基于NFS的嵌入式系統(tǒng)ARM實驗教學平臺設(shè)計

羅 勇, 李高杰

(鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

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基于NFS的嵌入式系統(tǒng)ARM實驗教學平臺設(shè)計

羅 勇, 李高杰

(鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

針對我國高校嵌入式實驗教學內(nèi)容簡單、與工程實際聯(lián)系少、重視演示忽略學生實際參與、實驗操作繁瑣等問題，提出了基于NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)ARM實驗教學平臺設(shè)計方案，構(gòu)建了基于單機和網(wǎng)絡兩種模式的新型嵌入式系統(tǒng)實驗教學平臺。實踐表明，該實驗平臺簡化了實驗操作過程，增加了實驗的靈活性，提高了學生動手能力，取得了較好的實驗教學效果。

嵌入式系統(tǒng)； ARM； 實驗教學平臺； NFS

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序組成[1-2]。它是將先進的計算機、控制、電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物[3]。嵌入式系統(tǒng)最主要的硬件體系架構(gòu)是ARM，自ARM推出開放式IP核以來，與片上集成SoC思想相對應，基于ARM的嵌入式應用正逐漸取得優(yōu)勢地位[4]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等新興技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)逐漸從裸機程序，向以嵌入式操作系統(tǒng)為核心，集成顯示、網(wǎng)卡、聲卡等相關(guān)硬件的專用計算機系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品日益豐富，結(jié)構(gòu)也日臻完善[5]。以Linux、WinCE等嵌入式操作系統(tǒng)為軟件核心的系統(tǒng)，與基于裸機的系統(tǒng)相比較，功能更強大，可靈活協(xié)調(diào)控制各類復雜硬件，開發(fā)周期短，編程方便，響應迅速，可并行處理多任務，程序具有良好的移植性，在移動通信、便攜醫(yī)療、工業(yè)控制、儀器儀表、智能家居等方面得到廣泛應用。嵌入式操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)高端應用中必不可少的重要組成部分。

隨著嵌入式系統(tǒng)應用范圍的不斷擴大，國內(nèi)高校開始逐步重視嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的教學活動，針對嵌入式系統(tǒng)開設(shè)了大量的相關(guān)課程，如微機原理、操作系統(tǒng)、數(shù)字/模擬電路技術(shù)、DSP、單片機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計等，同時將嵌入式系統(tǒng)作為高等學校電子類學科競賽的重要內(nèi)容[6]。但總體而言，由于嵌入式專業(yè)的發(fā)展歷程較短，在如何建設(shè)嵌入式專業(yè)方面還處于初期摸索階段[7]。

1 嵌入式實驗教學存在的問題

1.1 實驗內(nèi)容簡單與工程實際聯(lián)系少

嵌入式系統(tǒng)是理論和實踐相結(jié)合的課程，缺乏實驗的嵌入式系統(tǒng)課程是紙上談兵，因此除了理論知識外還需要學生掌握各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的實踐技能[8-10]。這就要求加強嵌入式系統(tǒng)實驗教學建設(shè)，結(jié)合大量的實驗操作來提高學生的工程實踐和動手能力，使得學生學習事半功倍，學以致用[11-12]。然而，與嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的實驗內(nèi)容少，實驗簡單且與工程實際聯(lián)系少，不能根據(jù)學生特點完成不同內(nèi)容和層次的實驗，恰恰是目前國內(nèi)高等院校在嵌入式教學方面普遍存在的問題[13]。

1.2 重視演示結(jié)果忽略學生實際參與

目前國內(nèi)高校有關(guān)嵌入式實驗教學多以驗證性實驗居多，過于注重結(jié)果，忽略了學生的實際參與程度。往往是實驗老師演示完操作流程后，學生按照實驗手冊機械被動地進行實驗操作，直接將老師編寫好的程序下載至實驗箱，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)。學生只是為了完成實驗任務，缺乏主觀設(shè)計和分析思考的過程，在鍛煉學生動手實踐能力方面收效欠佳。

1.3 嵌入式操作系統(tǒng)實驗繁瑣

由于嵌入式操作系統(tǒng)實驗教學需要以計算機和實驗箱為基礎(chǔ)，建立相應的交叉開發(fā)環(huán)境，在多種體系架構(gòu)的軟硬件平臺下進行數(shù)據(jù)交換和軟件開發(fā)，實驗準備時間長，操作也較為繁瑣。實驗時需要建立多個不同的操作系統(tǒng)環(huán)境，并且在不同的環(huán)境下分別進行系統(tǒng)配置、程序開發(fā)、軟件運行，同時還需要在不同的環(huán)境之間進行數(shù)據(jù)和文件的交換，增加了學生實驗的難度，使得嵌入式實驗難以達到理想的效果。

2 解決方案

針對以上在嵌入式系統(tǒng)實驗教學中存在的問題，本文利用網(wǎng)絡文件系統(tǒng)(Network File System,NFS)方式，提出了一種全新的嵌入式系統(tǒng)ARM實驗教學方案，該實驗方案分為單機模式和網(wǎng)絡聯(lián)機模式。

2.1 單機模式

2.1.1 開發(fā)環(huán)境

單機模式下，一臺計算機與一套ARM開發(fā)板組成一個學習單元，計算機運行Windows XP系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下使用VMware軟件創(chuàng)建一個虛擬機。虛擬機是一種嚴密隔離的軟件容器，它可以運行自己的操作系統(tǒng)和應用程序，就好像一臺物理計算機一樣[14]。在虛擬機中運行Linux的發(fā)行套件Fedora系統(tǒng)。XP系統(tǒng)與Fedora系統(tǒng)通過虛擬機軟件VMware建立的交換目錄進行文件交換。Fedora的虛擬網(wǎng)卡與XP系統(tǒng)的實際網(wǎng)卡橋接，保證兩個系統(tǒng)間的網(wǎng)絡互通。Fedora系統(tǒng)下建立了交叉編譯環(huán)境，學生在該單元下通過交叉編譯環(huán)境進行Linux引導程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)的編譯，以及驅(qū)動程序和界面應用程序的開發(fā)。

ARM開發(fā)板以ARM9架構(gòu)的S3C2440處理器為核心，具有USB、串口和網(wǎng)卡等通訊資源。其上安裝了嵌入式操作系統(tǒng)Linux，實驗所開發(fā)的嵌入式程序?qū)⒅苯釉陂_發(fā)板上運行。計算機與ARM開發(fā)板間經(jīng)USB線傳輸Linux引導程序、內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)。

計算機與ARM開發(fā)板之間通過串口通信線進行連接，用于計算機向開發(fā)板傳遞指令并返回執(zhí)行結(jié)果。minicom是計算機Fedora上串口通信的小工具，通過該工具可輸入相應指令對開發(fā)板的Linux系統(tǒng)進行操作，并實時觀測ARM開發(fā)板執(zhí)行結(jié)果。

計算機與ARM開發(fā)板之間通過網(wǎng)線連接，將計算機和ARM板的IP地址配置在同一網(wǎng)段即可實現(xiàn)相互之間的網(wǎng)絡通訊。在網(wǎng)絡通訊的基礎(chǔ)上，可進行NFS文件共享。整個單機模式開發(fā)環(huán)境如圖1所示。

圖1 NFS單機開發(fā)模式架構(gòu)圖

2.1.2 NFS實現(xiàn)

NFS是一種網(wǎng)絡文件的共享協(xié)議，是文件系統(tǒng)之上的一個網(wǎng)絡抽象，允許遠程客戶端以與本地文件系統(tǒng)類似的方式通過網(wǎng)絡進行訪問，可提供透明文件訪問以及文件傳輸。通過對NFS的支持，用戶可以很方便地在本地主機上操作遠程主機上的共享目錄[15]。NFS文件系統(tǒng)包括 NFS服務器和NFS客戶端。如圖1所示，NFS服務器管理著共享目錄，NFS客戶端管理著掛載目錄。當在客戶端訪問掛載目錄時，通過NFS服務可直接訪問服務器端的共享目錄。

在本方案的單機模式下，計算機與ARM開發(fā)板主要采用NFS的方法實現(xiàn)文件共享。計算機Fedora的NFS服務器管理共享目錄，ARM開發(fā)板Linux的NFS客戶端管理掛載目錄。當ARM開發(fā)板的掛載目錄通過NFS服務成功掛載到計算機Fedora的NFS共享目錄后，通過客戶端和服務器端的交互，可建立掛載目錄和共享目錄之間的直接映射關(guān)系，即可通過掛載目錄訪問共享目錄中的文件，而文件實際存放在共享目錄，不需要再通過其他方式拷貝到ARM開發(fā)板上。利用以上的NFS文件系統(tǒng)，可實現(xiàn)在開發(fā)板的嵌入式平臺直接運行計算機共享目錄中的目標文件。這將極大的方便目標文件的修改，以及調(diào)試工作，提高實驗及開發(fā)的效率。

對Fedora系統(tǒng)和ARM開發(fā)板進行如下配置即可開啟NFS服務功能：

(1) 以root身份登錄Fedora系統(tǒng)，在終端輸入/etc/init.d/iptables stop關(guān)閉防火墻；

(2) 在Fedora系統(tǒng)終端輸入gedit /etc/exports， 編輯文件exports，設(shè)置目錄root_nfs為共享目錄：/opt/EmbedSky/root_nfs *(rw,sync,no_root_squash)

(3) 在Fedora系統(tǒng)終端輸入命令gedit /etc/sysconfig/network-scripts-ifcfg-eth0，修改Fedora系統(tǒng)IP地址，使Windows XP、Fedora和ARM開發(fā)板的IP地址在同一網(wǎng)段內(nèi)；

(4) 在Fedora系統(tǒng)終端輸入/etc/init.d/network start命令開啟Fedora系統(tǒng)的NFS服務；

(5) 使用Fedora系統(tǒng)minicom工具進入ARM開發(fā)板，在ARM開發(fā)板的Linux系統(tǒng)新建空目錄作為掛載目錄；

(6) 在開發(fā)板輸入掛載命令：mount -t nfs 192.168.1.X:/opt/EmbedSky/root_nfs /nfs_client -o nolock，其中192.168.1.X為Fedora系統(tǒng)的IP地址。nfs_client為上述新建的空目錄。

完成上述配置后，即實現(xiàn)NFS的文件共享功能。在開發(fā)板Linux系統(tǒng)下訪問/nfs_client目錄，即可看到Fedora系統(tǒng)的NFS共享目錄/opt/EmbedSky/root_nfs中的所有文件，可實現(xiàn)共享目錄中的目標文件在開發(fā)板的嵌入式環(huán)境下直接運行。

嵌入式操作系統(tǒng)軟件開發(fā)時首先在計算機的Fedora系統(tǒng)中編寫程序并將其編譯成基于ARM體系架構(gòu)的目標文件。然后將編譯生成的目標文件拷貝至NFS服務器共享目錄，接著在Fedora下利用minicom進入ARM開發(fā)板的掛載目錄，掛載目錄利用NFS機制建立的直接映射可訪問NFS服務器共享目錄，從而實現(xiàn)在ARM開發(fā)板的嵌入式環(huán)境下直接運行共享目錄下的可執(zhí)行文件，即完成整個實驗開發(fā)過程。

該模式采用NFS的方式完成計算機與ARM開發(fā)板的文件共享，當源代碼需要進行反復修改和編譯的時候，可直接在計算機的共享目錄中進行交叉編譯。學生可利用mincom工具在ARM開發(fā)板上直接運行Fedaora系統(tǒng)NFS共享目錄的目標文件，而無需利用其他的方式將目標文件由計算機拷貝至ARM開發(fā)板，避免了源代碼反復修改導致的多次拷貝，提高了實驗效率，使實驗過程更加簡潔方便，易于學生接受。

2.2 網(wǎng)絡模式

網(wǎng)絡模式是單機模式的聯(lián)網(wǎng)擴展，主要由多個學習單元通過以太網(wǎng)連接構(gòu)成內(nèi)部實驗網(wǎng)絡，通過局域網(wǎng)交換機進行數(shù)據(jù)交換，交換機又經(jīng)路由器與校園網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)所有設(shè)備的外網(wǎng)通訊。同時，與單機模式類似，學生依然可通過網(wǎng)線采用NFS網(wǎng)絡文件方式，直接將計算機上編譯好的目標文件通過NFS文件共享方式在開發(fā)板上直接運行。由于NFS文件共享方式減少了文件拷貝的時間和操作，使用網(wǎng)線實現(xiàn)了程序的在線調(diào)試，顯著提高了軟件開發(fā)效率。

圖2 NFS網(wǎng)絡開發(fā)模式架構(gòu)圖

網(wǎng)絡模式將學習單元的計算機和ARM開發(fā)板分別進行了編號，并根據(jù)編號進行內(nèi)網(wǎng)IP地址的分配，以確保各個學習單元能夠正常的實現(xiàn)NFS文件共享。若某學習單元編號為X，可設(shè)置計算機Windows XP的IP地址為192.168.1.X，F(xiàn)edora系統(tǒng)的IP地址設(shè)置為192.168.1.(X+100)，ARM開發(fā)板的IP地址設(shè)置為192.168.1.(X+200)，以上所有設(shè)備的網(wǎng)關(guān)均設(shè)置為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。通過上述設(shè)置，可保證所有網(wǎng)絡設(shè)備處于同一局域網(wǎng)。另外，在路由器處設(shè)置其內(nèi)網(wǎng)地址為192.168.1.1，同時設(shè)置路由器外網(wǎng)地址為校園網(wǎng)的IP地址，從而實現(xiàn)整個局域網(wǎng)與校園網(wǎng)絡的連接。該局域網(wǎng)中還配置一個FTP服務器，用于學習資料的發(fā)布和共享。整個網(wǎng)絡IP地址規(guī)劃如下圖所示。

圖3 NFS網(wǎng)絡開發(fā)模式IP配置圖

通過該網(wǎng)絡模式的建立，節(jié)省了教師的實驗準備時間和學生的實驗程序開發(fā)時間。教師每次上課的時候在自己的學習單元進行嵌入式程序開發(fā)，然后學生可通過NFS掛載教師的計算機，運行教師開發(fā)的目標程序。另一方面，教師可通過NFS服務掛載不同的學生機器，運行學生的目標程序，對存在的問題進行檢查和指導?；贜FS網(wǎng)絡模式，可實現(xiàn)以上教與學兩方的緊密互動和交流，教師可迅速發(fā)現(xiàn)問題，學生可獲得實時指導，從而提高整個教學實驗的效果。

3 實驗效果

基于以上嵌入式實驗教學解決方案，作者在鄭州大學電氣工程學院建立了可供50名學生同時進行實驗的嵌入式系統(tǒng)ARM實驗室。實驗時，老師首先通過投影儀向?qū)W生演示實驗流程，然后讓學生通過NFS方式，進行程序的編寫、交叉編譯和運行。學生可在已有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進行自由擴充和發(fā)揮，獨自編寫新的程序，完成相應的實驗。期間學生可通過校園網(wǎng)連接Internet查找資料，實驗老師可通過NFS掛載方式實時訪問每個學生的機器，發(fā)現(xiàn)問題并有針對性的進行解答。

學生使用上述學習單元在老師的指導下完成了嵌入式交叉編譯環(huán)境的建立、QT Creator安裝使用、Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序和界面應用程序的開發(fā)等實驗，并在最后進行了“基于QT的LED燈控制”、“基于QT的按鍵計數(shù)”和“按鈕控制LED燈”三個綜合性實驗。通過以上實驗，增強了學生的動手實踐能力，加深了學生對嵌入式系統(tǒng)的理解。該實驗教學對學生自主設(shè)計能力和創(chuàng)新意識等方面均有提升，實驗效果明顯。

4 結(jié) 語

本文提出了一種新型的基于NFS的嵌入式系統(tǒng)ARM實驗教學平臺，將計算機、嵌入式開發(fā)板通過局域網(wǎng)連接，并以NFS模式進行軟件開發(fā)。該實驗教學方法已在鄭州大學電氣工程學院推廣應用，實踐結(jié)果表明，該方法節(jié)省了實驗準備時間，提高了學生的實驗效率和創(chuàng)新能力，加深了學生對嵌入式操作系統(tǒng)的理解，鍛煉了學生工程實踐能力和動手能力，從整體上提升了嵌入式實驗教學質(zhì)量，取得了令人較為滿意的效果。

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Design of ARM Experimental Teaching Platform of Embedded System Based on NFS

LUOYong，LIGao-jie

(Institute of Electrical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China)

Facing on the problems of the content simplicity, the lack of connecting to engineering practice, the emphasis on demo, the neglect of students’ participation of actual experiments, the operational complexity of embedded system experiments in universities, an ARM experimental teaching platform of embedded system is designed based on NFS. The new platform includes two modes: the single mode and the network mode. The practice of Zhengzhou University shows that the experimental platform simplifies the operation process, increases the flexibility of experiments, improves students’ practical skill, and obtains a favorable effect on the experimental teaching.

embedded system； ARM； experimental teaching platform； NFS

2015-01-16

鄭州大學研究生教育研究項目(YJSJY201434);鄭州大學教學改革研究項目(2014XJGLX053)

羅 勇(1977-)，男，湖南桃源人，博士，教授，碩士研究生導師，主要研究方向：檢測技術(shù)和智能儀表、單片機與嵌入式系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)，以及供應鏈管理和EPR等。

Tel.：13213019450；E-mail：luoyong@zzu.edu.cn

TP 393.09;G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0089-03