處理器內(nèi)部寄存器的內(nèi)容加深對指令集和處理器架構(gòu)的理解。

4.基于仿真平臺的現(xiàn)場教學(xué)實踐

在教學(xué)準(zhǔn)備階段，教師事先根據(jù)知識點準(zhǔn)備好Proteus仿真模型，課堂上講解完相關(guān)知識點后，對Proteus仿真結(jié)果進(jìn)行分析，學(xué)生結(jié)合串行口顯示、LCD顯示和內(nèi)部寄存器內(nèi)容，可以看到真實的運(yùn)行現(xiàn)象和結(jié)果，增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性、生動性和趣味性。

目前，高年級的學(xué)生均擁有筆記本電腦，可以要求學(xué)生將電腦帶進(jìn)課堂，利用Proteus軟件與教師同步運(yùn)行仿真平臺，觀察ARM處理器的內(nèi)部寄存器、存儲器和變量的內(nèi)容變化，觀察外設(shè)電路的工作狀態(tài)。此外，在課堂上教師可以提供一些具有典型錯誤的代碼，采用啟發(fā)式和自主式的方式，要求學(xué)生在課堂上修改源代碼和調(diào)試，加深對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的理解。通過在課堂上現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生對實例進(jìn)行修改、編程和調(diào)試，觀察仿真運(yùn)行情況，使學(xué)生及時理解相關(guān)知識點，領(lǐng)會抽象和復(fù)雜的概念，積累軟硬件設(shè)計、調(diào)試的經(jīng)驗，達(dá)到“學(xué)以致用”的目的。

由于理論課程時間相對較短，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需要開發(fā)者擁有一定的經(jīng)驗和投入大量的時間，而學(xué)生獨立開展設(shè)計工作的能力相對較弱，為了使得學(xué)生充分體驗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程，筆者對課程設(shè)計進(jìn)行了精心準(zhǔn)備和選題，選取軟硬件兼顧、工作量的題目，要求學(xué)生在課余時間完成Proteus仿真，如基于GPRS Modem的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、直流電機(jī)控制系統(tǒng)等。在學(xué)期期中階段開始課程設(shè)計準(zhǔn)備工作和指導(dǎo)工作，定期跟蹤設(shè)計進(jìn)度，要求學(xué)生在期末階段完成Proteus仿真模型和軟件設(shè)計；對于部分動手能力較強(qiáng)的學(xué)生，則要求完成印刷電路板作品，體會Proteus仿真模型和實際軟硬件開發(fā)的不同，總結(jié)模型與真實電路的差異，將Proteus作為輔助設(shè)計工具和前期調(diào)試驗證工具。

三、結(jié)束語

筆者將Proteus-uC/OS-II仿真平臺應(yīng)用于“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”課程的理論教學(xué)中，采用“操作系統(tǒng)-外設(shè)接口-底層結(jié)構(gòu)”的自上而下的體系結(jié)構(gòu)對課程的理論知識點進(jìn)行了分解，通過課堂演示和課堂內(nèi)調(diào)試，使學(xué)生及時有效地掌握相關(guān)知識點。在課程的期中階段，開展基于Proteus的課程設(shè)計，使學(xué)生深刻體會嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的全過程，同時認(rèn)識到Proteus仿真模型和實際電路的區(qū)別，在實際應(yīng)用中積累設(shè)計經(jīng)驗和調(diào)試經(jīng)驗。通過近兩年將Proteus-uC/OS-II仿真平臺引入到《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》教學(xué)全過程的實踐，學(xué)生普遍反映該課程趣味性高，有利于學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的提高。在教學(xué)過程中，有部分同學(xué)借助將筆者提供的仿真平臺，自行購買元器件，使用印刷電路板對仿真平臺進(jìn)行了實現(xiàn)，也有部分學(xué)生將該仿真平臺在其他ARM開發(fā)板上進(jìn)行了實現(xiàn)。借助于Proteus-uC/OS-II仿真平臺，學(xué)生在各種電子大賽，智能車、創(chuàng)新課題和畢業(yè)設(shè)計中取得了優(yōu)異的成績。

參考文獻(xiàn)：

[1]李春光，謝光前.以項目為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)研究[J].中國電力教育，2014，（4）：183-184.

[2]錢誠，彭馨馨.計算機(jī)應(yīng)用專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)探討[J].中國電力教育，2014，（8）：144-145.

[3]陳知紅，王錦蘭.Proteus 仿真軟件在電工學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（2）：93-95.

[4]張?zhí)m紅，陸廣平.基于 Proteus 仿真的單片機(jī)教學(xué)的研究與實踐[J].中國電力教育，2014，（5）：76-77.

[5]邵貝貝.嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

（責(zé)任編輯：劉麗娜）