摘要：為培養(yǎng)學(xué)生嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)能力，并對受教育者實(shí)現(xiàn)分層次教育，在認(rèn)真分析了一些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出將實(shí)驗(yàn)劃分為基礎(chǔ)知識(shí)，基本技術(shù)以及綜合應(yīng)用三類，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)踐證明這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)有著重要意義。
　　關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；嵌入式系統(tǒng)；Linux系統(tǒng)
　　
　　嵌入式Linux系統(tǒng)由于具有開源、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、內(nèi)核穩(wěn)定高效等特性，在產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品的功能可擴(kuò)展性、開發(fā)時(shí)的人力投入等方面都具有顯著的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于中低端智能電子設(shè)備中。隨著物聯(lián)網(wǎng)的趨熱，作為物聯(lián)網(wǎng)的底層技術(shù)之一的嵌入式智能技術(shù)將具有巨大的市場前景[1-2]。
　　而在高校教學(xué)中，對于嵌入式技術(shù)這類強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和解決問題的能力是至關(guān)重要的。本文針對當(dāng)前高等院校嵌入式實(shí)驗(yàn)課程，特別是嵌入式實(shí)時(shí)軟件開發(fā)這門課程的教學(xué)投入不足、學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳的問題，提出了具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方案。并且詳細(xì)地剖析了一些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，給出了這些實(shí)驗(yàn)在教學(xué)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的具體方案。
　　1嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)課程分析
　　嵌入式Linux課程設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的滲透性，與其他專業(yè)課程相比，嵌入式Linux課程設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的特點(diǎn)[3]：該課程對學(xué)生的專業(yè)知識(shí)有較高的要求，課程具有交叉性，并且對學(xué)生的動(dòng)手能力和系統(tǒng)思考解決問題的能力要求較高。
　　通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握嵌入式Linux系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方面的基本概念和技能，嵌入式軟件設(shè)計(jì)的一般方法和流程，以及基本的實(shí)時(shí)控制方法、嵌入式網(wǎng)絡(luò)編程、嵌入式文件系統(tǒng)操作、I/O控制等知識(shí)；通過綜合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和模擬，使學(xué)生能夠達(dá)到實(shí)際開發(fā)能力的目的。然而嵌入式系統(tǒng)的一大特色表現(xiàn)在發(fā)展速度上[4]。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無處不在，其知識(shí)的新陳代謝的非常快，新技術(shù)層出不窮，這就需要教師不斷地將新的應(yīng)用技術(shù)補(bǔ)充到嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系之中，推陳出新，設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)際的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，針對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)開發(fā)綜合項(xiàng)目的能力，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出實(shí)用的嵌入式軟件系統(tǒng)，適應(yīng)于社會(huì)的需要。
　　本文的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在ARM-Linux操作系統(tǒng)下，結(jié)合ARM2410/PXA270/OMAP5910平臺(tái)的嵌入式Linux程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，秉承理論與實(shí)踐相結(jié)合的思想，幫助學(xué)生快速跨入嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的門檻。
　　2嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程涉及操作系統(tǒng)分析和應(yīng)用軟件編程等知識(shí)，學(xué)生需要能夠理解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工作原理、掌握基本的開發(fā)流程和開發(fā)工具的使用方法。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上既有簡單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)也有復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)，每部分的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)了“分層次、分階段”的教學(xué)思想。本文將實(shí)驗(yàn)分為三部分：
　　2.1基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)
　　目的是讓學(xué)生了解嵌入式軟件和硬件的一般開發(fā)環(huán)境與流程；熟悉實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具，掌握實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具的操作方法及使用，熟悉軟件編程環(huán)境，為更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。
　　2.1.1嵌入式應(yīng)用程序交叉開發(fā)環(huán)境的建立
　　本實(shí)驗(yàn)介紹了一般的嵌入式開發(fā)流程，以及開發(fā)環(huán)境中的軟件和硬件的安裝與調(diào)試。目的是讓學(xué)生了解嵌入式交叉編譯的相關(guān)知識(shí)，以及能夠搭建嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。
　　2.1.2開發(fā)基本的嵌入式應(yīng)用程序?qū)嵗?br/>　　通過嵌入式應(yīng)用程序Makefile與Hello World實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉Linux開發(fā)環(huán)境，了解基本的嵌入式開發(fā)的基本過程，以及Makefile的基本內(nèi)容，掌握基本的程序設(shè)計(jì)方法與流程，建立起任務(wù)的概念，為后續(xù)的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)。
　　2.1.3Linux 多線程使用實(shí)例——生產(chǎn)者-消費(fèi)者協(xié)議
　　通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解操作系統(tǒng)提出的多個(gè)機(jī)制對線程的執(zhí)行順序進(jìn)行限制，包括互斥鎖和條件變量等機(jī)制。在這里引入生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型對多線程的管理機(jī)制進(jìn)行描述。目的是讓學(xué)生了解多線程程序設(shè)計(jì)的基本原理，并且使學(xué)生學(xué)習(xí)pthread庫函數(shù)的使用。
　　2.1.4進(jìn)程相關(guān)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)——進(jìn)程創(chuàng)建及通信
　　通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解對于操作系統(tǒng)進(jìn)程的一些基本操作，包括進(jìn)程函數(shù)、信號(hào)函數(shù)和管道函數(shù)的相關(guān)使用機(jī)制等。目的是讓學(xué)生了解在Linux下進(jìn)程通信的相關(guān)原理，以及掌握使用進(jìn)程進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的能力。
　　2.2基本技能性實(shí)驗(yàn)
　　通過構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)以及內(nèi)核定制、系統(tǒng)引導(dǎo)、文件系統(tǒng)、接口設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、圖形界面設(shè)計(jì)、以及通信應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更清楚深刻地理解嵌入式Linux系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語，體會(huì)嵌入式Linux系統(tǒng)的組成要素，提高操作的人性化水平、完成功能完善的應(yīng)用系統(tǒng)。目的是讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)特有的編程機(jī)制和提供的各種編程接口，使之具備基本的嵌入式程序開發(fā)技能。
　　2.2.1嵌入式Linux內(nèi)核、引導(dǎo)系統(tǒng)和文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
　　通過構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)以及內(nèi)核定制等實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更清楚深刻地理解嵌入式Linux系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語、體會(huì)嵌入式Linux系統(tǒng)的組成要素。目的是讓學(xué)生了解Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)、具有編譯Linux內(nèi)核的能力，以及了解一個(gè)操作系統(tǒng)的構(gòu)造。
　　1)Linux內(nèi)核裁剪與編譯實(shí)驗(yàn)。
　　以源程序的形式提供給學(xué)生一個(gè)分析研究的例子，展示內(nèi)核的配置、內(nèi)核鏡像的編譯過程以及內(nèi)核的測試。讓學(xué)生了解Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，以及操作系統(tǒng)的構(gòu)造，使學(xué)生具有編譯Linux內(nèi)核的能力。
　　2) 引導(dǎo)系統(tǒng)和文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。
　　此處利用一個(gè)階段性的綜合性實(shí)驗(yàn)—軟盤Linux操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生了解一個(gè)操作系統(tǒng)的構(gòu)造，以及如何制作軟件Linux操作系統(tǒng)。在該實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生使用軟盤進(jìn)行GRUB配置，讓學(xué)生觀察如何實(shí)現(xiàn)的引導(dǎo)系統(tǒng)；之后使用make menuconfig進(jìn)行內(nèi)核配置，再使用BusyBox編譯生成一個(gè)新的根文件系統(tǒng)，使學(xué)生了解文件系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的；最后將內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)整合到軟盤中完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在讀懂源程序流程的基礎(chǔ)上可以對例程進(jìn)行修改，驗(yàn)證是否完成所設(shè)想的功能。
　　2.2.2嵌入式Linux接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶒?yàn)
　　驅(qū)動(dòng)開發(fā)是嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)中一個(gè)重要的組成部分，此部分實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的前述基本功要求較高，要求學(xué)生不僅要熟悉Linux的內(nèi)核機(jī)制、驅(qū)動(dòng)程序與用戶級(jí)應(yīng)用程序的接口關(guān)系，還要考慮設(shè)備的并發(fā)操作等因素，而且要了解所開發(fā)硬件的工作原理。
　　1) 虛擬驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)驗(yàn)。
　　使用靜態(tài)結(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)和測試。需要學(xué)生首先創(chuàng)建一個(gè)新目錄，并在其中編寫驅(qū)動(dòng)程序nodevfs.c和Makefile文件，然后編譯生成驅(qū)動(dòng)程序模塊?；谠擈?qū)動(dòng)程序模塊編寫測試程序。然后將程序模塊裝入到目標(biāo)開發(fā)板上，建立設(shè)備結(jié)點(diǎn)并連接，運(yùn)行及測試程序。通過本實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以學(xué)習(xí)在Linux下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的原理，掌握使用靜態(tài)結(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行開發(fā)調(diào)試的過程以及如何使用動(dòng)態(tài)devfs方式進(jìn)行開發(fā)調(diào)試的過程。
　　2)A/D接口驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。
　　要求學(xué)生使用C語言編程Makefile文件和線程庫，完成A/D驅(qū)動(dòng)程序以及測試程序。例如要求學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)采集A/D前三路通道信息，并在終端上顯示0～9的范圍。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握程序編寫的基本過程，以及了解S3C2410芯片的8通道10位A/D的操作與控制。
　　2.2.3嵌入式Linux圖形界面實(shí)驗(yàn)
　　
　　1)Qt圖形界面相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
　　要求學(xué)生使用C語言進(jìn)行編程，以及Makefile文件來完成Qt圖形界面相關(guān)實(shí)驗(yàn)。通過本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉如何在Linux環(huán)境下安裝Qt和Qt/Embedded環(huán)境，如何在Qt/Embedded環(huán)境下使用qvfb顯示程序結(jié)果，以及如何完成Qt/Embedded的交叉編譯環(huán)境并且運(yùn)行程序。
　　2)Qtopia的移植以及編程實(shí)驗(yàn)。
　　本實(shí)驗(yàn)的目的在于使學(xué)生熟悉如何在Linux環(huán)境下安裝Qtopia環(huán)境，如何使用qvfb顯示Qtopia環(huán)境，以及如何在開發(fā)板上運(yùn)行Qtopia環(huán)境。在了解了安裝Qtopia的基本步驟后，需要將Qtopia移植到ARM平臺(tái)上運(yùn)行。
　　2.2.4嵌入式Linux下的通信實(shí)驗(yàn)
　　隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，純單機(jī)工作已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的需求，因此各個(gè)系統(tǒng)之間的信息交互由于具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值面成為嵌入式技術(shù)更深層次的應(yīng)用。因此需要學(xué)生掌握嵌入式Linux系統(tǒng)下的各種通信應(yīng)用，包括串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、藍(lán)牙通信以及CAN總線通信。學(xué)生可以嘗試把通信編程和之前的各種案例結(jié)合起來，完成功能更加完善的應(yīng)用系統(tǒng)。
　　1) 串口通信實(shí)驗(yàn)。
　　串口作為計(jì)算機(jī)一種常用的接口，具有連接線少、通信簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。特別是在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用中，經(jīng)常需要使用宿主機(jī)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)的調(diào)試及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制。從而通過串口線連接宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)達(dá)到通信的目的。
　　要求學(xué)生編寫發(fā)送端程序和接收端程序，發(fā)送端程序經(jīng)交叉編譯后在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，接收端程序在宿主機(jī)上運(yùn)行，發(fā)送端程序通過串口發(fā)送字符給接收端。本實(shí)驗(yàn)的目的在于使學(xué)生了解使用Telnet登陸目標(biāo)機(jī)的方法以及掌握串口通信的編程方法。
　　2) 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要解決網(wǎng)絡(luò)間不同主機(jī)進(jìn)程間的相互通信問題。為了解決網(wǎng)絡(luò)上的不同主機(jī)，可以用相同的進(jìn)程號(hào)來表示沒有任何關(guān)系的兩個(gè)進(jìn)程的問題，從及操作系統(tǒng)支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議眾多，不同協(xié)議的工作方式不同，地址格式不同等問題，實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生首先熟悉TCP/IP協(xié)議中引入的地址和端口的概念，并要求學(xué)生使用C語言編寫skt_cli.c程序，stk_ser.c程序以及相應(yīng)的Makefile文件，編譯成功后生成執(zhí)行文件后，在嵌入式開發(fā)平臺(tái)和宿主機(jī)上運(yùn)行測試。本部分實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑箤W(xué)生了解在Linux系統(tǒng)下的Socket通信的基本原理，以及使學(xué)生掌握Socket編程的相關(guān)知識(shí)。
　　3) 藍(lán)牙相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
　　藍(lán)牙計(jì)劃主要是面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，使用無線微波的方式將它們連成一個(gè)微網(wǎng)，多個(gè)微網(wǎng)之間也可以互連，從而方便快速地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生編譯內(nèi)核，使內(nèi)核包含藍(lán)牙模塊的相關(guān)驅(qū)動(dòng)，重新燒寫內(nèi)核，最終使開發(fā)板上的藍(lán)牙適配器能夠和Windows主機(jī)中的藍(lán)牙適配器建立連接。其目的使學(xué)生掌握藍(lán)牙設(shè)備通信原理，以及Linux嵌入式開發(fā)平臺(tái)上藍(lán)牙設(shè)備的使用。
　　4)CAN總線實(shí)驗(yàn)。
　　要求學(xué)生使用C語言進(jìn)行編程，完成Makefile文件，CAN驅(qū)動(dòng)程序，以及測試程序的編寫。目的在于使學(xué)生掌握CAN總線通信原理，以及學(xué)習(xí)CAN總線控制器MCP2510驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，使學(xué)生能夠更改CAN應(yīng)用程序的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)開發(fā)板之間CAN數(shù)據(jù)信息的收發(fā)。
　　2.3綜合應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)
　　此階段實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谶\(yùn)用基礎(chǔ)技能部分所學(xué)，進(jìn)行綜合應(yīng)用，獨(dú)立完成項(xiàng)目開發(fā)。由于是綜合實(shí)驗(yàn)，因此在第二階段即給出題目，要求學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行構(gòu)思與準(zhǔn)備，最后連接代碼。以基于藍(lán)牙技術(shù)的嵌入式點(diǎn)菜系統(tǒng)為例，對項(xiàng)目進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)以及具體實(shí)現(xiàn)的步驟進(jìn)行介紹。
　　大多數(shù)無線點(diǎn)菜系統(tǒng)都是一套基于掌上電腦和802.11b無線局域網(wǎng)技術(shù)的實(shí)用型系統(tǒng)。從功能上來說，嵌入式開發(fā)板端即客戶端，包括開臺(tái)點(diǎn)菜模塊和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊；PC機(jī)端即服務(wù)器端，包括菜單管理模塊、消費(fèi)結(jié)賬模塊和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊?？蛻舳撕头?wù)器端的藍(lán)牙傳輸模塊都是通過后臺(tái)線程實(shí)現(xiàn)的，而其他模塊都是通過與Qt圖形界面的交互實(shí)現(xiàn)的。
　　整個(gè)點(diǎn)菜系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)為一個(gè)微微網(wǎng)，服務(wù)器端位于該微微網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)，利用BT_PROTO_ RFCOMM協(xié)議與其他的點(diǎn)菜端進(jìn)行通信。
　　1) 服務(wù)器端設(shè)定了接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，分別保存接收到的點(diǎn)菜信息和要發(fā)送的結(jié)賬房間號(hào)，利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和界面事件處理的“并行”執(zhí)行。服務(wù)器端程序一運(yùn)行，在建立圖形界面的同時(shí)，創(chuàng)建用于藍(lán)牙通信的線程并進(jìn)行連接監(jiān)聽；當(dāng)客戶端建立藍(lán)牙連接后，通信線程不斷地從與點(diǎn)菜終端的連接中讀取數(shù)據(jù)，若讀到數(shù)據(jù)，則保存到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，表示有點(diǎn)菜信息，便進(jìn)行信息提取并保存到數(shù)據(jù)庫的消費(fèi)信息表中。同時(shí)，不斷地檢查發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，若緩沖區(qū)內(nèi)容不為空，表示有了結(jié)賬的房間，則向點(diǎn)菜終端發(fā)送該數(shù)據(jù)。同樣，客戶端也設(shè)定了接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，分別保存接收到的結(jié)賬房間號(hào)和要發(fā)送點(diǎn)菜信息，利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和界面事件處理的“并行”執(zhí)行。
　　2) 藍(lán)牙程序的開發(fā)主要是利用Bluez協(xié)議棧中的相關(guān)庫函數(shù)，主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是sockaddr_rc，該結(jié)構(gòu)的用法與Socket中的sockaddr_rc類似。藍(lán)牙通信和Socket通信類似。另外藍(lán)牙地址BD_ADDR和相應(yīng)字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)：bas2str(&rem_addr.rc_bda