MOOC環(huán)境下嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真平臺的實現(xiàn)與應(yīng)用

平震宇，李培峰，顧曉燕

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214101；2.蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006）

0 引 言

隨著大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC）的迅猛發(fā)展，MOOC已經(jīng)成為風(fēng)靡教育領(lǐng)域以學(xué)習(xí)者為中心的在線學(xué)習(xí)模式，是新形勢下教育理念融合信息技術(shù)的產(chǎn)物。MOOC具有開放性、大規(guī)模學(xué)習(xí)人群參與、高品質(zhì)微視頻、完整的課程組織結(jié)構(gòu)以及基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析等本質(zhì)特征［1］。2010年MOOC在美國初露端倪，2012年我國一些知名大學(xué)也紛紛加入MOOC行列。2014年5月教育部“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”建設(shè)的愛課程網(wǎng)推出“中國大學(xué)MOOC”在線教育平臺，2015年在教育部出臺的《關(guān)于加強高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》推動下“教學(xué)名師”紛紛走進了MOOC課堂，數(shù)以萬計的課程面向?qū)W習(xí)者開放。

1 MOOC的實踐教學(xué)需求

隨著MOOC如火如荼建設(shè)，課程越來越豐富，選課人數(shù)越來越多，問題和質(zhì)疑也隨之而來。對于計算機、電信等實踐性較強的學(xué)科有一個實際問題日益突出，MOOC單純的理論教學(xué)無法滿足授課需要，需要提供高品質(zhì)的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)資源［2-3］。如果僅僅提供線上理論課程教學(xué)視頻，或者有實踐環(huán)節(jié)教學(xué)視頻，沒有實驗環(huán)境進行實際操作，可能導(dǎo)致只有少部分學(xué)習(xí)者能夠堅持下來［4］。

嵌入式Linux開發(fā)是一門實踐性很強的課程，學(xué)生必須配合大量的實踐練習(xí)才能掌握嵌入式相關(guān)技能。目前各院校計算機、電信專業(yè)都開設(shè)了嵌入式Linux開發(fā)課程，為滿足實踐教學(xué)要求，各院校都購買了嵌入式實驗設(shè)備，有些是功能大且全的嵌入式實驗箱，有些是功能單一的開發(fā)板［5］。這對于MOOC學(xué)習(xí)者就存在以下兩個問題：

（1）嵌入式系統(tǒng)試驗設(shè)備種類繁多、軟硬件資源各不相同，導(dǎo)致對應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)置和操作的不同。

（2）實驗設(shè)備后期維護也存在較大的難度，一旦損壞需要較長的維修周期［6-7］。

因此虛擬仿真平臺為MOOC教學(xué)過程中的實踐教學(xué)提供了實現(xiàn)方法。通過構(gòu)建嵌入式虛擬仿真平臺，學(xué)習(xí)者在虛擬仿真平臺上完成各種預(yù)定的實踐項目。使MOOC學(xué)習(xí)者獲得一種高效、穩(wěn)定、廉價的實踐環(huán)境［8-9］。

2 嵌入式虛擬仿真環(huán)境

Windows系統(tǒng)常用的虛擬仿真環(huán)境有Java虛擬機、Vmware，Microsoft的Virtual PC、Virtual Server等。嵌入式虛擬仿真環(huán)境有SkyEye，ARMulator以及本文使用的虛擬化模擬器（Quick Emulator，QEMU）。QEMU是使用可移植動態(tài)二進制翻譯器的模擬器?？梢栽谀繕梭w系結(jié)構(gòu)（QEMU運行依賴的體系結(jié)構(gòu)）的主機上模擬執(zhí)行源體系結(jié)構(gòu)（被模擬的體系結(jié)構(gòu)）的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。QEMU是純軟件實現(xiàn)的虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設(shè)備。例如x86、PowerPC、ARM、MIPS等多種目標平臺。Google在開發(fā)Android系統(tǒng)的同時使用QEMU開發(fā)了模擬器，降低了開發(fā)人員的開發(fā)成本，促進了Android技術(shù)的推廣。

QEMU支持兩種工作模式：在用戶模式仿真（user mode emulation）下，QEMU能夠模擬運行為源體系結(jié)構(gòu)編譯的應(yīng)用程序。在全系統(tǒng)模式仿真（system mode emulation）下，QEMU模擬源體系結(jié)構(gòu)的整個硬件平臺［10-11］。QEMU可以在目標體系架構(gòu)（如x86）下運行源體系架構(gòu)（如ARM）的操作系統(tǒng)和程序，它虛擬仿真一個完整的系統(tǒng)，包括一個或多個處理器以及如顯卡、網(wǎng)卡等各種外圍設(shè)備，全系統(tǒng)模式仿真使用的范圍更加的廣泛［12-13］。

QEMU通過其快速、可移植的動態(tài)翻譯程序創(chuàng)建接近于主機性能的虛擬機［13-14］。QEMU完成編譯配置后，可以進行開發(fā)板級虛擬仿真，使學(xué)習(xí)者如同使用真實的開發(fā)板一樣。QEMU提供了以下4種不同模式的網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Addresss Translation，NAT）內(nèi)置的用戶模式網(wǎng)絡(luò)、直接分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。豐富的網(wǎng)絡(luò)支持特別有利于課程實踐教學(xué)，例如BootLoad下載內(nèi)核、掛載網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)等。

3 搭建嵌入式虛擬仿真環(huán)境

目標體系結(jié)構(gòu)可以選擇Windows+MinGW或者Linux系統(tǒng)，為了減少編譯系統(tǒng)代碼時產(chǎn)生的函數(shù)庫依賴問題，本文選用Xubuntu系統(tǒng)。Xubuntu是一份基于Ubuntu的Linux發(fā)行版，采用輕量級的XFce桌面環(huán)境，并面向低端機器作了優(yōu)化。

3.1 下載資源

由于Mini2440開發(fā)板的軟硬件資源非常豐富，所以一直是嵌入式開發(fā)學(xué)習(xí)者的入門首選。Mini2440使用的基于ARM920T的S3C2440A芯片，QEMU有個項目分支專門支持S3C2440 芯片（http：//repo.or.cz/qemu/mini2440.git）。首選下適配Mini2440 的QEMU，u-boot和內(nèi)核。

如果使用git下載速度慢，可以直接通過網(wǎng)頁下載。

3.2 編譯系統(tǒng)

下載完成后依次編譯QEMU程序，u-boot和內(nèi)核。首先編譯QEMU，在編譯之前先安裝zlib1g-dev、libsdldev兩個庫。使用下列命令編譯：

./configure--target-list＝arm-softmmu

make-j4

QEMU主程序qemu-system-arm在arm-softmmu文件夾內(nèi)，可以使用qemu-system-arm--version測試程序運行是否正常。

編譯u-boot，打開Makefile文件，修改編譯u-boot使用的交叉編譯工具鏈（Cross_Compile變量賦值armnone-linux-gnueabi-）。使用下列命令編譯：

make mini2440_config

make

編譯完成后在當前目錄下生成名為u-boot.bin的文件，將u-boot.bin 文件復(fù)制到/opt/mini2440 文件夾中。

編譯內(nèi)核，在編譯內(nèi)核之前首先使用命令apt-get install uboot-mkimage安裝uImage工具。進入內(nèi)核目錄，使用下列命令編譯內(nèi)核：

編譯完成之后在arch/arm/boot/目錄下生成uImage文件，將此文件復(fù)制到/opt/mini2440 文件夾中。

3.3 配置系統(tǒng)參數(shù)

（1）編寫啟動腳本mini2440_start.sh。因為QEMU主程序qemu-system-arm啟動參數(shù)設(shè)置非常復(fù)雜，所有需要編寫mini2440_start啟動腳本，將腳本存放在/opt/mini2440文件夾中。啟動腳本內(nèi)容如下：

（2）創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)配置腳本。為了實現(xiàn)QEMU虛擬機與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，需要在宿主機中創(chuàng)建并配置一個網(wǎng)橋，并將宿主機的接口作為網(wǎng)橋的一個接口。首先需要在宿主機中創(chuàng)建并配置一個tap設(shè)備，QEMU虛擬機將該tap設(shè)備連接到虛擬機VLAN中，將tap設(shè)備作為網(wǎng)橋的另一個接口，QEMU虛擬機通過tap設(shè)備就可以與外部網(wǎng)絡(luò)完全通信了。創(chuàng)建qemu-ifup腳本如下：

兩個網(wǎng)絡(luò)配置文件存放在/opt/mini2440文件夾下。

（3）掛載nfs文件系統(tǒng)?？梢允褂肂usyBox自己搭建文件系統(tǒng)或者使用FriendlyARM的文件系統(tǒng)。將文件系統(tǒng)存放在/opt/root_qtopia目錄中。

再輸入bootm命令開始加載內(nèi)核，當文件系統(tǒng)掛在成功后，嵌入式虛擬仿真平臺的界面如圖1所示。

圖1 嵌入式虛擬仿真平臺的界面

4 嵌入式虛擬仿真平臺在MOOC課程中的應(yīng)用

《嵌入式Linux應(yīng)用與開發(fā)實踐》課程是一門實踐性非常強的課程。課程偏重于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中的軟件方面，涉及如何搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境、配置嵌入式開發(fā)常用服務(wù)、移植Bootloader、移植內(nèi)核、搭建文件系統(tǒng)、GUI應(yīng)用開發(fā)與移植。本課程遵循“一體化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化課程、顆粒資源”建設(shè)為理念，以工作過程為導(dǎo)向，依據(jù)職業(yè)能力成長規(guī)律設(shè)計并組織課程內(nèi)容，建設(shè)以學(xué)習(xí)者為中心的在線開放課程。課程結(jié)合在線開放課程教學(xué)的特征與需求，圍繞教學(xué)目標精心設(shè)計教學(xué)活動，科學(xué)規(guī)劃在線學(xué)習(xí)資源，明確學(xué)業(yè)評價策略和學(xué)習(xí)激勵措施［15］。課程發(fā)布在“中國大學(xué)MOOC”在線教育平臺（見圖2）。

圖2 《嵌入式Linux應(yīng)用與開發(fā)實踐》課程主要內(nèi)容

課程運行一個學(xué)期后，受到本校學(xué)生的熱烈歡迎，取得了良好的教學(xué)效果，充分激發(fā)了學(xué)生的積極性和主動性。

由于兄弟院校的嵌入式試驗設(shè)備各不相同，實驗開發(fā)環(huán)境不一致，導(dǎo)致兄弟院校學(xué)生無法按照課程視頻進行相應(yīng)的實驗操作。為了使MOOC課程可以面向更多的學(xué)生，搭建了統(tǒng)一的嵌入式虛擬仿真環(huán)境（見圖3），并在課程公告發(fā)布了嵌入式虛擬仿真環(huán)境的百度云共享地址。根據(jù)嵌入式虛擬仿真環(huán)境優(yōu)化了課程實踐教學(xué)項目，見表1。課程以虛擬仿真項目為主導(dǎo)，通過項目來學(xué)習(xí)對應(yīng)的理論知識，根據(jù)技術(shù)難點將項目劃分為“階段性虛擬仿真項目”和“綜合性虛擬仿真項目”。

圖3 虛擬仿真環(huán)境在MOOC課程中的應(yīng)用

表1 虛擬仿真實踐教學(xué)內(nèi)容

通過以上虛擬仿真項目的實踐練習(xí)，使不同層次的學(xué)習(xí)者熟練掌握嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)流程和程序設(shè)計的各主要環(huán)節(jié)，使學(xué)習(xí)者掌握嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建、嵌入式開發(fā)工具，交叉編譯、BootLoader移植、內(nèi)核移植等嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心技能，為今后從事嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的設(shè)計、開發(fā)工作打下堅實的基礎(chǔ)。MOOC通過搭建虛擬仿真環(huán)境統(tǒng)一了交叉編譯環(huán)境，使得不同院校的學(xué)習(xí)者可以使用相同版本的內(nèi)核和BootLoader。課前學(xué)習(xí)者通過MOOC提供的視頻學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)知識以及完成相關(guān)階段性虛擬仿真項目與測試題。在課堂教學(xué)過程中針對完成項目過程中出現(xiàn)的問題進行討論，并采用輪流的方式對項目的重點和難點進行講解，最后由教師對項目的重點、難點進行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)。

MOOC學(xué)習(xí)者免費獲得了開發(fā)實踐環(huán)境，不再需要為嵌入式實驗設(shè)備而發(fā)愁。自2016年在“中國大學(xué)MOOC”平臺上開課至今，平均每學(xué)期有6 000人參加課程的學(xué)習(xí)，累計共有14 000人通過了課程考核，其中有1 200人獲得課程優(yōu)秀證書。從實施效果來看，課程體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力不斷增強，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的興趣，通過虛擬仿真項目的實踐練習(xí)提高了解決問題的能力。學(xué)生的嵌入式項目開發(fā)的綜合能力不斷提升，通過課堂上討論提高學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用和舉一反三的能力。各組學(xué)生通過相互協(xié)作完成綜合性虛擬仿真項目，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力，增強了學(xué)生的團隊凝聚力。

5 結(jié) 語

針對在《嵌入式Linux應(yīng)用與開發(fā)實踐》MOOC中嵌入式實驗設(shè)備無法滿足實踐環(huán)節(jié)教學(xué)需要。本文通過構(gòu)建嵌入式虛擬仿真環(huán)境，使MOOC學(xué)習(xí)者能完成預(yù)定實踐教學(xué)項目。嵌入式虛擬仿真環(huán)境可以讓MOOC學(xué)習(xí)者免費獲得開發(fā)實踐環(huán)境，并且嵌入式虛擬仿真平臺具有很好的可擴展性。經(jīng)過兩年的實際應(yīng)用結(jié)果表明將嵌入式虛擬仿真平臺應(yīng)用于MOOC實踐教學(xué)后，能充分發(fā)揮虛擬仿真與MOOC的優(yōu)勢，通過開放與共享，并提供優(yōu)質(zhì)、高效的、穩(wěn)定的、免費的虛擬仿真平臺，將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念和模式充分展示出來。