基于智能手機的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核教學(xué)

陸洪毅　王蘇峰　王志英

摘要：針對傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)實驗與現(xiàn)實產(chǎn)品脫節(jié)的問題，介紹在嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核實踐課程中進行課程內(nèi)容、教學(xué)過程改革的方法，提出一套基于智能手機教學(xué)實踐平臺的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；智能手機；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

0、引言

智能手機已經(jīng)走進千家萬戶，大部分人都配備了智能手機，針對智能手機的應(yīng)用開發(fā)發(fā)展也非常迅速。作為一種典型的嵌入式設(shè)備，智能手機不但具有較高的性能，而且成本較為低廉，在體積、重量、功耗、用戶體驗上有特殊的要求，非常適合作為嵌入式系統(tǒng)/嵌入式操作系統(tǒng)實踐教學(xué)的載體。

在國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)2012專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)方案中，我們針對專業(yè)學(xué)位研究生教育的特點，開設(shè)新的實踐類課程嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)實踐，利用智能手機作為實踐教學(xué)平臺，開展全新的實踐教學(xué)活動。

1、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)實踐課程的特點

目前，在各大院校、各個專業(yè)中開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)類課程主要分為3類，一類是嵌入式硬件（ARM或者單片機）相關(guān)課程，一類是嵌入式操作系統(tǒng)（嵌入式Linux、uC/OS-II）相關(guān)課程，另一類是嵌入式應(yīng)用開發(fā)相關(guān)課程。這些課程使用的硬件平臺大多是各類開發(fā)板和開發(fā)箱。這類硬件平臺的主要優(yōu)點是具有較強的可塑性、可根據(jù)實驗要求定制、具有豐富的外圍接口、能夠使用各種測量儀器進行測量等，但是使用這類硬件作為硬件平臺的主要問題就是學(xué)生缺乏興趣，硬件平臺性能較低，只能開展一些層次較低的實驗（如串口通信、流水燈、電子琴、電機驅(qū)動、數(shù)字鐘、硬件小游戲等），而且成本較高。特別需要指出的是，由于這類硬件平臺與真實智能手機系統(tǒng)差距較大，因此許多在硬件平臺上進行的實驗和改進的技術(shù)，不能直接應(yīng)用到現(xiàn)有的智能手機上。

結(jié)合國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生的特點及計算機教育的特長，我們以Android智能手機為平臺，開設(shè)了多門嵌入式類的實踐課程，包括嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)實踐、移動應(yīng)用開發(fā)實踐等，特別是嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)實踐課程，專注于智能手機Linux內(nèi)核開發(fā)實踐。該課程特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）專注Android手機的Linux內(nèi)核部分。Android是一個較大的系統(tǒng)框架，我們進行完整的教學(xué)需要花費很長時間，而且Android系統(tǒng)本身還在不斷快速發(fā)展，需要很多的知識和能力積累，為此，我們結(jié)合未來專業(yè)學(xué)位研究生就業(yè)的特點，選擇Android手機的Linux內(nèi)核部分進行教學(xué)實踐，既可以避開復(fù)雜的手機硬件，又可以增強實用性。

（2）實踐性強。傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)需要講解操作系統(tǒng)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)、各種經(jīng)典的操作系統(tǒng)構(gòu)件等，這些內(nèi)容非常繁雜，不容易講透，也不容易實踐。在該課程中，學(xué)生在第一堂課就要實際操作手機，在課程全過程中要不斷地在智能手機平臺上開展實踐，特別注重實踐性。

（3）實用性強。我們選用的智能手機平臺是主流的雙核1GHz、512MB智能手機，在其上進行的所有實驗，可以直接或者稍作修改就移植到新的智能手機系統(tǒng)中，具有很好的實用性。學(xué)生在將來就業(yè)時，可以直接利用課堂學(xué)習(xí)成果進行研發(fā)工作。

2、實踐平臺選擇及課程內(nèi)容設(shè)計

目前智能手機陣營主要分為蘋果的iOS陣營和谷歌的Android陣營。根據(jù)課程教學(xué)的需要，我們選擇開源的Android智能手機作為實踐平臺。在該課程中，最終選擇來自韓國LG的SU660手機作為實踐教學(xué)平臺，主要有如下幾個方面的原因。

（1）硬件開源、操作系統(tǒng)內(nèi)核開源。SU660可以在網(wǎng)上找到完整的手機電路原理圖，包括所有選用的硬件芯片參數(shù)、型號、PCB圖紙等，大部分選用的芯片可以找到數(shù)據(jù)手冊。操作系統(tǒng)內(nèi)核也在不斷更新，其最新版本的2.6.39.4內(nèi)核可以在官方網(wǎng)站上直接下載。這些為開展操作系統(tǒng)內(nèi)核的教學(xué)實踐奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）價格便宜。這是在課堂教學(xué)中大規(guī)模使用的前提，該手機的裸機價格約600元，大大低于各種高檔手機的價格，也大大低于各種高檔嵌入式開發(fā)板和開發(fā)箱的價格。

（3）性能配置較強。該手機是全球首款雙核手機，配置了雙核1GHz處理器、512MB內(nèi)存、4英寸顯示屏、16GB內(nèi)置閃存、豐富的傳感器等。學(xué)生對此類手機較為熟悉，容易接受。

（4）具有較大的用戶群。在國外著名的XDA網(wǎng)站上，有專門的版面討論該手機的Android開發(fā)等問題。對于具體問題，學(xué)生和教師都可以在網(wǎng)上進行研討并尋求答案。

在課程內(nèi)容的設(shè)計上，我們采用專題的方式，圍繞與智能手機息息相關(guān)的一些專題展開教學(xué)，具體內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）Linux內(nèi)核的定制、移植與編譯。該專題主要介紹Linux內(nèi)核開發(fā)的一般流程，包括如何定制內(nèi)核、編譯內(nèi)核和移植內(nèi)核的一般思路等。

（2）面向性能優(yōu)化的增強性設(shè)計。該專題主要圍繞如何提高CPU性能和I/O性能、如何評測系統(tǒng)性能等方面展開，還涉及超頻、I/O調(diào)度算法的選擇等內(nèi)容。

（3）面向功耗優(yōu)化的增強性設(shè)計。該專題主要圍繞如何降低系統(tǒng)的功耗展開，首先介紹系統(tǒng)中與電源管理相關(guān)的內(nèi)容，然后重點就DVFS、各個硬件模塊的低功耗設(shè)計進行實踐。

（4）面向安全性的增強性設(shè)計。該專題主要介紹Android、Linux、Bootloader等各個層次的安全性措施，智能手機Root的原理，針對智能手機的破解、解鎖、Root等技術(shù)。

（5）面向增強用戶體驗的設(shè)計優(yōu)化。該專題主要介紹各種增強用戶體驗的技術(shù)，如ProiectButter、未接來電提示燈、手電筒等，這些技術(shù)往往涉及特定的硬件驅(qū)動和內(nèi)核技術(shù)，具有一定難度。

（6）基于GitHub的操作系統(tǒng)內(nèi)核協(xié)同開發(fā)實踐。GitHub已經(jīng)成為開源軟件的集散地，其方便的協(xié)同開發(fā)功能吸引了全球的程序員共同完成應(yīng)用開發(fā)。很多手機Linux內(nèi)核開發(fā)也在GitHub上進行。

3、課程教學(xué)過程

作為一門實踐性課程，學(xué)生在課程伊始就需要在真實的手機上進行操作，通過簡單的燒寫系統(tǒng)更新手機系統(tǒng)，可以立刻體會到課堂內(nèi)容的趣味性，提升了學(xué)習(xí)興趣；然后，我們介紹基本的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核定制與編譯，通過使用編譯腳本大大簡化編譯步驟，實現(xiàn)“零基礎(chǔ)”新手快速入門；使用菜單化的內(nèi)核配置工具，讓學(xué)生了解內(nèi)核配置的方法和過程，不再畏懼“龐大”的操作系統(tǒng)。

在后續(xù)各個專題中，我們會突出實踐的趣味性和實用性。例如，在講解性能增強專題時，開展安兔兔跑分競賽，看誰的跑分高，同時根據(jù)跑分結(jié)果的不同介紹芯片工藝、批次不同帶來超頻能力不同的基本原理；在講解低功耗增強設(shè)計專題時，開展待機時間競賽，使用實驗室提供的高精度毫安級直流電源，精確計算每個學(xué)生降頻后手機的功耗，分析手機中各個硬件模塊帶來的功耗及其優(yōu)化方法；在安全性相關(guān)專題中，介紹利用內(nèi)核設(shè)備突破手機限制的方法，讓學(xué)生通過動態(tài)修改內(nèi)核，完成對手機的破解；在增強用戶體驗專題中，讓學(xué)生閱讀手機特定芯片數(shù)據(jù)手冊，設(shè)計出帶有亮度控制的手電筒；在協(xié)同設(shè)計專題中，學(xué)生在OitHub上注冊自己的賬號，然后將自己對內(nèi)核的修改提交到教師的代碼倉庫中，由教師審核，最后再進行代碼合并和提交。

另一方面，在課程的教學(xué)過程中，我們特別注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，從介紹一般性的方法人手，以案例為示范，以實踐來強化。例如，當發(fā)現(xiàn)手機出現(xiàn)某種奇怪的問題時，首先要通過adb查閱系統(tǒng)的dmesg日志，分析可能出現(xiàn)問題的硬件部件和驅(qū)動模塊，到Linux內(nèi)核代碼中找到相應(yīng)的源程序，通過printk等內(nèi)核調(diào)試手段，添加調(diào)試功能；然后再次燒寫手機固件并觀察故障，完成故障的定位，故障定位后還需深入研究故障的產(chǎn)生機理，制作相應(yīng)的補丁或者對程序進行修正；最后在手機上驗證所做工作的正確性和有效性。

在整個教學(xué)過程中，我們基本上在每個專題都設(shè)置了“找問題、打補丁”的實踐環(huán)節(jié)。正是這些實踐環(huán)節(jié)、讓學(xué)生一次次地重復(fù)發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的過程，強化了實踐動手能力，同時也加深了對Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的理解。

4、教學(xué)成果

通過一個學(xué)期的教學(xué)活動，課程教學(xué)取得顯著成果。大部分學(xué)生表示對課程內(nèi)容較為滿意、感興趣、學(xué)有收獲。典型的教學(xué)成果案例如下。

（1）某學(xué)生通過研讀手機電路圖，發(fā)現(xiàn)其上有處理器溫度傳感器，但是在操作系統(tǒng)內(nèi)核中并沒有該功能。該生通過添加相應(yīng)的硬件驅(qū)動，順利實現(xiàn)對該手機處理器溫度的監(jiān)控和報警功能。這一過程極大地強化了該生對軟硬件系統(tǒng)的理解。

（2）某本科物理專業(yè)的學(xué)生通過該課程初步掌握嵌入式系統(tǒng)，特別是嵌入式手機操作系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)和知識，能夠完成一些內(nèi)核應(yīng)用的開發(fā)。

（3）某學(xué)生通過閱讀Linux內(nèi)核代碼關(guān)于音頻解碼器部分驅(qū)動的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)官方提供代碼中的bug會導(dǎo)致通話中的語音問題，于是將該問題及解決方案發(fā)布到XDA論壇上，得到許多開發(fā)者的認可。

5、課程教學(xué)經(jīng)驗

雖然課程教學(xué)取得了一定成果，但也暴露出一些問題。

（1）學(xué)生水平參差不齊，施教困難。特別是作為專業(yè)學(xué)位研究生，其入學(xué)基礎(chǔ)就有較大不同，導(dǎo)致施教過程中進度控制較為困難。一些學(xué)生甚至不知道Linux，不會C語言，這些直接導(dǎo)致課程教學(xué)中的困難。我們只能要求這些學(xué)生在課后多補課，多學(xué)習(xí)，并且在課上給予額外輔導(dǎo)。

（2）計算機系統(tǒng)觀的培養(yǎng)不足。作為一種典型的計算機系統(tǒng)，智能手機并不是非常適合計算機系統(tǒng)觀培養(yǎng)的載體。作為實際商品，其不具備許多開發(fā)調(diào)試接口，學(xué)生很少接觸到硬件，也看不見信號，缺少對硬件的感性認識。所有的硬件知識只能來源于電路圖、芯片數(shù)據(jù)手冊和源代碼等。

（3）缺乏系統(tǒng)的教材。智能手機操作系統(tǒng)開發(fā)實踐有別于傳統(tǒng)的Linux內(nèi)核開發(fā)實踐，其在功耗、性能、用戶體驗、復(fù)雜性上都有很大區(qū)別。目前關(guān)于Android手機應(yīng)用開發(fā)的書籍很多，但是關(guān)于智能手機Linux內(nèi)核開發(fā)的書很少，我們只能依靠教師本身的工作經(jīng)驗進行實際指導(dǎo)。

（4）對教師自身要求較高。由于課程內(nèi)容涉及硬件、操作系統(tǒng)等方面，要求教師本身具有較廣的知識面，特別是在硬件、驅(qū)動程序上有較強的基礎(chǔ)，并且能夠緊跟智能手機發(fā)展的前沿，不斷補充知識，強化自身能力。

6、結(jié)語

將Android智能手機作為嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)實踐的平臺是一次大膽的嘗試，它與基于傳統(tǒng)的單片機、ARM、開發(fā)板、開發(fā)箱的實踐有很大不同，同時提供了非常廣闊的實踐內(nèi)容選擇空間。在這次教學(xué)過程中，智能手機體現(xiàn)了其作為實踐教學(xué)平臺的優(yōu)勢，對培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生的動手實踐能力具有良好的促進作用。