線上教學(xué)環(huán)境下開(kāi)展嵌入式實(shí)驗(yàn)探索

【摘要】受到新冠疫情的影響，高校很多課程面臨線上教學(xué)，對(duì)于嵌入式課程，理論性和實(shí)踐相結(jié)合很緊密的課程，線上教學(xué)難度加大。如何在線上開(kāi)展嵌入式課程實(shí)踐教學(xué)從而提高課程教學(xué)質(zhì)量變得至關(guān)重要。本文通過(guò)線上教學(xué)環(huán)境下搭建嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境展開(kāi)討論，給出嵌入式系統(tǒng)課程在有限條件下搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境的方法和步驟，為在有限條件下開(kāi)展嵌入式課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)給出了有效的建議。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)? 仿真? Linux操作系統(tǒng)

【基金項(xiàng)目】2020國(guó)家語(yǔ)委重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目：基于網(wǎng)絡(luò)空間大數(shù)據(jù)的跨媒體多語(yǔ)種輿情信息處理（編號(hào)：ZDI35-96）。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）39-0054-02

1.引言

嵌入式系統(tǒng)課程是一門(mén)具有較強(qiáng)綜合性的專業(yè)課程，需要C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，單片機(jī)，微機(jī)原理，匯編語(yǔ)言等多門(mén)課程理論作為專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的綜合體。隨著智能化設(shè)備在人類(lèi)生產(chǎn)和生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，嵌入式課程在信息類(lèi)專業(yè)學(xué)生課程中重要性凸顯，教學(xué)比重加大。新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生嵌入式課程的教學(xué)學(xué)時(shí)增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)比重也不斷加大，課程學(xué)時(shí)由原先的2+1調(diào)整為2+2+1。在保證該課程教學(xué)的科學(xué)性和系統(tǒng)性的前提下，著重突出嵌入式系統(tǒng)理論和實(shí)踐相結(jié)合的密切性。通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)展，培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握開(kāi)發(fā)工具，在開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品時(shí)能運(yùn)用課程講授理論知識(shí)。

在開(kāi)展線上教學(xué)時(shí)，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程。有效利用學(xué)生手中有限資源開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課，將課程理論和實(shí)驗(yàn)盡可能充分相結(jié)合，使得學(xué)生在線上學(xué)習(xí)時(shí)，仍然能夠具備一定的有嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力，在線上教學(xué)過(guò)程獲得課程扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力。

2.嵌入式實(shí)驗(yàn)課程線上開(kāi)展存在的問(wèn)題

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用交叉開(kāi)發(fā)，需要將處理器和操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出滿足特定需求的產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建對(duì)于嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有著重要的意義，隨著線上教學(xué)的進(jìn)行，學(xué)生需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程加深對(duì)教材理論的理解。學(xué)生在家里線上上課時(shí)，不同省市地區(qū)的學(xué)生網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差別較大，上網(wǎng)設(shè)備也有手機(jī)、PAD、臺(tái)式機(jī)、筆記本等。部分學(xué)生沒(méi)有電腦，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差，手機(jī)信號(hào)不穩(wěn)定，時(shí)斷時(shí)續(xù)，在這種情況下，搭建高效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限，因此本文討論如何在有限環(huán)境下充分開(kāi)展嵌入式實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠掌握嵌入式開(kāi)發(fā)的方法并用于解決實(shí)際問(wèn)題。

3.線上開(kāi)展嵌入式實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

為了結(jié)合課程內(nèi)容，參考北京航空航天出版社出版，馬春梅等人主編的教材《ARM&Linux 嵌入式系統(tǒng)教程》。教材在課程講授上主要分為三個(gè)部分：一部分是嵌入式軟件系統(tǒng)，包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā);第二部分是嵌入式硬件部分，主要針對(duì)ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)及常用的嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要用到的外圍設(shè)備;第三部分講授了基于Linux操作系統(tǒng)如何開(kāi)發(fā)特定處理器上可以運(yùn)行的應(yīng)用程序。

在課程理論內(nèi)容的基礎(chǔ)上，學(xué)生如果想將理論內(nèi)容和實(shí)踐相結(jié)合，就需要搭建嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境。

基于上述教材理論和需要掌握的實(shí)踐內(nèi)容，學(xué)生首先需要搭建基本Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境，根據(jù)開(kāi)展線上教學(xué)的實(shí)際情況了解到學(xué)生手中可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為以下兩種情況：

一種情況是學(xué)生有電腦。有電腦的學(xué)生安裝Linux環(huán)境可以采用以下兩個(gè)方案。

方案一是在Windows中安裝虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)上裝Linux操作系統(tǒng)?？捎眠x的虛擬機(jī)很多，常用的安裝方便的是Vmware;可選的Linux操作系統(tǒng)版本較多如Unbuntu，Centos，Deepin等等。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下載虛擬機(jī)并安裝，之后下載操作系統(tǒng)鏡像文件，在安裝步驟提示下選擇下一步直至最后完成虛擬機(jī)上操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

方案二是在計(jì)算機(jī)中安裝雙系統(tǒng)。開(kāi)機(jī)啟動(dòng)選擇Linux或者Windows。安裝雙系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)硬盤(pán)存儲(chǔ)空間有一定要求，目前市面流行的計(jì)算機(jī)配置基本可以滿足要求。授課過(guò)程中，建議學(xué)生裝虛擬機(jī)，至于Linux操作系統(tǒng)的版本，同學(xué)們可以自行查閱Linux操作系統(tǒng)的各種不同版本的優(yōu)缺點(diǎn)，自行選擇安裝。

另外一種情況是學(xué)生沒(méi)有電腦。沒(méi)有電腦可以使用的同學(xué)可以利用安卓手機(jī)安裝Termux，Termux是一個(gè)Android的高級(jí)終端模擬器， 安裝后可以在Android手機(jī)上搭建一個(gè)完整的Linux環(huán)境，Termux軟件不但在手機(jī)上啟動(dòng)速度快，而且開(kāi)源且支持apt管理軟件包，十分方便安裝Linux下各類(lèi)軟件， 支持Python，PHP，Ruby，Go，Nodejs，MySQL等等，即便有電腦的同學(xué)，手機(jī)上也可以安裝Termux ，使用十分方便。

學(xué)生在計(jì)算機(jī)或者手機(jī)安裝好Linux操作系統(tǒng)后后可以進(jìn)行Linux的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)和Linux的基本使用相關(guān)，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括但不局限于：Linux操作的相關(guān)命令，如ls，mkdir，chomod，ftp等等，這些命令的主要作用是通過(guò)使用這些命令使學(xué)生學(xué)會(huì)熟練使用Linux 操作系統(tǒng)，從而可以在命令行模式下使用各種開(kāi)發(fā)工具。

在學(xué)會(huì)使用linux操作系統(tǒng)后，接下來(lái)要學(xué)習(xí)如何在linux中開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。

Linux的C編譯工具鏈如VI編輯器、GCC編譯器、GDB調(diào)試器、Make工具、Busybox工具等。通過(guò)這一系列工具的使用，學(xué)生能夠熟練使用Linux編寫(xiě)應(yīng)用程序，并進(jìn)行調(diào)試。在交叉開(kāi)發(fā)設(shè)備上利用Linux編寫(xiě)應(yīng)用程序步驟可以簡(jiǎn)單描述為編寫(xiě)—編譯—鏈接—調(diào)試，也就是說(shuō)程序的編寫(xiě)、編譯、鏈接，都是在通用PC上編寫(xiě)，程序的執(zhí)行是在目標(biāo)系統(tǒng)中。線上教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生能夠熟練使用Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序是很關(guān)鍵的一步。

在學(xué)會(huì)使用linux的基本工具之后，進(jìn)一步在linux環(huán)境下編寫(xiě)對(duì)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的操作，操作系統(tǒng)功能有CPU管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、GUI等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解Linux內(nèi)核功能，有助于學(xué)生定制操作系統(tǒng)功能。

內(nèi)核裁剪時(shí)可以根據(jù)需要取消對(duì)多種CPU的支持，取消對(duì)虛擬內(nèi)存的支持，取消不必要的調(diào)度算法，取消不必要的設(shè)備的支持，還有過(guò)多的文件系統(tǒng)，取消對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持等。通過(guò)這一系列操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以充分掌握Linux內(nèi)核裁剪的方法，能夠根據(jù)嵌入式設(shè)備對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的需求對(duì)linux操作系統(tǒng)進(jìn)行定制及做應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

在對(duì)Linux有了上述操作的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以利用電腦安裝keil工具，Keil可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)多種不同類(lèi)型處理器進(jìn)行編程，并進(jìn)行仿真。在教材講授了嵌入式硬件系統(tǒng)后，這一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以讓學(xué)生有效理解ARM處理器體系結(jié)構(gòu)并編寫(xiě)代碼。

ADS/SDT這些工具同樣可以安裝在計(jì)算機(jī)上。學(xué)生通過(guò)這些工具，熟悉ARM匯編及C語(yǔ)言編程，這些工具也提供匯編和C的聯(lián)合編程，提高了學(xué)生的編程能力。接下來(lái)，學(xué)生可以利用Android Stdio開(kāi)發(fā)Android程序，生成在手機(jī)上可以運(yùn)行的APP，學(xué)會(huì)開(kāi)發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生掌握的教材理論知識(shí)配套的部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)：軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、交叉開(kāi)發(fā)、配備一定的硬件后，學(xué)生可用自行搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，做嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

4.結(jié)束語(yǔ)

在線上有限的實(shí)驗(yàn)條件下，堅(jiān)持課本理論知識(shí)和實(shí)際開(kāi)發(fā)相結(jié)合。嵌入式課程教學(xué)過(guò)程重在理論和實(shí)踐相結(jié)合，教材重要的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)課一致對(duì)應(yīng)，如理論講嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，則實(shí)驗(yàn)課安排內(nèi)核下載執(zhí)行部分。理論課講到內(nèi)核裁剪，則實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)功能裁剪及實(shí)時(shí)化改造等;理論課的進(jìn)程間通信，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合，將重要的理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中加深理解，有助于學(xué)生對(duì)教材知識(shí)點(diǎn)的理解，從而有效提升學(xué)生嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。

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作者簡(jiǎn)介：

李秀紅（1977年-），女，博士，副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)，圖像處理等。