智能專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容思考與實踐

付東翔　李菲菲　傅迎華　胡春燕　尹鐘　劉麗

摘 要：為了使智能本科專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學能夠與主流的機器人操作系統(tǒng)ROS緊密結合，適應當前機器人技術發(fā)展的最新應用，突出本專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程的專業(yè)特色，介紹課程的理論教學內(nèi)容選擇、實驗內(nèi)容及安排，說明本課程對后續(xù)本專業(yè)其他課程、課程設計等的支撐作用，強調(diào)對大學生教學實踐比賽的有利推動作用。

關鍵詞：智能科學與技術；嵌入式系統(tǒng)；課程設計

0 引 言

智能科學與技術本科專業(yè)培養(yǎng)工作和內(nèi)容是人工智能、機器人、計算機等交叉學科內(nèi)容的教學。專業(yè)內(nèi)容涉及機器人技術、各類智能技術與系統(tǒng)、新一代的人機系統(tǒng)技術等。嵌入式系統(tǒng)是計算機、自動化、電氣等本科專業(yè)的核心專業(yè)課程之一，其內(nèi)容是在微機原理、單片機技術和C語言程序設計等課程基礎上更高層次的專業(yè)知識[1-4]。

當前信息技術的飛速發(fā)展，尤其工業(yè)機器人技術不斷滲透、應用到各個生產(chǎn)和社會生活領域。面對機器人技術的發(fā)展和應用，智能專業(yè)的培養(yǎng)計劃和課程內(nèi)容應該包括和不斷擴大機器人相關領域的知識。目前與嵌入式系統(tǒng)課程有關的機器人領域的主流關鍵技術之一是ROS機器人操作系統(tǒng)[5]。ROS是開源、基于Ubuntu系統(tǒng)的機器人操作系統(tǒng)，提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能，包含硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理等[6]?，F(xiàn)在越來越多的機器人廠商嘗試使用ROS，包括占據(jù)最多工業(yè)市場份額的機器人四大家族和各種流行的研究型機器人。

1 教學內(nèi)容

1.1 目標定位

隨著目前機器人技術的不斷發(fā)展和應用，本課程的目標定位：熟悉ARM Cortex-A內(nèi)核處理器的硬件結構和功能，熟悉和掌握ROS機器人操作系統(tǒng)的體系結構、任務間通信機制、功能包設計方法；強化學生在ROS系統(tǒng)下的應用設計能力，為后續(xù)專業(yè)課程教學實踐奠定工作基礎。

1.2 內(nèi)容調(diào)整

原有課程內(nèi)容：①硬件系統(tǒng)，STM32的32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核的控制器；②嵌入式操作系統(tǒng)，?C/OS-II操作系統(tǒng)。

現(xiàn)有課程內(nèi)容：①硬件系統(tǒng)，TI的32位的ARM Cortex-A8處理器；②嵌入式操作系統(tǒng)，基于Ubuntu的ROS操作系統(tǒng)。

基于以上內(nèi)容，教學理論和實驗內(nèi)容調(diào)整前后對比見表1、表2。

2 理論教學與實驗教學

嵌入式系統(tǒng)教學是在理論基礎上強調(diào)實踐性。理論教學分為兩大部分：①ARM Cortex-A8內(nèi)核處理器硬件結構和功能，硬件設備樹Device Tree機制；②ROS操作系統(tǒng)原理和運行架構；節(jié)點、消息、主題、服務等基本概念；節(jié)點、主題以及消息等相互之間的關系、節(jié)點之間消息傳遞機制。實驗教學是理論教學的實踐，讓學生認識和動手實踐理論的內(nèi)容。

2.1 理論教學內(nèi)容

（1）處理器硬件內(nèi)容：以ARM Cortex-A8內(nèi)核處理器為重點，以TI（德州儀器）公司Sitara Processors系列中的AM3359為對象，對Cortex-A8內(nèi)核處理器的硬件片內(nèi)資源和功能予以介紹；Ubuntu操作系統(tǒng)下的硬件操作和驅(qū)動基于設備樹文件實現(xiàn)。

以設備樹Device Tree機制及其規(guī)范為主要內(nèi)容展開。

①設備樹（Device Tree）基本概念及作用：設備樹是一種描述硬件資源的數(shù)據(jù)結構，作用是將硬件外設與相應的驅(qū)動程序直接進行綁定，系統(tǒng)啟動時加載設備樹文件并配置各種硬件資源，通過bootloader（啟動程序）將硬件資源傳給操作系統(tǒng)內(nèi)核，使得內(nèi)核和硬件資源描述相對獨立，其基本數(shù)據(jù)結構如下：

{ #address-cells = <1>； // 子節(jié)點中reg屬性中address值；

#size-cells = <1>； // 子節(jié)點中reg屬性中size值；

chosen { }； // 描述由系統(tǒng)指定的runtime parameter ；

aliases { }； // 定義別名；

memory { device_type = "memory"； reg = <0 0>； }； // 設備類型，起始地址和大??；

}；

②設備樹的組成和使用：設備樹包含DTC（device tree compiler），DTS（device tree source）和DTB（device tree blob）。

DTS文件：是一種ASCII文本對Device Tree的描述，放置在ROS內(nèi)核的/arch/arm/boot/dts目錄下，一個DTS文件對應一個ARM的硬件資源。

DTSI文件：硬件系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)都有一個DTS文件。這些文件會有許多共同部分，為減少代碼的冗余，設備樹將這些共同部分保存在DTSI文件中，供不同的DTS使用。

③設備樹中DTS文件的基本語法與舉例：根據(jù)設備樹的基本概念，給出TI的AM3359處理器的ADC外設的DTS文件格式，AM3359的ADC部分有8個通道，其控制器寄存器ADC_TSC_SS， 地址為 0x44E0_D000，部分文件代碼如下：

#address-cells = <1>；

#size-cells = <1>；

tscadc {

compatible = "ti，ti-tscadc"；

reg = <0x44e0d000 0x1000>；

interrupt-parent = <&intc>；

interrupts = <16>；

ti，hwmods = "adc_tsc"；

status = "okay"；endprint

adc {

ti，adc-channels = <0 1 2 3 4 5 6 7>；

}；

}；

通過上述ADC部分DTS文件舉例說明硬件外設在文件中的描述，對其他GPIO、PWM、定時器等不同系統(tǒng)外設，其DTS文件形式類同。每個DTS文件共同的部分代碼存放于DTSI文件中。通過這種舉例，強調(diào)DT設備樹機制的優(yōu)點：操作系統(tǒng)內(nèi)核中不再充斥著與硬件有關的代碼，操作系統(tǒng)因此瘦身和精簡，操作系統(tǒng)與硬件無關性得到實現(xiàn)。

（2）操作系統(tǒng)主要內(nèi)容：ROS系統(tǒng)框架及其內(nèi)部運行機制， ROS系統(tǒng)下任務之間的通信機制和概念：節(jié)點（node）、消息（message）、主題（topic）、服務（service），它們之間消息訂閱和發(fā)布如圖1所示。

①節(jié)點。節(jié)點就是執(zhí)行運算任務的進程，一個系統(tǒng)是由很多節(jié)點組成的，節(jié)點也被稱之為“軟件模塊”。

② 消息。節(jié)點之間是通過傳送消息進行通訊的。每一個消息都是一個嚴格的數(shù)據(jù)結構，不但支持標準的數(shù)據(jù)類型如整型、浮點型、布爾型等，也支持數(shù)組類型。消息可以包含任意的嵌套結構和數(shù)組，類似于C語言的結構structs。

③主題。消息以一種發(fā)布（publish）/ 訂閱（subscribe）的方式傳遞。一個節(jié)點可以在一個給定的主題中發(fā)布消息，一個節(jié)點對某個主題關注與訂閱特定類型的數(shù)據(jù)，可能同時有多個節(jié)點發(fā)布或者訂閱同一個主題的消息。如圖1所示，Master為節(jié)點管理器。

④服務?；谥黝}（topic）的發(fā)布/訂閱模型的廣播通訊方式范圍過大，為簡化節(jié)點間的通信，在ROS中，用一個字符串和一對嚴格規(guī)范的消息定義：一個用于請求，一個用于回應。類似于 web服務器是由URIs定義的，同時帶有完整定義類型的請求和回復文檔，稱為一個服務，如圖1所示。

2.2 實驗教學內(nèi)容

將理論內(nèi)容以實踐形式呈現(xiàn)給學生，嵌入式系統(tǒng)課程實驗中Cortex-A內(nèi)核的MPU（處理器）與原來的MUC（控制器）級硬件系統(tǒng)實驗不同在于：①片內(nèi)外設GPIO、A/D等硬件控制通過DTS設備樹文件配置和驅(qū)動，而Cortex-M內(nèi)核控制器硬件資源相對簡單，硬件功能的配置通過控制庫函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)；②軟件系統(tǒng)：ROS系統(tǒng)的原理和程序框架；功能包開發(fā)步驟；節(jié)點、消息、服務等通信機制與?C/OS-II系統(tǒng)差別很大。

因此，本課程實驗基于上述內(nèi)容展開，分為3部分內(nèi)容。

①ROS系統(tǒng)程序框架與功能包設計實驗：程序框架：在ROS中，所有的軟件都是以ROS包或功能包形式存在的，ROS包是用于實現(xiàn)特定功能的相關文件的集合，包括可執(zhí)行文件和其他支持文件；實驗內(nèi)容：功能包的創(chuàng)建、編輯和編譯運行。該實驗讓學生熟悉ROS功能包的開發(fā)環(huán)境和過程。

②設備樹（Device Tree）文件創(chuàng)建和程序運行實驗：實驗主要包括GPIO、ADC等外設控制的DTS文件、DTSI文件的編寫和編譯；通過上位機終端發(fā)送命令加載DTBO文件?？刂芁ED、ADC等外設的工作。通過該實驗使得學生能夠認識和掌握硬件外設的DTS驅(qū)動文件格式和編寫。

③ROS系統(tǒng)下節(jié)點間通信實驗：利用ROS系統(tǒng)下的“海龜仿真運動”程序包（turtlesim）進行任務節(jié)點通信和運行實驗。該實驗通過創(chuàng)建兩個節(jié)點，一個節(jié)點控制“海龜”的運動，另外一個節(jié)點捕捉鍵盤事件，同時發(fā)送命令消息。通過該實驗，讓學生認識和理解ROS節(jié)點之間消息傳遞的通信機制。

3 本課程與其他智能專業(yè)課程、課程設計與本科創(chuàng)新實踐

基于ROS的嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容為本專業(yè)其他智能專業(yè)課程如自然語言理解、智能檢測技術與系統(tǒng)、自主移動機器人技術、專業(yè)課程設計等奠定了較好的硬件和軟件基礎。

首先，在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容的學習中，學生已經(jīng)能夠熟悉ARM Cortex-A8處理器的硬件功能和結構，以及ROS系統(tǒng)下任務以節(jié)點形式運行、節(jié)點間的通信機制和功能包的開發(fā)。為后續(xù)課程和實踐比賽奠定了一個軟硬件實驗共享平臺：自然語言處理課程上的語言包、自主移動機器人技術的定位算法、智能檢測技術與系統(tǒng)的傳感器硬件檢測與軟件數(shù)據(jù)處理等都能夠在這個平臺上實驗和運行；學生在專業(yè)課程設計中可以設計、集成一個機器人系統(tǒng)功能：以本課程的實驗環(huán)境，實現(xiàn)傳感器檢測、語音處理、自主定位等機器人系統(tǒng)常用的功能。

其次，通過本課程內(nèi)容的學習，為學生申請和完成本校和上海市的大學生創(chuàng)新項目奠定了工作基礎。本專業(yè)學生近年來連續(xù)獲得多項上海市大學生創(chuàng)新項目和我校本科創(chuàng)新項目，如2017年上海市大學生創(chuàng)新項目“基于Ubuntu系統(tǒng)的機器人仿真平臺設計”（SH2017035）等。

最后，為本專業(yè)學生參加各類全國大學生智能大賽奠定了較好的硬件、軟件基礎，如“華為杯全國大學生智能大賽”“華為杯電子設計大賽”等。同時也將為本專業(yè)學生參加此類比賽培育眾多參賽隊員。圖2（a）（b）為硬件實驗設備。

4 結 語

面向應用的智能專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學以ARM Cortex-A8內(nèi)核的處理器為硬件對象，以ROS操作系統(tǒng)為軟件平臺，圍繞著處理器的硬件設備樹結構及其語法格式，ROS系統(tǒng)基于節(jié)點通信的程序運行機制等兩個方面展開內(nèi)容，使得學生能夠理解面向機器人操作系統(tǒng)的硬件組成和功能原理，能夠充分理解、熟悉和掌握ROS機器人操作系統(tǒng)框架和程序運行機制。

課程內(nèi)容安排為本專業(yè)其他相關課程、后續(xù)課程設計、創(chuàng)新實踐和大學生教學實踐比賽奠定一個開發(fā)、實驗共享平臺，ROS系統(tǒng)的開放性能夠讓學生開發(fā)自己的算法包，如自然語言理解、智能信息處理、機器人移動技術等課程的算法可以在這個平臺上調(diào)試和運行驗證，使得嵌入式系統(tǒng)該門課程更好地支撐后續(xù)專業(yè)課程算法實驗，進而為專業(yè)課程設計奠定了硬件、軟件基礎。

在目前機器人技術應用逐漸進入工業(yè)自動化領域和各個生活領域并且已經(jīng)開始取代一些人類重復性工作的大趨勢下，通過對ROS系統(tǒng)的熟悉和掌握，將使得智能科學與技術的專業(yè)學生專業(yè)應用能力更具有針對性和專業(yè)性。

參考文獻：

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[7] 馬麗梅. Ubuntu Linux操作系統(tǒng)與實驗教程[M]. 北京： 清華大學出版社， 2014.

（編輯：郭田珍）endprint