操作系統與嵌入式系統實驗教學的融合探索

宮曉利+徐浩聰+張金+盧冶+劉哲理

（南開大學 計算機與控制工程學院，天津 300350）

摘 要：分析目前操作系統和嵌入式系統課程的實驗教學過程中的問題與挑戰，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同時結合配套設施資源的新型教學模式，說明具體教學改革方法。

關鍵詞：操作系統；嵌入式系統；實驗教學；開源平臺；Tizen

0 引 言

操作系統課程是計算機學科的核心專業課之一[1]。操作系統中知識的學習兼具理論理解與實踐運用，也是進一步學習其他課程的基礎，在計算機專業教學中占有舉足輕重的地位[2]。由于操作系統的概念抽象，涉及的代碼量巨大且難以理解；在教學時間上處于三年級上學期，學生的編程開發經驗不足，增加了教學的難度。

嵌入式系統是一門集軟硬件技術于一體，涉及集成電路、計算機技術、自動控制等多種知識的綜合課程。自21世紀初進入我國高校的教學體系以來，隨著產業界的不斷發展課程內容日漸豐富，成為計算機相關專業的一門重要課程。由于嵌入式系統的設計強調以“應用”為中心和導向，注重與產業結合以及在工程實踐中的應用，這使得教學過程中存在理論性不足的問題，在實踐教學中更容易變成按部就班的驗證性實驗，或是某商業產品的展示與應用。

將兩門課程的內容銜接，特別是在實驗教學中進行內容的調整融合，能夠提高教學過程的系統性和連貫性。嵌入式系統中涉及硬件原理、嵌入式操作系統、嵌入式應用軟件等多個組成部分，教學環節中要完成每部分知識的原理分析和系統驗證，課時相對緊張。將操作系統實驗課程的內容與之融合關聯，既為操作系統中的原理找到了實踐驗證環境，又為嵌入式系統的實驗課程補充了原理分析環節。

為了達到良好的教學效果，讓學生對各類概念的理解達到融會貫通，在教學過程中往往建立一套系統的課程體系，操作系統作為先導必修課，后續配套 Unix/Linux 操作系統、嵌入式系統原理等專業選修課，并且每門課程都配有相應的實驗實踐教學。

1 操作系統與嵌入式系統教學中的新挑戰

嵌入式系統、移動云計算、物聯網等新興產業的發展和新技術的應用，拓展了操作系統的范圍。學生日常生活中使用的智能設備增多，不再局限于普通 PC 機的使用。依據 PC機的使用方式建立的漸進式學習方法需要隨之相應擴充。操作系統的形式發生變化的同時，其內涵也隨之發生一些變化。現代操作系統中，對進程、調度算法等概念的探討相對弱化，而增強了對于外設、交互、實時性、能耗管理等方面的設計要求，這些新特性需要給學生形成清晰的認識和直觀的感受。計算機操作系統作為計算機相關專業的基礎課程，應沿著計算機產業走向，緊密結合最新技術，充實其教學內容[3]。

商業化產品宣傳中使用的概念與嵌入式系統教學存在偏差。智能手機、平板電腦等產品更新換代迅速。在商業化宣傳中，處理器核心、硬件平臺、操作系統、應用界面等概念往往被混淆使用。這些商業產品以及配套軟件開發的盛行，也使一部分學生對于嵌入式系統的理解局限于智能手機，而對于嵌入式軟件的理解也局限于移動應用軟件。嵌入式系統需要設計與產業結合的教學案例，更需要透過現象看本質，從技術和機理層面進行分析，并且與所學的基礎課程和理論知識相對應，因而能夠加深理解。

人才需求轉向對已有系統框架的理解、定制和二次開發。隨著產業環境的完善，人才需求不斷擴大。對操作系統和嵌入式系統的教學要求不再滿足于對原理的認知和簡單應用，但也不需要從零開始獨立構建一個完整的系統，而是需要在現有項目的基礎上進行產品化定制和二次開發，特別是在開源軟件項目的基礎上進行改進。這需要學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，在實踐中學會主流開源系統的原理、開發和部署的基本方法等。

傳統的操作系統實踐教學偏重局部的理論分析和簡單模擬，而嵌入式系統實踐教學則側重應用導向，缺少原理分析。傳統的操作系統實驗教學為了強化原理性驗證，大多通過局部模擬的方式，在虛擬環境中進行操作，缺少與實際使用的結合，使得很多算法和流程雖然經過實踐仍然只能停留在概念狀態，缺少與實際使用系統的直接聯系，導致學生興趣降低。嵌入式系統的實驗教學中，往往又將操作系統作為黑盒處理，進行簡單定制或是直接使用。學生可以完成部署和驗證，但仍然“不知其所以然”，沒有收到應有的教學效果。

2 教學平臺選型

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

實驗中使用Tizen開源系統為目標軟件平臺。Tizen是由 LiMo Foundation 和 Linux Foundation 兩個開源 Linux 聯盟聯合發布，由三星電子、英特爾等產業巨頭共同開發的一套完全開源的軟件環境[4]，能夠提供對手機、平板電腦、車載電腦、智能家電等多種設備的支持。軟件體系中包含引層、操作系統、文件系統、應用程序、開發工具等多種資源，可以獲得平臺的全部源代碼，并配套有相應的開發文檔的開發者社區，也有眾多大學參與其中，提供了豐富的教學資源。Tizen 中選用的操作系統內核是 Linux，在操作系統的課程講授中已進行了針對性的原理分析和代碼解讀；Tizen 的應用程序框架基本使用 C/C++編程語言實現，與學生所掌握的前繼編程基礎更加契合，這些都降低了學習的難度。

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

3 實踐教學設計

實驗在整個操作系統教學過程中舉足輕重，也是加深學生概念、原理理解，反映學生學習效果的重要環節[2]。實驗教學內容的設計，作為課堂教學和作業的補充，主要用于完成理論知識和抽象概念與開發應用實戰的對接。在實驗設計中，主要體現系統性較強的啟動、進程管理、資源管理、文件系統等知識環節，并通過完成Tizen在目標開發板上的移植進行實踐。通過對其中關鍵部分代碼的閱讀、分析、補全、重構等任務，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管理模式。經過對實驗內容的反復調整，與學生溝通反饋， 現在實驗內容已基本穩定。

3.1 環境搭建和版本管理工具的使用

熟悉開發環境并完成實驗環境中的工具安裝部署，掌握其使用方法。本部分課程主要學習對開源軟件管理和發布方法的學習，對版本管理的認識和對版本管理工具的使用。培養學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，學會代碼版本管理的方法和原則，這是軟件工程開發中至關重要的規范化思想。Tizen 開源項目有多個子項目，多個版本分支共同管理和流轉，并按照特定的結點發布與錯誤修正，是非常有代表性的軟件工程項目管理的案例，可以加深學生的實踐體驗。

3.2 引導過程分析

截取引導程序片段，通過匯編語言編程實現對硬件的簡易控制；通過對簡易引導程序的分析和修改，實現對Tizen內核的引導；分析bootloader代碼，學習操作系統的引導過程，并加深對內存空間管理、處理器模式轉換、MMU等關鍵技術的理解。本部分實驗內容需要先進行簡單的ARM硬件知識和ARM匯編指令的學習，同時簡單擴展關于可信計算與Trustzone硬件可信模塊技術，開闊學生視野。

3.3 Tizen系統編譯、分區管理與內容部署

介紹Tizen系統的整體編譯管理框架，了解產品描述配置文件、多設備兼容代碼管理、源代碼間的依賴關系、腳本處理方法等產品級代碼管理方法。通過對Tizen中涉及的各類程序和資源文件的分配，設計并完成對Tizen的系統存儲分區和內容部署，學習不同文件系統之間的差異和操作系統中對不同文件系統的初始化和兼容加載方法，學習各類進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行原理講解和分析，并將編譯結果供學生下載用于完成部署實驗。

3.4 系統初始化流程分析

分析操作系統內核加載完成后，第一個進程的創建過程，并實現對配置文件的分析和修改。通過代碼補全的方式完成對系統啟動和進程運行環境創建過程的原理分析。通過對Tizen的分析，了解對現代智能設備復雜的初始化過程，分析配置腳本之間的依賴關系，系統的靈活性、兼容性設計等，并理解操作系統中的守護進程類服務的啟動過程。

3.5 遙控鍵盤項目開發

通過藍牙建立實驗開發板與學生自己的智能手機之間的數據傳輸通道，通過在手機上點擊相應的按鈕在開發板端產生虛擬鍵盤事件。這一項目的開發，需要綜合運用內核驅動、網絡傳輸、系統調用、系統服務管理等多個模塊的系統知識。該實驗項目同時還擴展了移動應用開發、網絡編程、應用協議設計、服務管理、界面優化等多方面內容，耗時約 8 周交由學生課下完成，并向學生提供部分參考代碼。

這一系列的實驗設計涵蓋了操作系統中的引導、初始化、進程、存儲、IO、中斷等多個復雜知識點，并通過真機實踐的方式，以學生日常生活所熟悉的系統完成教學，提高了學生的學習積極性。

4 教學實踐效果與改進計劃

教學實踐改革分兩次推行。第一次進行了小范圍試點嘗試，2015年1—6月，從已完成操作系統課程學習的學生中選出11名志愿者參加，由教師進行小班授課和指導，每位學生獨立承擔實驗。經過一個學期的學習，有9名同學成功完成了所有實驗環節，編程能力和解決系統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月進行，面向正在學習操作系統課程的學生。由于實驗設備有限并且課程壓力較重，改為5人一組承擔實驗任務，全班共分為9組，在完成jos移植的同時完成Tizen移植任務。學生對此實驗表現了極大的熱情，投入大量的課余時間，整個開發過程持續到2016年2月寒假結束才完成，有4組學生完成了移植工作。由于學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。

針對發現的問題，教學組進行了針對性修改：重新修正了課程資料中的錯誤；建立了校內資源鏡像；調整實驗任務的發放時間點，與操作系統的理論講授課程相對應，并在課上進行針對性的案例教學；建立針對實驗任務的在線問答系統，供學生進行討論交流，并按照時間節點投放問題的正確答案。以上修改和系統建設已經完成，在 2016年9月開始的實踐教學中收到了更好的效果。

5 教學實踐問題分析

（1）開源軟件版本差異，隨時更新引起的變化。活躍的開源軟件隨時發生變化，不活躍的開源軟件能從開源社區中消失，這使得教學過程中容易出現授課內容與代碼不對應或者無法獲取資源等問題。為了保證教學的連續性，需要建立教學中的開源代碼鏡像，隨時更新維護，并在學生實驗過程中明確版本和開發狀態，以確保實驗順利進行。

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

6 結 語

通過在課程體系的實驗教學中加入大型開源項目和開源平臺的分析，幫助學生加深對操作系統類課程概念的理解，并掌握嵌入式系統的原理和開發方法。通過在學生熟悉的平板電腦開發平臺上進行定制開發，幫助學生理解操作系統的作用和在產業環境中的應用，提高了學生的積極性，收到了良好的教學效果。

基金項目：教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助課題（20130031120028）；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃（14JCQNJC00700， 16JCYBJC15200）；計算機體系結構國家重點實驗室開放課題（CARCH201504， CARCH201604）。本次教學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、移動云計算、物聯網，gongxiaoli@nankai.edu.cn。

參考文獻：

[1]陸億紅， 黃德才. 操作系統教學方法的若干思考[J]. 計算機教育， 2011（5）： 80-82.

[2]王宇英， 谷建華， 周興社， 等. 操作系統教學探索及其在嵌入式教學中的實踐[J]. 計算機教育， 2011（11）： 98-101.

[3]張偉娜. 以云計算為導向的計算機操作系統教學研究[J]. 軟件， 2014（7）： 85-88.

[4]Linux Foundation. TizenProject[EB/OL]. [2016-11-09]. https：//www.tizen.org/blogs/tsg/2013/tizen-2.2.1-platform-release.

[5]馮紅偉， 王鵬. 操作系統教學與實驗設計研究[J]. 實驗室研究與探索， 2007（12）： 251-253.

[6]潘登， 陳啟軍. 面向卓越人才培養的嵌入式系統教學改革[J]. 計算機教育， 2013（13）： 1-5.

[7]李文生， 鄧春健， 呂燚. 案例驅動的嵌入式系統教學改革探索[J]. 計算機教育， 2011（2）： 22-25.

（編輯：郭田珍）