嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法的探索

戴燕玲

(廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江蘭溪，361024)

嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法的探索

戴燕玲

(廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江蘭溪，361024)

針對傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)與現(xiàn)實(shí)企業(yè)需求相脫節(jié)的問題，介紹一些嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和改進(jìn)方法，提出一些基于μC/OS-II和智能手機(jī)linux內(nèi)核的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目。

μC/OS-II；linux內(nèi)核；實(shí)踐教學(xué)

0 引言

操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，但又比較抽象難懂，實(shí)踐性又很強(qiáng)，而目前關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)又無法適應(yīng)時(shí)代的需求，學(xué)生也無法真正理解和掌握嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作原理，也就無法真正學(xué)好嵌入式系統(tǒng)。因此必須不斷更新現(xiàn)有的操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方法才能與時(shí)俱進(jìn)，緊跟時(shí)代潮流。

1 目前嵌入式操作系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及應(yīng)用在智能手機(jī)和平板電腦的Android、iOS等。

μC/OS-II占用空間少，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡單。linux則占用空間相對較大，實(shí)時(shí)性能一般，針對新處理器的移植相對復(fù)雜。但是，linux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)嵌了tcp/ip協(xié)議，對一些復(fù)雜的應(yīng)用，linux具有相當(dāng)優(yōu)勢。

操作系統(tǒng)的選擇是由嵌入式系統(tǒng)的需求決定的。簡單的說就是，小型控制系統(tǒng)可充分利用μC/OS-II小巧且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢，如果開發(fā)pda和互聯(lián)網(wǎng)連接終端等較為復(fù)雜的系統(tǒng)則linux是不錯的選擇。

2 實(shí)踐平臺的選擇

目前大多數(shù)高校，特別是高職院校開設(shè)的嵌入式實(shí)踐教學(xué)基本都是ARM試驗(yàn)箱之類的硬件平臺，實(shí)踐平臺單一，且只能開展一些低端實(shí)驗(yàn)，如：鍵盤、SD卡等驅(qū)動程序的編寫；基本繪圖、鍵盤、跑馬燈等應(yīng)用程序的編寫；以及串口通信等，這些實(shí)驗(yàn)學(xué)生缺乏興趣，且與實(shí)際嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用差距較大，跟不上時(shí)代潮流與發(fā)展，同時(shí)學(xué)生也缺乏對操作系統(tǒng)如μC/OS或linux內(nèi)核功能的理解，實(shí)踐教學(xué)效果不理想。

為了改變這一現(xiàn)狀，同時(shí)考慮到學(xué)生現(xiàn)有的知識水平和能力，可以讓學(xué)生從簡單的操作系統(tǒng)μC/OS-II入手。μC/OS-II作為一個多任務(wù)搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它只包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信和同步等基本功能，而輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)是需要額外獲取再整合的。μC/OS-II本身具有的良好的可擴(kuò)展性以及其結(jié)構(gòu)小巧和源碼開放的優(yōu)點(diǎn)，使μC/OS-II成為嵌入式學(xué)習(xí)中非常好的入門工具。在此基礎(chǔ)上再選擇Android手機(jī)的Linux內(nèi)核部分進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3 實(shí)踐內(nèi)容與教學(xué)方法的改革

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容可以從三個層次考慮。

（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)）

在ARM試驗(yàn)箱上完成鍵盤、USB、SD卡等簡單驅(qū)動程序的編寫并燒寫運(yùn)行，以及鍵盤、跑馬燈、基本繪圖等簡單應(yīng)用程序的編寫并燒寫運(yùn)行。

（2）綜合性實(shí)驗(yàn)

可以通過修改μC/OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼或者增加一些新的算法來實(shí)現(xiàn)新的功能的方法來實(shí)現(xiàn)。

也可以選取一般操作系統(tǒng)中常見的而μC/OS-II并 未采用的幾個典型算法，如進(jìn)程調(diào)度算法中除OS-II采用的優(yōu)先級算法外，還有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法、 短作業(yè)優(yōu)先算法、先到先服務(wù)算法等，讓學(xué)生在OS-II的框架下編程實(shí)現(xiàn)其中的某個算法并替換原 先μC/ OS-II中所采用的算法，通過實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來 檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，最終實(shí)現(xiàn)一個在某一方面有別 于μC/OS-II的小操作系統(tǒng)。

（3）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)）

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。，通過使用編譯 腳本大大簡化編譯步驟，實(shí)現(xiàn)“零基礎(chǔ)”新手快 速人門；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)。

②面向性能優(yōu)化的增強(qiáng)性設(shè)計(jì)。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)容來提高手機(jī)的運(yùn)行速度。

③面向功耗優(yōu)化的增強(qiáng)性設(shè)計(jì)。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(diǎn)就DVFS、 各個硬件模塊的低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)踐，增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間。

④面向安全性的增強(qiáng)性設(shè)計(jì)。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(jī)Root的原理，針對智能 手機(jī)的破解、解鎖、Root等技術(shù)。如增加智能手機(jī)語音解鎖功能；通過增加手機(jī)的硬件驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)手機(jī)丟失或被盜的報(bào)警功能等等。

⑤面向增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。該專題 主要介紹各種增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的技術(shù)，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。如，開發(fā)一個小型的聊天或交友APP，有別于現(xiàn)有的聊天工具QQ或微信，可以增加一些額外的功能，如更人性化的圖形界面，更方便快捷的視頻語音聊天等等。

⑥基于GitHub的操作系統(tǒng)內(nèi)核協(xié)同開發(fā) 實(shí)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(jī)Linux內(nèi)核開發(fā)也在GitHub上進(jìn)行。

4 結(jié)語

通過嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺和方法的改進(jìn)，通過具體的項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生可以更好的理解操作系統(tǒng)的抽象理論，掌握μC/OS-II的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和功能，理解智能手機(jī)linux內(nèi)核的源代碼以及內(nèi)核功能的實(shí)現(xiàn)原理，并通過對OS某些功能和算法的改進(jìn)和設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，這樣學(xué)生才能深入理解和學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)。

[1]康鴻雁.Linux在操作系統(tǒng)理論教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].信息系統(tǒng)工程，2010,1(7): 107-108.

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[3]王蘇峰，竇勇，陸洪毅，等.針對嵌入式實(shí)時(shí)編程的系統(tǒng)性教學(xué)方法探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2009(14): 54-56.

[4]姜余祥.嵌入式手機(jī)編程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008: 1-10.

Research on practice teaching method of Embedded Operating System

Dai Yanling
(Xiamen institute of software technology,Lanxi Zhejing,361024)

In view of the traditional practice teaching of embedded system and practical needs of enterprises in line with the problems, introduces some embedded operating system the content of practice teaching and puts forward some improvement methods, based on C/OS-II and intelligent mobile phone Linux kernel practice teaching content and project.

μC/OS-II ; linux kernel; practice teaching