摘要：為培養(yǎng)學生嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計能力，并對受教育者實現(xiàn)分層次教育，在認真分析了一些重點實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出將實驗劃分為基礎(chǔ)知識，基本技術(shù)以及綜合應(yīng)用三類，并給出了相應(yīng)的實驗內(nèi)容。實踐證明這些實驗內(nèi)容對促進嵌入式系統(tǒng)教學有著重要意義。
　　關(guān)鍵詞：實驗教學；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)品的功能可擴展性、開發(fā)時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]。
　　而在高校教學中，對于嵌入式技術(shù)這類強調(diào)實踐性的學科，實驗對于培養(yǎng)學生的實際操作能力和解決問題的能力是至關(guān)重要的。本文針對當前高等院校嵌入式實驗課程，特別是嵌入式實時軟件開發(fā)這門課程的教學投入不足、學生學習效果不佳的問題，提出了具體的實驗教學設(shè)計方案。并且詳細地剖析了一些重點實驗，給出了這些實驗在教學設(shè)計中實現(xiàn)的具體方案。
　　1嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)實驗課程分析
　　嵌入式Linux課程設(shè)計具有很強的滲透性，與其他專業(yè)課程相比，嵌入式Linux課程設(shè)計具有獨特的特點[3]：該課程對學生的專業(yè)知識有較高的要求，課程具有交叉性，并且對學生的動手能力和系統(tǒng)思考解決問題的能力要求較高。
　　通過實驗，學生能夠掌握嵌入式Linux系統(tǒng)程序設(shè)計方面的基本概念和技能，嵌入式軟件設(shè)計的一般方法和流程，以及基本的實時控制方法、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；通過綜合實驗的學習和模擬，使學生能夠達到實際開發(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，其知識的新陳代謝的非?？欤录夹g(shù)層出不窮，這就需要教師不斷地將新的應(yīng)用技術(shù)補充到嵌入式系統(tǒng)教學體系之中，推陳出新，設(shè)計出新的實驗項目。在實際的教學實驗中，針對嵌入式系統(tǒng)實驗，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學生自己動手設(shè)計開發(fā)綜合項目的能力，使學生能夠設(shè)計出實用的嵌入式軟件系統(tǒng)，適應(yīng)于社會的需要。
　　本文的實驗運行在ARM-Linux操作系統(tǒng)下，結(jié)合ARM2410/PXA270/OMAP5910平臺的嵌入式Linux程序設(shè)計與系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，秉承理論與實踐相結(jié)合的思想，幫助學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)實驗教學設(shè)計
　　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，學生需要能夠理解嵌入式實時操作系統(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。在實驗的設(shè)計上既有簡單的基礎(chǔ)實驗也有復(fù)雜的綜合實驗，每部分的實驗環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)了“分層次、分階段”的教學思想。本文將實驗分為三部分：
　　2.1基礎(chǔ)性實驗
　　目的是讓學生了解嵌入式軟件和硬件的一般開發(fā)環(huán)境與流程；熟悉實驗開發(fā)工具，掌握實驗開發(fā)工具的操作方法及使用，熟悉軟件編程環(huán)境，為更進一步實驗做準備。
　　2.1.1嵌入式應(yīng)用程序交叉開發(fā)環(huán)境的建立
　　本實驗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。目的是讓學生了解嵌入式交叉編譯的相關(guān)知識，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實驗，使學生熟悉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)計打基礎(chǔ)。
　　2.1.3Linux 多線程使用實例——生產(chǎn)者-消費者協(xié)議
　　通過本實驗，學生可以了解操作系統(tǒng)提出的多個機制對線程的執(zhí)行順序進行限制，包括互斥鎖和條件變量等機制。在這里引入生產(chǎn)者—消費者模型對多線程的管理機制進行描述。目的是讓學生了解多線程程序設(shè)計的基本原理，并且使學生學習pthread庫函數(shù)的使用。
　　2.1.4進程相關(guān)的應(yīng)用程序設(shè)計——進程創(chuàng)建及通信
　　通過本實驗，學生可以了解對于操作系統(tǒng)進程的一些基本操作，包括進程函數(shù)、信號函數(shù)和管道函數(shù)的相關(guān)使用機制等。目的是讓學生了解在Linux下進程通信的相關(guān)原理，以及掌握使用進程進行相關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計的能力。
　　2.2基本技能性實驗
　　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、驅(qū)動程序開發(fā)、圖形界面設(shè)計、以及通信應(yīng)用等實驗，學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)。目的是讓學生掌握嵌入式系統(tǒng)特有的編程機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)實驗
　　通過構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)以及內(nèi)核定制等實驗，學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、體會嵌入式Linux系統(tǒng)的組成要素。目的是讓學生了解Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)、具有編譯Linux內(nèi)核的能力，以及了解一個操作系統(tǒng)的構(gòu)造。
　　1)Linux內(nèi)核裁剪與編譯實驗。
　　以源程序的形式提供給學生一個分析研究的例子，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)實驗。
　　此處利用一個階段性的綜合性實驗—軟盤Linux操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，使學生了解一個操作系統(tǒng)的構(gòu)造，以及如何制作軟件Linux操作系統(tǒng)。在該實驗中，要求學生使用軟盤進行GRUB配置，讓學生觀察如何實現(xiàn)的引導(dǎo)系統(tǒng)；之后使用make menuconfig進行內(nèi)核配置，再使用BusyBox編譯生成一個新的根文件系統(tǒng)，使學生了解文件系統(tǒng)是如何實現(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驗。學生在讀懂源程序流程的基礎(chǔ)上可以對例程進行修改，驗證是否完成所設(shè)想的功能。
　　2.2.2嵌入式Linux接口設(shè)計與驅(qū)動程序?qū)嶒?br/>　　驅(qū)動開發(fā)是嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)中一個重要的組成部分，此部分實驗對學生的前述基本功要求較高，要求學生不僅要熟悉Linux的內(nèi)核機制、驅(qū)動程序與用戶級應(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)動模塊實驗。
　　使用靜態(tài)結(jié)點方式進行驅(qū)動程序的開發(fā)和測試。需要學生首先創(chuàng)建一個新目錄，并在其中編寫驅(qū)動程序nodevfs.c和Makefile文件，然后編譯生成驅(qū)動程序模塊。基于該驅(qū)動程序模塊編寫測試程序。然后將程序模塊裝入到目標開發(fā)板上，建立設(shè)備結(jié)點并連接，運行及測試程序。通過本實驗學生可以學習在Linux下進行驅(qū)動設(shè)計的原理，掌握使用靜態(tài)結(jié)點方式進行開發(fā)調(diào)試的過程以及如何使用動態(tài)devfs方式進行開發(fā)調(diào)試的過程。
　　2)A/D接口驅(qū)動實驗。
　　要求學生使用C語言編程Makefile文件和線程庫，完成A/D驅(qū)動程序以及測試程序。例如要求學生編程實現(xiàn)采集A/D前三路通道信息，并在終端上顯示0～9的范圍。通過本實驗，學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圖形界面實驗
　　
　　1)Qt圖形界面相關(guān)實驗。
　　要求學生使用C語言進行編程，以及Makefile文件來完成Qt圖形界面相關(guān)實驗。通過本實驗使學生熟悉如何在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)境并且運行程序。
　　2)Qtopia的移植以及編程實驗。
　　本實驗的目的在于使學生熟悉如何在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平臺上運行。
　　2.2.4嵌入式Linux下的通信實驗
　　隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，純單機工作已經(jīng)遠遠不能滿足用戶的需求，因此各個系統(tǒng)之間的信息交互由于具有廣泛的應(yīng)用價值面成為嵌入式技術(shù)更深層次的應(yīng)用。因此需要學生掌握嵌入式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、藍牙通信以及CAN總線通信。學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) 串口通信實驗。
　　串口作為計算機一種常用的接口，具有連接線少、通信簡單的優(yōu)點，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)常需要使用宿主機實現(xiàn)目標機的調(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和目標機達到通信的目的。
　　要求學生編寫發(fā)送端程序和接收端程序，發(fā)送端程序經(jīng)交叉編譯后在目標機上運行，接收端程序在宿主機上運行，發(fā)送端程序通過串口發(fā)送字符給接收端。本實驗的目的在于使學生了解使用Telnet登陸目標機的方法以及掌握串口通信的編程方法。
　　2) 網(wǎng)絡(luò)通信實驗。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要解決網(wǎng)絡(luò)間不同主機進程間的相互通信問題。為了解決網(wǎng)絡(luò)上的不同主機，可以用相同的進程號來表示沒有任何關(guān)系的兩個進程的問題，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，實驗需要學生首先熟悉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)平臺和宿主機上運行測試。本部分實驗?zāi)康脑谟谑箤W生了解在Linux系統(tǒng)下的Socket通信的基本原理，以及使學生掌握Socket編程的相關(guān)知識。
　　3) 藍牙相關(guān)實驗。
　　藍牙計劃主要是面向網(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微網(wǎng)，多個微網(wǎng)之間也可以互連，從而方便快速地實現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。本實驗要求學生編譯內(nèi)核，使內(nèi)核包含藍牙模塊的相關(guān)驅(qū)動，重新燒寫內(nèi)核，最終使開發(fā)板上的藍牙適配器能夠和Windows主機中的藍牙適配器建立連接。其目的使學生掌握藍牙設(shè)備通信原理，以及Linux嵌入式開發(fā)平臺上藍牙設(shè)備的使用。
　　4)CAN總線實驗。
　　要求學生使用C語言進行編程，完成Makefile文件，CAN驅(qū)動程序，以及測試程序的編寫。目的在于使學生掌握CAN總線通信原理，以及學習CAN總線控制器MCP2510驅(qū)動的開發(fā)，使學生能夠更改CAN應(yīng)用程序的內(nèi)容，實現(xiàn)兩臺開發(fā)板之間CAN數(shù)據(jù)信息的收發(fā)。
　　2.3綜合應(yīng)用性實驗
　　此階段實驗?zāi)康脑谟谶\用基礎(chǔ)技能部分所學，進行綜合應(yīng)用，獨立完成項目開發(fā)。由于是綜合實驗，因此在第二階段即給出題目，要求學生在整個實驗階段進行構(gòu)思與準備，最后連接代碼。以基于藍牙技術(shù)的嵌入式點菜系統(tǒng)為例，對項目進行整體規(guī)劃設(shè)計以及具體實現(xiàn)的步驟進行介紹。
　　大多數(shù)無線點菜系統(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，包括開臺點菜模塊和藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊；PC機端即服務(wù)器端，包括菜單管理模塊、消費結(jié)賬模塊和藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊。客戶端和服務(wù)器端的藍牙傳輸模塊都是通過后臺線程實現(xiàn)的，而其他模塊都是通過與Qt圖形界面的交互實現(xiàn)的。
　　整個點菜系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)為一個微微網(wǎng)，服務(wù)器端位于該微微網(wǎng)的中心節(jié)點，利用BT_PROTO_ RFCOMM協(xié)議與其他的點菜端進行通信。
　　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菜信息和要發(fā)送的結(jié)賬房間號，利用多線程技術(shù)實現(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)器端程序一運行，在建立圖形界面的同時，創(chuàng)建用于藍牙通信的線程并進行連接監(jiān)聽；當客戶端建立藍牙連接后，通信線程不斷地從與點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，表示有點菜信息，便進行信息提取并保存到數(shù)據(jù)庫的消費信息表中。同時，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)賬房間號和要發(fā)送點菜信息，利用多線程技術(shù)實現(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。藍牙通信和Socket通信類似。另外藍牙地址BD_ADDR和相應(yīng)字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)：bas2str(&rem_addr.rc_bda