國產嵌入式操作系統工程教學探索

摘" 要" LiteOS、TecentOS Tiny、AliOS Things和RT-Thread等四種國產嵌入式操作系統都具備支持多線程、實時性和模塊化等能力。它們還在低功耗、安全、支持終端入云以及集成開發環境易用等方面有較好表現，符合當前物聯網開發的技術趨勢。在電子信息產業國產化浪潮下，開設基于STM32開發板的國產嵌入式操作系統實踐課程，從社會實際需求角度培養大學生動手能力，建立自主可控意識。

關鍵詞" 嵌入式操作系統；電子信息；物聯網；STM32；MCU

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）07-00-04

0" 引言

針對科技和產業發展的現狀，中國政府制定了“中國制造2025”、創新驅動發展等國家戰略，以期在未來的科技發展中取得先機。近年疫情、戰爭、經濟等因素使國際形勢越來越復雜，中國電子信息產業被“卡脖子”的情況越發嚴重[1]，部分半導體芯片和操作系統等關鍵基礎部件的使用受到制約。嵌入式系統是電子信息行業的重要產品形態，作為嵌入式系統中最重要的組成部分的 MCU（Micro Controller Unit）和嵌入式操作系統的重要性越來越凸顯。中國電子信息行業和企業意識到需要在國產芯片和國產操作系統等關鍵技術上提高競爭力，突破國外的封鎖，做到技術和產品自主可控[2]。在此背景下，中國企業紛紛用國產MCU和嵌入式操作系統替代國外的同類產品。

為了支持國家戰略和主動應對新一輪科技革命與產業變革，教育部積極推進新工科建設，提出我國高校要在工程科技創新和產業創新中發揮主體作用，要對區域經濟發展和產業轉型升級發揮支撐作用[3]。各高校在新工科建設要求指引下，以及電子信息行業實施國產化背景下，要及時捕捉電子信息行業國產化的趨勢，在教學課程中盡快開展嵌入式系統國產化的理論和實踐教學。為了讓大學生及時掌握行業發展情況，畢業后很好地服務社會和企業，開展通用MCU上應用國產嵌入式操作系統進行物聯網開發的工程實踐課程，讓學生在了解國產嵌入式操作系統的基礎上，進行實踐開發，增強學生對國家自主可控戰略的理解，培養學生自主創新的能力。

1" 嵌入式操作系統

1.1" 嵌入式系統發展趨勢

嵌入式系統是一種由硬件和軟件組成的計算機系統，硬件包括微處理器與外部設備，軟件包括嵌入式操作系統和應用軟件。嵌入式系統和傳統意義的通用計算機系統的主要差異在于嵌入式系統是為不同目的或應用場景而定制的專用計算機系統。嵌入式系統早期典型的運行形態是在8位MCU上運行一個無限循環的裸機軟件程序，進行計算和控制外設，以滿足具體的應用場景需求。伴隨應用的深入化和廣泛化，嵌入式系統呈現出復雜化、互聯化和32位MCU普及化等發展趨勢[4]。

第一個趨勢是復雜化。隨著在智能機器人、新能源汽車、高精度工業控制等領域的AIoT應用越來越多，嵌入式系統傳感器數量、計算量、業務邏輯復雜度等都逐漸增加。這些領域對嵌入式系統的安全性、可靠性和智能化的要求越來越高，這意味著嵌入式系統原來低位MCU的硬件算力和一個無限循環的軟件程序形態無法滿足時代發展的需要。嵌入式系統需要將MCU提升為32位甚至64位，再結合基于嵌入式操作系統開發的應用軟件才能滿足AIoT的要求。嵌入式操作系統可以為AIoT提供基礎的多線程運行環境、可擴展的內核技術以及支撐功能、信息安全和邊緣計算架構，有效地降低應用開發的復雜度[5]。

第二個趨勢是互聯化。隨著通信技術的發展以及應用場景越來越廣泛，嵌入式系統服務對象需要實時接收和反饋信息，要求嵌入式系統具備靈活的在線互聯能力。在物聯網時代如果還用裸機軟件為各個嵌入式系統的互聯進行定制化開發，無疑是在重復勞動，浪費資源，將會降低社會生產效率，阻礙物聯網的發展。借鑒通用計算機系統的互聯網發展歷程，物聯網需要嵌入式系統的通信組件標準化和模塊化，而嵌入式操作系統中內嵌的通信組件無疑是最好的選擇。

第三個趨勢是32位MCU普及化。根據IC Insights最新發布的全球半導體市場統計，當前全球MCU市場中32位MCU份額超過70%，4/8/16位MCU市場正在逐步萎縮。中國MCU市場情況類似，32位MCU份額超過了50%。IC Insights預測全球MCU市場從2021年至2026年，32位MCU的份額將增長9.4%，而4/8/16位MCU市場份額只有很小的增長。可見，行業逐漸在用高位MCU替換低位MCU，這為嵌入式操作系統的廣泛應用提供了硬件基礎。

從嵌入式系統的發展趨勢可見，嵌入式操作系統作為關鍵組件，逐漸成為嵌入式系統應用軟件的基礎。在嵌入式系統的32位MCU上引入嵌入式操作系統進行應用開發，順應整個行業發展的趨勢。

1.2" 國產嵌入式操作系統概述

嵌入式操作系統是支撐嵌入式應用的操作系統，是嵌入式系統軟件的基礎。它通常包括與硬件相關的底層驅動、設備驅動、系統內核、通信協議、人機界面等。

嵌入式操作系統能夠有效管理越來越復雜的系統資源，能夠提供庫函數、標準設備驅動程序以及工具集等。相對通用操作系統，嵌入式操作系統在系統實時性、運行效率、對硬件的兼容以及應用的專用性等方面的要求更高。

早期的嵌入式操作系統基本都是國外廠商提供的，優秀的代表有uC/OS、VxWorks、FreeRTOS等。物聯網的發展引起國內廠家對嵌入式操作系統的重視，近些年逐步出現華為LiteOS、騰訊TecentOS Tiny、阿里巴巴AliOS Things、睿賽德RT-Thread、翼輝信息SylixOS、中國移動OneOS-lite等一批優秀的國產化嵌入式操作系統。

通過對比國內外嵌入式操作系統，發現國產化嵌入式操作系統具備多線程、實時性、占用資源少和模塊化的通用特點。大部分國產嵌入式操作系統的內核尺寸僅為幾KB到十幾KB，比如，TencentOS Tiny的內核占用為0.8 KB RAM和1.8 KB ROM，可被應用于更多資源受限的硬件，系統啟動快速。

國產化嵌入式操作系統著力打造低功耗、安全、設備入云以及易用的集成開發環境等更出色的特性，尤其設備入云和集成開發環境這兩個方面比國外同類產品更優秀。比如，LiteOS、TecentOS Tiny和AliOS Things都內嵌了MQTT、CoAP、TLS/DTLS、TCP/UDP、Pv6/IPv4、NB-IoT、Wi-Fi、LoRa及藍牙等主流物聯網協議棧，讓嵌入式終端能低代價、快捷接入物聯網云平臺。基于易用的集成開發環境，開發者能方便地集成嵌入式操作系統提供的各種組件和板級驅動，縮短產品開發周期。

目前國產嵌入式操作系統在功能豐富度、產品成熟度和支持硬件架構上還落后于國外同類產品[6]。為解決支持硬件架構問題，各嵌入式操作系統都在逐漸發布針對不同硬件架構（比如ARM Cortex-M）的移植方法和案例。

為了提高產品的成熟度，大部分廠商對嵌入式操作系統都進行了生態建設，通過開源、社區化、免費培訓及提供更多資源等方法培育產業鏈，鼓勵更多開發者參與。

國產嵌入式操作系統在物聯網大趨勢下迅猛發展，并大規模應用于諸多物聯網項目中，已經形成較好的產業鏈和研發生態。

2" 國產嵌入式操作系統實踐教學現狀

當前國內高校開設的操作系統課程不少，但是講授嵌入式操作系統的課程尤其是國產嵌入式操作系統的課程較少，課程中存在一些問題。

1）課程設置偏少。嵌入式操作系統是一門系統性和實踐性非常強的學科，要掌握這門知識，需要先給學生建立較系統的計算機技術知識體系。在此之上，再學習操作系統的理論知識。還需要編寫大量的代碼并實踐開發應用。

目前國內高校電子信息專業開設的嵌入式操作系統課程以講解Linux操作系統的理論知識為

主[7]。也有部分高校開設嵌入式操作系統的選修課，講授uC/OS、FreeRTOS等比較成熟的國外的嵌入式操作系統，基本沒有國產嵌入式操作系統理論和實踐的課程。

2）實踐課程缺少嵌入式操作系統應用。大部分高校在嵌入式實踐教學時，在STM32嵌入式開發板上采用裸機軟件實現LED燈、UART、A/D、LCD、數碼管、鍵盤等實驗。大部分課程沒有涉及嵌入式操作系統方面的教學內容，學生對嵌入式操作系統的認識不足，無法采用嵌入式操作系統完成更復雜項目的開發，這在每年國家級、省級等電子類大賽中表現明顯。即使有些學生有意識地選用嵌入式操作系統來完成項目，由于前期沒有接觸，加上時間緊，臨時放棄的案例很多。

針對這些現狀，有必要加強高校電子信息類工程實踐課程在嵌入式操作系統教學上的投入，引入國產嵌入式操作系統和物聯網應用示例。國產嵌入式操作系統在物聯網方面有諸多優秀應用案例，將這些案例引入課堂，對學生后續的自我創新提高會有很大幫助，同時能推廣國產嵌入式操作系統和培養學生重視自主可控的意識。

3" 工程實踐課程設計及教學實施

本文以學生中較流行的STM32為MCU，選擇LiteOS、TecentOS Tiny、AliOS Things和RT-Thread四種國產嵌入式操作系統設計工程實踐課程。考慮到授課時長的限制、學生知識結構基礎和興趣，在授課過程中學生可以選擇其中一種或者多種進行實踐操作，以便能更好地理解課程內容。

3.1" 課程設計依據

本課程中的嵌入式開發板和嵌入式操作系統的選用都已對學生日常的使用進行過調研，對應用案例進行過分析。

1）當前市場流行的嵌入式開發板型號較多，有STM32系列、樹莓派系列、Nano等。在日常應用中，學生一般選擇性價比較高而且學習開發難度低的STM32系列開發板進行開發應用，學生對此有一定基礎，這降低了教師的授課難度，同時提高了課堂效率。

2）LiteOS、TecentOS Tiny、AliOS Things和RT-Thread四種國產嵌入式操作系統都支持移植到STM32，且這些系統在國內物聯網應用中較廣泛，存在豐富的案例，便于學生理論聯系實際。

3）STM32擁有巨大的市場占有量，基于此設計的課程具有較好的普適性，學生學習后，有良好的實用性和長尾效應，除了在學校學習、探索和應用階段能起到有效作用，在后續的工作中也能起到基礎作用。

4）基于STM32的開發板保有量大，系統成熟穩定，課程開發和學生實踐過程中的系統問題少，學生能在網絡資源的幫助下分析問題、解決問題。

3.2" 課程教學目標

1）通過相關技術發展分享和典型案例分析，引入課程思政元素，除了能幫助學生建立課程內容的整體概念，還能幫助學生認識到電子信息產業國產化的意義和必要性，增強學生對課程的興趣、激發學生對知識的渴望和社會責任感。

2）通過對嵌入式系統和嵌入式操作系統的概述，學生可以了解多種國產嵌入式操作系統的特點及其開發方法，為學生的后續應用提供基礎知識。

3）通過對基于國產嵌入式操作系統開發的項目或物聯網應用案例進行分析，并提煉典型案例進行演示，學生可以了解嵌入式產品開發流程。

4）課程前期以集中授課的方式給學生講解知識點，后期以項目方式發布任務，引導學生以小組方式完成項目，增強學生的實踐動手能力，培養學生的團隊協作意識。

3.3" 課程教學實施

在課程教學準備階段，教師準備好STM32系列開發板，分別將這四個國產操作系統移植到STM32開發板上，選擇比較直觀的傳感器實現一部分基本例程，比如點亮LED、控制鍵盤、某些典型傳感器的應用等，為后續課程演示做準備。

在授課階段，首先，向學生介紹當前美國在中美貿易摩擦中使用實體清單的方式，對我國的華為、海康威視等企業以及哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學等高校的“卡脖子”行為，讓學生了解在關鍵技術上實現自主可控的必要性。其次，針對四個主流國產嵌入式操作系統進行介紹，包括操作系統的功能、特點、基于此操作系統進行開發的流程和方法以及搭建開發環境等，并提供學習資源，鼓勵學生利用課余時間主動學習這些資料。最后，向學生演示不同操作系統的應用例程，介紹如何創建任務、編寫代碼、編譯和下載程序并在開發板上運行，讓學生有生動感受，并逐漸熟悉用這些操作系統進行開發的方法和流程。

在學生實踐操作階段，采用項目式教學的方式進行授課，流程如表1所示。讓學生自主組隊、討論項目主題、任務分工、協助學生分析項目目標和范圍（基于實驗室能具備的條件）、完成立項報告。指導學生執行項目，主要包括設計方案、編碼調試和系統測試。最后指導學生完成結項報告，完成對學生的成績評定。經過兩個選修班授課實踐，學生反饋不僅可以學習基礎的例程，還有機會挑戰更復雜的系統，這有助于他們學習操作系統和利用操作系統開發更多的物聯網項目。

4" 結束語

在工程實踐課程中引入國產嵌入式操作系統是當前社會發展的需要，能增強學生核心技術國產化的意識和使命感，讓學生明確自己的歷史責任和社會責任，增強學生心系國家重大發展戰略的意識，為物聯網和中國電子信息產業的健康發展貢獻一份力量。

希望國家、行業和企業能大膽創新，掌握核心技術，培育壯大產業鏈，再反哺基礎嵌入式軟硬件生態建設和人才培養，繼續推動產業全球化。

5" 參考文獻

[1]徐先莽，代娟，劉雨生，等.新工科背景下科教融合驅

動機制及運行保障策略[J].當代教育理論與實踐，" " 2022（1）：113-117.

[2]尹生.基于國產元器件開展設計的思考[J].數字技術與應用，2022（12）：204-207.

[3]教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[A/OL].（2017-02-20）[2018-08-02].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[4]何軼，龍陳鋒.物聯網專業《操作系統》課程教學改革探索[J].現代計算機（專業版），2018（35）：71-74.

[5]何小慶.國產嵌入式操作系統發展思考[J].單片機與嵌入式系統應用，2019（12）：4-5，10.

[6]何小慶.3種物聯網操作系統分析與比較[J].微納電子與智能制造，2020（1）：65-72.

[7]楊艷華，普園媛，周永錄.“新工科”背景下物聯網工程專業“嵌入式操作系統”課程考核模式探索與實踐[J].工業和信息化教育，2018（12）：29-33，38.

作者簡介：王建花，博士，工程師；朱宜斌，工程師。