嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真平臺及實驗

田潤澤 羅飛 丁煒超 陳琳

摘 要：嵌入式系統(tǒng)實驗課程存在硬件知識和動手操作門檻，造成學習效率低、教學效果差等問題。為解決這些問題，以Unity3D為開發(fā)工具，構(gòu)建一種嵌入式系統(tǒng)的虛擬仿真平臺，借由Unity3D游戲引擎，模擬嵌入式實驗操作環(huán)境，建模嵌入式實驗設(shè)備，并借助該虛擬仿真平臺完成嵌入式系統(tǒng)實驗。該虛擬仿真平臺能夠有效提供嵌入式Linux課程所需的實驗環(huán)境和實驗方法。基于虛擬仿真平臺的嵌入式虛擬實驗系統(tǒng)可有效降低嵌入式系統(tǒng)實驗課程的學習難度并提升教學效果。

關(guān)鍵詞：Unity3D;嵌入式系統(tǒng);虛擬仿真;模型構(gòu)建;場景構(gòu)建

DOI：10. 11907/rjdk. 192076 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0240-04

英標：Virtual Simulation Platform and Experiments of Embedded Systems

英作：TIAN Run-ze， LUO Fei，？DING Wei-chao，？CHEN Lin

英單：（School of Information and Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Abstract： The current situation of experimental curriculum of embedded systems in universities should be changed， because the experimental courses of embedded systems have the threshold of hardware knowledge and the corresponding operation， resulting in low learning efficiency and poor teaching effect. Therefore， this paper utilizes Unity3D as the development tool to construct a virtual simulation platform for embedded systems. The Unity game engine is used to simulate the operating environment of embedded experiment， where the embedded experimental equipment is modeled. The experiment of embedded systems is further carried out based on the virtual simulation platform. It is shown that the virtual simulation platform can effectively provide the experimental environment and methods for embedded Linux. The results indicate that the virtual simulation platform can effectively solve the difficulties of embedded experimental course， reduce the learning difficulty of embedded systems and improve teaching effect.

Key Words：Unity3D;embedded systems;virtual simulation;model building; scenario building

0 引言

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，關(guān)于嵌入式課程的學習越發(fā)重要。但是隨著大學課程的深入，學生們受限于精力，準備嵌入式課程的時間越來越少[1-3];同時嵌入式課程本身就是軟硬件相結(jié)合，內(nèi)容多且系統(tǒng)性較強，具有一定難度[4-5]。現(xiàn)實中往往存在這樣一種現(xiàn)象：學生深知嵌入式課程的重要性，但苦于準備時間少，課程學習難度大，使得學習成果不盡如人意[6-7]。然而，高校所能提供的技術(shù)遠遠跟不上嵌入式技術(shù)的發(fā)展，學生即使能合格完成高校課程任務(wù)，但也很難滿足企業(yè)需求。

為了解決嵌入式實驗課程所面臨的問題，需要探討新的嵌入式系統(tǒng)實驗方法。Woong Yang等[7]提供了一個Web框架來連接物理和虛擬環(huán)境，并且能夠在物理和虛擬環(huán)境之間自由切換;James Devine[8]為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了一種新的開發(fā)平臺;楊昕欣等[9]采用開源仿真器QEMU設(shè)計了虛擬仿真教學實驗，為嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)原理、嵌入式系統(tǒng)編程基礎(chǔ)、Linux驅(qū)動開發(fā)以及嵌入式開發(fā)等教學內(nèi)容提供了良好支撐;張志勇等[10]使用PROTEUS仿真實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程虛擬仿真實驗平臺，進行軟件設(shè)計和電路仿真;況立群等[11]提出將虛擬仿真技術(shù)引入嵌入式系統(tǒng)課程群的實踐教學環(huán)節(jié)，使得許多原來由硬件才能完成的功能，都能依靠軟件實現(xiàn)，即“以虛代實”“以軟代硬”“虛實結(jié)合”，構(gòu)建了與真實環(huán)境一致的虛擬仿真實踐教學平臺;楊昕欣等[12]基于主流虛擬現(xiàn)實頭顯設(shè)備設(shè)計了嵌入式相關(guān)實驗，其中，基礎(chǔ)實驗提供基本開發(fā)能力訓(xùn)練，自主實驗為學生提供發(fā)揮創(chuàng)意的空間;劉小花等[13]在虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)和運行過程中，根據(jù)信息電子類實驗課程教學特點和需要達到的實驗效果，從實踐教學內(nèi)容、教學模式、人才培養(yǎng)以及教學資源建設(shè)等方面，提出了信息電子仿真平臺可持續(xù)發(fā)展策略。

3.4 uBoot燒寫場景

uBoot燒寫是下載燒寫在本系統(tǒng)中的燒寫方式，因此下載燒寫就是uBoot燒寫，在本場景中也存在3部分：輸入框、輸出框及按鈕，但是不包括代碼編輯按鈕。按照實驗步驟輸入指令并將顯示正確結(jié)果，下方兩個按鈕分別表示返回模塊選擇場景或者進入下一場景。

3.5 結(jié)果輸出

結(jié)果輸出存在于系統(tǒng)各模塊，是驗證實驗結(jié)果是否正確的唯一方式。模塊一環(huán)境配置中，每輸入一行指令會點擊回車鍵驗證是否正確，如果結(jié)果正確，會在輸出框顯示表示輸出正確的值，有時顯示指令正確，有時解析輸入指令的含義，有時輸出正確結(jié)果;模塊二中，點擊按鈕將顯示點擊設(shè)備的詳細信息，方便使用者進一步掌握實驗器材的使用方式，在連接成功之后也會有具體顯示效果表示連接完成;模塊三中，點擊任意按鍵設(shè)計為點擊回車鍵，顯示串口終端信息，之后Print指令也將配置好的信息顯示在黑色輸出文本框中，按照實驗步驟進行將會于輸出框中表明輸入的指令是否正確，當輸入的所有指令都正確時，將按照實驗顯示結(jié)果，然后結(jié)束實驗。

4 實驗方法

構(gòu)建基于虛擬仿真平臺的嵌入式實驗環(huán)境涵蓋嵌入式Linux實驗課程所需環(huán)境，不僅可以實現(xiàn)基礎(chǔ)的交叉環(huán)境配置、下載燒寫等，也可以充分發(fā)揮Unity引擎的優(yōu)勢，實現(xiàn)硬件資源的物理連接。使用者登錄到虛擬仿真平臺，驗證通過之后即可根據(jù)系統(tǒng)提供的模塊進行實驗，選擇不同模塊將進入不同的環(huán)境中，進而根據(jù)所學知識進行實驗即可。當然，各模塊之間也存在著邏輯關(guān)系，在完成某些特定實驗之后才可以正確進行其它實驗，例如下載燒寫模塊必須在環(huán)境配置以及物理連接模塊之后進行，在環(huán)境配置或者物理連接模塊未完成之前下載燒寫模塊會產(chǎn)生錯誤結(jié)果。在實驗過程中，教師隨時監(jiān)督、指導(dǎo)學生，學生不必擔心走彎路而致使實驗時間完全浪費。同時，學生也可以按照自行設(shè)計的方法反復(fù)實驗，直至得出正確答案，具體實驗方法及結(jié)果展示如下：

環(huán)境配置模塊測試需按照環(huán)境配置步驟進行。環(huán)境配置步驟是：①新建一個目錄;②進入到工作目錄（/home/ecust/workplace，解壓交叉編譯工具鏈文件（toolchain-4.5.1-farsight. tar.bz2）;③代碼編輯;④在當前bash環(huán)境下讀取并執(zhí)行～/.bashrc中的命令;⑤測試。按照步驟，就輸入指令進行逐一對比、分析，如表1所示。

表1中的預(yù)計效果及實際效果的前兩行中，在真實環(huán)境下不會出現(xiàn)操作正確的輸出，此處是系統(tǒng)為了讓使用者更加清楚地知道自己的指令是否存在問題而加上的;第三行至最后一行是對輸入指令的解析，讓使用者理解起來更加簡單。如果顯示arm-linux-gcc等編譯命令，則配置環(huán)境成功（或者運行：arm-none-linux-gnueabi-gcc-v，不報錯，則安裝成功）。

環(huán)境配置部分的實際輸出如圖3-圖5所示。實驗結(jié)果表明，用戶可以通過嵌入式系統(tǒng)的虛擬仿真平臺完成嵌入式系統(tǒng)實驗，從而減少了用戶因不熟悉硬件知識而造成的學習困難，進而能夠大幅度提高教學效果。

5 結(jié)語

本文基于Unity3D技術(shù)對Cortex-A8 ARM實驗系統(tǒng)進行建模，進而構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)實驗所需的模塊選擇、環(huán)境配置、物理連接、下載燒寫等嵌入式實驗場景，從而提出一種面向嵌入式系統(tǒng)實驗課程的新方案——基于嵌入式虛擬仿真平臺的嵌入式虛擬實驗系統(tǒng)，該方法有效解決了嵌入式課程花費時間多、創(chuàng)新性小、實驗環(huán)境不足、實驗設(shè)備稀少等問題，并且經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計發(fā)現(xiàn)，只需加以完善，該方法完全可以應(yīng)用于構(gòu)建高校新型嵌入式實驗課程。

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（責任編輯：孫 娟）