操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的融合探索

宮曉利+徐浩聰+張金+盧冶+劉哲理

（南開大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，天津 300350）

摘 要：分析目前操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)課程的實驗教學(xué)過程中的問題與挑戰(zhàn)，闡述兩個課程各自特點以及知識的綜合運用，提出以開源平臺為基礎(chǔ)同時結(jié)合配套設(shè)施資源的新型教學(xué)模式，說明具體教學(xué)改革方法。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；實驗教學(xué)；開源平臺；Tizen

0 引 言

操作系統(tǒng)課程是計算機(jī)學(xué)科的核心專業(yè)課之一[1]。操作系統(tǒng)中知識的學(xué)習(xí)兼具理論理解與實踐運用，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他課程的基礎(chǔ)，在計算機(jī)專業(yè)教學(xué)中占有舉足輕重的地位[2]。由于操作系統(tǒng)的概念抽象，涉及的代碼量巨大且難以理解；在教學(xué)時間上處于三年級上學(xué)期，學(xué)生的編程開發(fā)經(jīng)驗不足，增加了教學(xué)的難度。

嵌入式系統(tǒng)是一門集軟硬件技術(shù)于一體，涉及集成電路、計算機(jī)技術(shù)、自動控制等多種知識的綜合課程。自21世紀(jì)初進(jìn)入我國高校的教學(xué)體系以來，隨著產(chǎn)業(yè)界的不斷發(fā)展課程內(nèi)容日漸豐富，成為計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門重要課程。由于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計強(qiáng)調(diào)以“應(yīng)用”為中心和導(dǎo)向，注重與產(chǎn)業(yè)結(jié)合以及在工程實踐中的應(yīng)用，這使得教學(xué)過程中存在理論性不足的問題，在實踐教學(xué)中更容易變成按部就班的驗證性實驗，或是某商業(yè)產(chǎn)品的展示與應(yīng)用。

將兩門課程的內(nèi)容銜接，特別是在實驗教學(xué)中進(jìn)行內(nèi)容的調(diào)整融合，能夠提高教學(xué)過程的系統(tǒng)性和連貫性。嵌入式系統(tǒng)中涉及硬件原理、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用軟件等多個組成部分，教學(xué)環(huán)節(jié)中要完成每部分知識的原理分析和系統(tǒng)驗證，課時相對緊張。將操作系統(tǒng)實驗課程的內(nèi)容與之融合關(guān)聯(lián)，既為操作系統(tǒng)中的原理找到了實踐驗證環(huán)境，又為嵌入式系統(tǒng)的實驗課程補(bǔ)充了原理分析環(huán)節(jié)。

為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，讓學(xué)生對各類概念的理解達(dá)到融會貫通，在教學(xué)過程中往往建立一套系統(tǒng)的課程體系，操作系統(tǒng)作為先導(dǎo)必修課，后續(xù)配套 Unix/Linux 操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)原理等專業(yè)選修課，并且每門課程都配有相應(yīng)的實驗實踐教學(xué)。

1 操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的新挑戰(zhàn)

嵌入式系統(tǒng)、移動云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用，拓展了操作系統(tǒng)的范圍。學(xué)生日常生活中使用的智能設(shè)備增多，不再局限于普通 PC 機(jī)的使用。依據(jù) PC機(jī)的使用方式建立的漸進(jìn)式學(xué)習(xí)方法需要隨之相應(yīng)擴(kuò)充。操作系統(tǒng)的形式發(fā)生變化的同時，其內(nèi)涵也隨之發(fā)生一些變化?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)中，對進(jìn)程、調(diào)度算法等概念的探討相對弱化，而增強(qiáng)了對于外設(shè)、交互、實時性、能耗管理等方面的設(shè)計要求，這些新特性需要給學(xué)生形成清晰的認(rèn)識和直觀的感受。計算機(jī)操作系統(tǒng)作為計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，應(yīng)沿著計算機(jī)產(chǎn)業(yè)走向，緊密結(jié)合最新技術(shù)，充實其教學(xué)內(nèi)容[3]。

商業(yè)化產(chǎn)品宣傳中使用的概念與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在偏差。智能手機(jī)、平板電腦等產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速。在商業(yè)化宣傳中，處理器核心、硬件平臺、操作系統(tǒng)、應(yīng)用界面等概念往往被混淆使用。這些商業(yè)產(chǎn)品以及配套軟件開發(fā)的盛行，也使一部分學(xué)生對于嵌入式系統(tǒng)的理解局限于智能手機(jī)，而對于嵌入式軟件的理解也局限于移動應(yīng)用軟件。嵌入式系統(tǒng)需要設(shè)計與產(chǎn)業(yè)結(jié)合的教學(xué)案例，更需要透過現(xiàn)象看本質(zhì)，從技術(shù)和機(jī)理層面進(jìn)行分析，并且與所學(xué)的基礎(chǔ)課程和理論知識相對應(yīng)，因而能夠加深理解。

人才需求轉(zhuǎn)向?qū)σ延邢到y(tǒng)框架的理解、定制和二次開發(fā)。隨著產(chǎn)業(yè)環(huán)境的完善，人才需求不斷擴(kuò)大。對操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)要求不再滿足于對原理的認(rèn)知和簡單應(yīng)用，但也不需要從零開始獨立構(gòu)建一個完整的系統(tǒng)，而是需要在現(xiàn)有項目的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品化定制和二次開發(fā)，特別是在開源軟件項目的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。這需要學(xué)生在實際動手能力方面能夠了解開源軟件的管理方法，掌握資源獲取和使用的方法，在實踐中學(xué)會主流開源系統(tǒng)的原理、開發(fā)和部署的基本方法等。

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)實踐教學(xué)偏重局部的理論分析和簡單模擬，而嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)則側(cè)重應(yīng)用導(dǎo)向，缺少原理分析。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)實驗教學(xué)為了強(qiáng)化原理性驗證，大多通過局部模擬的方式，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，缺少與實際使用的結(jié)合，使得很多算法和流程雖然經(jīng)過實踐仍然只能停留在概念狀態(tài)，缺少與實際使用系統(tǒng)的直接聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生興趣降低。嵌入式系統(tǒng)的實驗教學(xué)中，往往又將操作系統(tǒng)作為黑盒處理，進(jìn)行簡單定制或是直接使用。學(xué)生可以完成部署和驗證，但仍然“不知其所以然”，沒有收到應(yīng)有的教學(xué)效果。

2 教學(xué)平臺選型

在綜合考慮學(xué)時、課程設(shè)置和教具使用等多種因素的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)原有實踐課程體系保留并適度壓縮，并通過擴(kuò)展實驗進(jìn)行銜接。其中，操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識環(huán)節(jié)借鑒美國麻省理工大學(xué)使用的原型操作系統(tǒng) jos 的課程實驗，并對其進(jìn)行相應(yīng)的簡化，讓學(xué)生完成對操作系統(tǒng)基本原理的理解與驗證。嵌入式系統(tǒng)的實驗使用基于uCLinux 操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)板進(jìn)行車載控制系統(tǒng)的模擬與開發(fā)，這里引入的擴(kuò)展實驗使用目前在部分智能移動產(chǎn)品中使用的Tizen操作系統(tǒng)平臺，并在對該平臺的移植部署過程中加入對操作系統(tǒng)各環(huán)節(jié)和運行狀態(tài)的分析，通過直觀感受提升學(xué)生的興趣。

實驗中使用Tizen開源系統(tǒng)為目標(biāo)軟件平臺。Tizen是由 LiMo Foundation 和 Linux Foundation 兩個開源 Linux 聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布，由三星電子、英特爾等產(chǎn)業(yè)巨頭共同開發(fā)的一套完全開源的軟件環(huán)境[4]，能夠提供對手機(jī)、平板電腦、車載電腦、智能家電等多種設(shè)備的支持。軟件體系中包含引層、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序、開發(fā)工具等多種資源，可以獲得平臺的全部源代碼，并配套有相應(yīng)的開發(fā)文檔的開發(fā)者社區(qū)，也有眾多大學(xué)參與其中，提供了豐富的教學(xué)資源。Tizen 中選用的操作系統(tǒng)內(nèi)核是 Linux，在操作系統(tǒng)的課程講授中已進(jìn)行了針對性的原理分析和代碼解讀；Tizen 的應(yīng)用程序框架基本使用 C/C++編程語言實現(xiàn)，與學(xué)生所掌握的前繼編程基礎(chǔ)更加契合，這些都降低了學(xué)習(xí)的難度。

以O(shè)droid-U3為實踐教學(xué)的目標(biāo)硬件平臺。Odroid-U3是由Hardkernel公司設(shè)計的基于Samsung Exynos4412處理器的開發(fā)板，具有4個Cortex-A9架構(gòu)的處理器核心，1.7GHz主 頻，2G內(nèi)存，并通過線纜外接的方式集成了顯示屏、觸摸屏、WiFi、藍(lán)牙等外設(shè)，能夠模擬主流的平板電腦、智能電視等設(shè)備。通過開發(fā)板的拆裝使用，使學(xué)生了解日常使用的智能設(shè)備的模塊組成和工作原理，并通過實驗課程完成對該設(shè)備的啟動、定制和后續(xù)開發(fā)。因為開發(fā)板的形式和功能與學(xué)生日常使用的智能設(shè)備類似，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并形成系統(tǒng)的認(rèn)知，改善了單純使用模擬器的抽象教學(xué)方法。作為實踐操作的目標(biāo)平臺，目前教學(xué)小組已成功完成Tizen到 Odroid-U3 開發(fā)板移植工作，并準(zhǔn)備了完整的移植過程分析資料和教學(xué)案例。

3 實踐教學(xué)設(shè)計

實驗在整個操作系統(tǒng)教學(xué)過程中舉足輕重，也是加深學(xué)生概念、原理理解，反映學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié)[2]。實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，作為課堂教學(xué)和作業(yè)的補(bǔ)充，主要用于完成理論知識和抽象概念與開發(fā)應(yīng)用實戰(zhàn)的對接。在實驗設(shè)計中，主要體現(xiàn)系統(tǒng)性較強(qiáng)的啟動、進(jìn)程管理、資源管理、文件系統(tǒng)等知識環(huán)節(jié)，并通過完成Tizen在目標(biāo)開發(fā)板上的移植進(jìn)行實踐。通過對其中關(guān)鍵部分代碼的閱讀、分析、補(bǔ)全、重構(gòu)等任務(wù)，加深知識理解和綜合運用， 同時理解并掌握開源軟件的開發(fā)管理模式。經(jīng)過對實驗內(nèi)容的反復(fù)調(diào)整，與學(xué)生溝通反饋， 現(xiàn)在實驗內(nèi)容已基本穩(wěn)定。

3.1 環(huán)境搭建和版本管理工具的使用

熟悉開發(fā)環(huán)境并完成實驗環(huán)境中的工具安裝部署，掌握其使用方法。本部分課程主要學(xué)習(xí)對開源軟件管理和發(fā)布方法的學(xué)習(xí)，對版本管理的認(rèn)識和對版本管理工具的使用。培養(yǎng)學(xué)生懂得如何獲取開源軟件成為參考資源，掌握閱讀開源代碼的方法，學(xué)會代碼版本管理的方法和原則，這是軟件工程開發(fā)中至關(guān)重要的規(guī)范化思想。Tizen 開源項目有多個子項目，多個版本分支共同管理和流轉(zhuǎn)，并按照特定的結(jié)點發(fā)布與錯誤修正，是非常有代表性的軟件工程項目管理的案例，可以加深學(xué)生的實踐體驗。

3.2 引導(dǎo)過程分析

截取引導(dǎo)程序片段，通過匯編語言編程實現(xiàn)對硬件的簡易控制；通過對簡易引導(dǎo)程序的分析和修改，實現(xiàn)對Tizen內(nèi)核的引導(dǎo)；分析bootloader代碼，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過程，并加深對內(nèi)存空間管理、處理器模式轉(zhuǎn)換、MMU等關(guān)鍵技術(shù)的理解。本部分實驗內(nèi)容需要先進(jìn)行簡單的ARM硬件知識和ARM匯編指令的學(xué)習(xí)，同時簡單擴(kuò)展關(guān)于可信計算與Trustzone硬件可信模塊技術(shù)，開闊學(xué)生視野。

3.3 Tizen系統(tǒng)編譯、分區(qū)管理與內(nèi)容部署

介紹Tizen系統(tǒng)的整體編譯管理框架，了解產(chǎn)品描述配置文件、多設(shè)備兼容代碼管理、源代碼間的依賴關(guān)系、腳本處理方法等產(chǎn)品級代碼管理方法。通過對Tizen中涉及的各類程序和資源文件的分配，設(shè)計并完成對Tizen的系統(tǒng)存儲分區(qū)和內(nèi)容部署，學(xué)習(xí)不同文件系統(tǒng)之間的差異和操作系統(tǒng)中對不同文件系統(tǒng)的初始化和兼容加載方法，學(xué)習(xí)各類進(jìn)程對存儲的使用方法。由于Tizen平臺源代碼編譯耗時約 4 小時，考慮到課程時間問題，僅對Tizen的平臺管理和軟件工具進(jìn)行原理講解和分析，并將編譯結(jié)果供學(xué)生下載用于完成部署實驗。

3.4 系統(tǒng)初始化流程分析

分析操作系統(tǒng)內(nèi)核加載完成后，第一個進(jìn)程的創(chuàng)建過程，并實現(xiàn)對配置文件的分析和修改。通過代碼補(bǔ)全的方式完成對系統(tǒng)啟動和進(jìn)程運行環(huán)境創(chuàng)建過程的原理分析。通過對Tizen的分析，了解對現(xiàn)代智能設(shè)備復(fù)雜的初始化過程，分析配置腳本之間的依賴關(guān)系，系統(tǒng)的靈活性、兼容性設(shè)計等，并理解操作系統(tǒng)中的守護(hù)進(jìn)程類服務(wù)的啟動過程。

3.5 遙控鍵盤項目開發(fā)

通過藍(lán)牙建立實驗開發(fā)板與學(xué)生自己的智能手機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過在手機(jī)上點擊相應(yīng)的按鈕在開發(fā)板端產(chǎn)生虛擬鍵盤事件。這一項目的開發(fā)，需要綜合運用內(nèi)核驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)調(diào)用、系統(tǒng)服務(wù)管理等多個模塊的系統(tǒng)知識。該實驗項目同時還擴(kuò)展了移動應(yīng)用開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)編程、應(yīng)用協(xié)議設(shè)計、服務(wù)管理、界面優(yōu)化等多方面內(nèi)容，耗時約 8 周交由學(xué)生課下完成，并向?qū)W生提供部分參考代碼。

這一系列的實驗設(shè)計涵蓋了操作系統(tǒng)中的引導(dǎo)、初始化、進(jìn)程、存儲、IO、中斷等多個復(fù)雜知識點，并通過真機(jī)實踐的方式，以學(xué)生日常生活所熟悉的系統(tǒng)完成教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4 教學(xué)實踐效果與改進(jìn)計劃

教學(xué)實踐改革分兩次推行。第一次進(jìn)行了小范圍試點嘗試，2015年1—6月，從已完成操作系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生中選出11名志愿者參加，由教師進(jìn)行小班授課和指導(dǎo)，每位學(xué)生獨立承擔(dān)實驗。經(jīng)過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，有9名同學(xué)成功完成了所有實驗環(huán)節(jié)，編程能力和解決系統(tǒng)問題的能力有了明顯提升。

第二次實踐改革嘗試在2015 年9—12月進(jìn)行，面向正在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程的學(xué)生。由于實驗設(shè)備有限并且課程壓力較重，改為5人一組承擔(dān)實驗任務(wù)，全班共分為9組，在完成jos移植的同時完成Tizen移植任務(wù)。學(xué)生對此實驗表現(xiàn)了極大的熱情，投入大量的課余時間，整個開發(fā)過程持續(xù)到2016年2月寒假結(jié)束才完成，有4組學(xué)生完成了移植工作。由于學(xué)生的時間精力不足且實驗平臺的版本變遷，實驗效果受到了一定的影響。

針對發(fā)現(xiàn)的問題，教學(xué)組進(jìn)行了針對性修改：重新修正了課程資料中的錯誤；建立了校內(nèi)資源鏡像；調(diào)整實驗任務(wù)的發(fā)放時間點，與操作系統(tǒng)的理論講授課程相對應(yīng)，并在課上進(jìn)行針對性的案例教學(xué)；建立針對實驗任務(wù)的在線問答系統(tǒng)，供學(xué)生進(jìn)行討論交流，并按照時間節(jié)點投放問題的正確答案。以上修改和系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)完成，在 2016年9月開始的實踐教學(xué)中收到了更好的效果。

5 教學(xué)實踐問題分析

（1）開源軟件版本差異，隨時更新引起的變化?；钴S的開源軟件隨時發(fā)生變化，不活躍的開源軟件能從開源社區(qū)中消失，這使得教學(xué)過程中容易出現(xiàn)授課內(nèi)容與代碼不對應(yīng)或者無法獲取資源等問題。為了保證教學(xué)的連續(xù)性，需要建立教學(xué)中的開源代碼鏡像，隨時更新維護(hù)，并在學(xué)生實驗過程中明確版本和開發(fā)狀態(tài)，以確保實驗順利進(jìn)行。

（2）產(chǎn)品特征影響教學(xué)案例典型性。在產(chǎn)品化的過程中存在一些技術(shù)整合和混雜，隨著開發(fā)的代碼和模型逐漸復(fù)雜，使得難以在商業(yè)化系統(tǒng)中找到非常貼切的教學(xué)用模型。同時編程方法和兼容性的變化也使代碼變得復(fù)雜，分析講解時過于復(fù)雜。這需要選擇合適的版本和資料進(jìn)行教學(xué)，并需要教學(xué)人員隨時跟進(jìn)開源軟件的進(jìn)展，如果能夠講解代碼更迭的過程，收到的教學(xué)效果會更好。

6 結(jié) 語

通過在課程體系的實驗教學(xué)中加入大型開源項目和開源平臺的分析，幫助學(xué)生加深對操作系統(tǒng)類課程概念的理解，并掌握嵌入式系統(tǒng)的原理和開發(fā)方法。通過在學(xué)生熟悉的平板電腦開發(fā)平臺上進(jìn)行定制開發(fā)，幫助學(xué)生理解操作系統(tǒng)的作用和在產(chǎn)業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的積極性，收到了良好的教學(xué)效果。

基金項目：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助課題（20130031120028）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃（14JCQNJC00700， 16JCYBJC15200）；計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室開放課題（CARCH201504， CARCH201604）。本次教學(xué)活動得到了天津三星電子有限公司的資助。

第一作者簡介：宮曉利，男，講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、移動云計算、物聯(lián)網(wǎng)，gongxiaoli@nankai.edu.cn。

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（編輯：郭田珍）