MOOC環境下嵌入式系統虛擬仿真平臺的實現與應用

平震宇，李培峰，顧曉燕

（1.江蘇信息職業技術學院物聯網工程學院，江蘇無錫214101；2.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006）

0 引 言

隨著大規模在線開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC）的迅猛發展，MOOC已經成為風靡教育領域以學習者為中心的在線學習模式，是新形勢下教育理念融合信息技術的產物。MOOC具有開放性、大規模學習人群參與、高品質微視頻、完整的課程組織結構以及基于大數據的學習分析等本質特征［1］。2010年MOOC在美國初露端倪，2012年我國一些知名大學也紛紛加入MOOC行列。2014年5月教育部“高等學校本科教學質量與教學改革工程”建設的愛課程網推出“中國大學MOOC”在線教育平臺，2015年在教育部出臺的《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》推動下“教學名師”紛紛走進了MOOC課堂，數以萬計的課程面向學習者開放。

1 MOOC的實踐教學需求

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

嵌入式Linux開發是一門實踐性很強的課程，學生必須配合大量的實踐練習才能掌握嵌入式相關技能。目前各院校計算機、電信專業都開設了嵌入式Linux開發課程，為滿足實踐教學要求，各院校都購買了嵌入式實驗設備，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板［5］。這對于MOOC學習者就存在以下兩個問題：

（1）嵌入式系統試驗設備種類繁多、軟硬件資源各不相同，導致對應的系統設置和操作的不同。

（2）實驗設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教學過程中的實踐教學提供了實現方法。通過構建嵌入式虛擬仿真平臺，學習者在虛擬仿真平臺上完成各種預定的實踐項目。使MOOC學習者獲得一種高效、穩定、廉價的實踐環境［8-9］。

2 嵌入式虛擬仿真環境

Windows系統常用的虛擬仿真環境有Java虛擬機、Vmware，Microsoft的Virtual PC、Virtual Server等。嵌入式虛擬仿真環境有SkyEye，ARMulator以及本文使用的虛擬化模擬器（Quick Emulator，QEMU）。QEMU是使用可移植動態二進制翻譯器的模擬器。可以在目標體系結構（QEMU運行依賴的體系結構）的主機上模擬執行源體系結構（被模擬的體系結構）的操作系統和應用程序。QEMU是純軟件實現的虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設備。例如x86、PowerPC、ARM、MIPS等多種目標平臺。Google在開發Android系統的同時使用QEMU開發了模擬器，降低了開發人員的開發成本，促進了Android技術的推廣。

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構編譯的應用程序。在全系統模式仿真（system mode emulation）下，QEMU模擬源體系結構的整個硬件平臺［10-11］。QEMU可以在目標體系架構（如x86）下運行源體系架構（如ARM）的操作系統和程序，它虛擬仿真一個完整的系統，包括一個或多個處理器以及如顯卡、網卡等各種外圍設備，全系統模式仿真使用的范圍更加的廣泛［12-13］。

QEMU通過其快速、可移植的動態翻譯程序創建接近于主機性能的虛擬機［13-14］。QEMU完成編譯配置后，可以進行開發板級虛擬仿真，使學習者如同使用真實的開發板一樣。QEMU提供了以下4種不同模式的網絡：網橋、網絡地址轉換（Network Addresss Translation，NAT）內置的用戶模式網絡、直接分配網絡設備。豐富的網絡支持特別有利于課程實踐教學，例如BootLoad下載內核、掛載網絡文件系統等。

3 搭建嵌入式虛擬仿真環境

目標體系結構可以選擇Windows+MinGW或者Linux系統，為了減少編譯系統代碼時產生的函數庫依賴問題，本文選用Xubuntu系統。Xubuntu是一份基于Ubuntu的Linux發行版，采用輕量級的XFce桌面環境，并面向低端機器作了優化。

3.1 下載資源

由于Mini2440開發板的軟硬件資源非常豐富，所以一直是嵌入式開發學習者的入門首選。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和內核。

如果使用git下載速度慢，可以直接通過網頁下載。

3.2 編譯系統

下載完成后依次編譯QEMU程序，u-boot和內核。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，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 文件復制到/opt/mini2440 文件夾中。

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

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

3.3 配置系統參數

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

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

兩個網絡配置文件存放在/opt/mini2440文件夾下。

（3）掛載nfs文件系統。可以使用BusyBox自己搭建文件系統或者使用FriendlyARM的文件系統。將文件系統存放在/opt/root_qtopia目錄中。

再輸入bootm命令開始加載內核，當文件系統掛在成功后，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課程中的應用

《嵌入式Linux應用與開發實踐》課程是一門實踐性非常強的課程。課程偏重于嵌入式系統設計開發中的軟件方面，涉及如何搭建嵌入式Linux開發環境、配置嵌入式開發常用服務、移植Bootloader、移植內核、搭建文件系統、GUI應用開發與移植。本課程遵循“一體化設計、結構化課程、顆粒資源”建設為理念，以工作過程為導向，依據職業能力成長規律設計并組織課程內容，建設以學習者為中心的在線開放課程。課程結合在線開放課程教學的特征與需求，圍繞教學目標精心設計教學活動，科學規劃在線學習資源，明確學業評價策略和學習激勵措施［15］。課程發布在“中國大學MOOC”在線教育平臺（見圖2）。

圖2 《嵌入式Linux應用與開發實踐》課程主要內容

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

由于兄弟院校的嵌入式試驗設備各不相同，實驗開發環境不一致，導致兄弟院校學生無法按照課程視頻進行相應的實驗操作。為了使MOOC課程可以面向更多的學生，搭建了統一的嵌入式虛擬仿真環境（見圖3），并在課程公告發布了嵌入式虛擬仿真環境的百度云共享地址。根據嵌入式虛擬仿真環境優化了課程實踐教學項目，見表1。課程以虛擬仿真項目為主導，通過項目來學習對應的理論知識，根據技術難點將項目劃分為“階段性虛擬仿真項目”和“綜合性虛擬仿真項目”。

圖3 虛擬仿真環境在MOOC課程中的應用

表1 虛擬仿真實踐教學內容

通過以上虛擬仿真項目的實踐練習，使不同層次的學習者熟練掌握嵌入式Linux系統的開發流程和程序設計的各主要環節，使學習者掌握嵌入式開發環境的搭建、嵌入式開發工具，交叉編譯、BootLoader移植、內核移植等嵌入式系統開發的核心技能，為今后從事嵌入式系統行業的設計、開發工作打下堅實的基礎。MOOC通過搭建虛擬仿真環境統一了交叉編譯環境，使得不同院校的學習者可以使用相同版本的內核和BootLoader。課前學習者通過MOOC提供的視頻學習課程的基礎知識以及完成相關階段性虛擬仿真項目與測試題。在課堂教學過程中針對完成項目過程中出現的問題進行討論，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、難點進行系統的梳理和總結。

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

5 結 語

針對在《嵌入式Linux應用與開發實踐》MOOC中嵌入式實驗設備無法滿足實踐環節教學需要。本文通過構建嵌入式虛擬仿真環境，使MOOC學習者能完成預定實踐教學項目。嵌入式虛擬仿真環境可以讓MOOC學習者免費獲得開發實踐環境，并且嵌入式虛擬仿真平臺具有很好的可擴展性。經過兩年的實際應用結果表明將嵌入式虛擬仿真平臺應用于MOOC實踐教學后，能充分發揮虛擬仿真與MOOC的優勢，通過開放與共享，并提供優質、高效的、穩定的、免費的虛擬仿真平臺，將“以學生為中心”的教學理念和模式充分展示出來。