陸洪毅　王蘇峰　王志英

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品脫節(jié)的問(wèn)題，介紹在嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)踐課程中進(jìn)行課程內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程改革的方法，提出一套基于智能手機(jī)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；智能手機(jī)；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

0、引言

智能手機(jī)已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，大部分人都配備了智能手機(jī)，針對(duì)智能手機(jī)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)發(fā)展也非常迅速。作為一種典型的嵌入式設(shè)備，智能手機(jī)不但具有較高的性能，而且成本較為低廉，在體積、重量、功耗、用戶體驗(yàn)上有特殊的要求，非常適合作為嵌入式系統(tǒng)/嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的載體。

在國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)2012專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)方案中，我們針對(duì)專業(yè)學(xué)位研究生教育的特點(diǎn)，開(kāi)設(shè)新的實(shí)踐類課程嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐，利用智能手機(jī)作為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)展全新的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

1、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐課程的特點(diǎn)

目前，在各大院校、各個(gè)專業(yè)中開(kāi)設(shè)的嵌入式系統(tǒng)類課程主要分為3類，一類是嵌入式硬件（ARM或者單片機(jī)）相關(guān)課程，一類是嵌入式操作系統(tǒng)（嵌入式Linux、uC/OS-II）相關(guān)課程，另一類是嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)課程。這些課程使用的硬件平臺(tái)大多是各類開(kāi)發(fā)板和開(kāi)發(fā)箱。這類硬件平臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的可塑性、可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求定制、具有豐富的外圍接口、能夠使用各種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量等，但是使用這類硬件作為硬件平臺(tái)的主要問(wèn)題就是學(xué)生缺乏興趣，硬件平臺(tái)性能較低，只能開(kāi)展一些層次較低的實(shí)驗(yàn)（如串口通信、流水燈、電子琴、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字鐘、硬件小游戲等），而且成本較高。特別需要指出的是，由于這類硬件平臺(tái)與真實(shí)智能手機(jī)系統(tǒng)差距較大，因此許多在硬件平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)的技術(shù)，不能直接應(yīng)用到現(xiàn)有的智能手機(jī)上。

結(jié)合國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生的特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)教育的特長(zhǎng)，我們以Android智能手機(jī)為平臺(tái)，開(kāi)設(shè)了多門(mén)嵌入式類的實(shí)踐課程，包括嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐、移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)踐等，特別是嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐課程，專注于智能手機(jī)Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐。該課程特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）專注Android手機(jī)的Linux內(nèi)核部分。Android是一個(gè)較大的系統(tǒng)框架，我們進(jìn)行完整的教學(xué)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，而且Android系統(tǒng)本身還在不斷快速發(fā)展，需要很多的知識(shí)和能力積累，為此，我們結(jié)合未來(lái)專業(yè)學(xué)位研究生就業(yè)的特點(diǎn)，選擇Android手機(jī)的Linux內(nèi)核部分進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，既可以避開(kāi)復(fù)雜的手機(jī)硬件，又可以增強(qiáng)實(shí)用性。

（2）實(shí)踐性強(qiáng)。傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)需要講解操作系統(tǒng)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)、各種經(jīng)典的操作系統(tǒng)構(gòu)件等，這些內(nèi)容非常繁雜，不容易講透，也不容易實(shí)踐。在該課程中，學(xué)生在第一堂課就要實(shí)際操作手機(jī)，在課程全過(guò)程中要不斷地在智能手機(jī)平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)踐，特別注重實(shí)踐性。

（3）實(shí)用性強(qiáng)。我們選用的智能手機(jī)平臺(tái)是主流的雙核1GHz、512MB智能手機(jī)，在其上進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)，可以直接或者稍作修改就移植到新的智能手機(jī)系統(tǒng)中，具有很好的實(shí)用性。學(xué)生在將來(lái)就業(yè)時(shí)，可以直接利用課堂學(xué)習(xí)成果進(jìn)行研發(fā)工作。

2、實(shí)踐平臺(tái)選擇及課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

目前智能手機(jī)陣營(yíng)主要分為蘋(píng)果的iOS陣營(yíng)和谷歌的Android陣營(yíng)。根據(jù)課程教學(xué)的需要，我們選擇開(kāi)源的Android智能手機(jī)作為實(shí)踐平臺(tái)。在該課程中，最終選擇來(lái)自韓國(guó)LG的SU660手機(jī)作為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，主要有如下幾個(gè)方面的原因。

（1）硬件開(kāi)源、操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)源。SU660可以在網(wǎng)上找到完整的手機(jī)電路原理圖，包括所有選用的硬件芯片參數(shù)、型號(hào)、PCB圖紙等，大部分選用的芯片可以找到數(shù)據(jù)手冊(cè)。操作系統(tǒng)內(nèi)核也在不斷更新，其最新版本的2.6.39.4內(nèi)核可以在官方網(wǎng)站上直接下載。這些為開(kāi)展操作系統(tǒng)內(nèi)核的教學(xué)實(shí)踐奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）價(jià)格便宜。這是在課堂教學(xué)中大規(guī)模使用的前提，該手機(jī)的裸機(jī)價(jià)格約600元，大大低于各種高檔手機(jī)的價(jià)格，也大大低于各種高檔嵌入式開(kāi)發(fā)板和開(kāi)發(fā)箱的價(jià)格。

（3）性能配置較強(qiáng)。該手機(jī)是全球首款雙核手機(jī)，配置了雙核1GHz處理器、512MB內(nèi)存、4英寸顯示屏、16GB內(nèi)置閃存、豐富的傳感器等。學(xué)生對(duì)此類手機(jī)較為熟悉，容易接受。

（4）具有較大的用戶群。在國(guó)外著名的XDA網(wǎng)站上，有專門(mén)的版面討論該手機(jī)的Android開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。對(duì)于具體問(wèn)題，學(xué)生和教師都可以在網(wǎng)上進(jìn)行研討并尋求答案。

在課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，我們采用專題的方式，圍繞與智能手機(jī)息息相關(guān)的一些專題展開(kāi)教學(xué)，具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

（1）Linux內(nèi)核的定制、移植與編譯。該專題主要介紹Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)的一般流程，包括如何定制內(nèi)核、編譯內(nèi)核和移植內(nèi)核的一般思路等。

（2）面向性能優(yōu)化的增強(qiáng)性設(shè)計(jì)。該專題主要圍繞如何提高CPU性能和I/O性能、如何評(píng)測(cè)系統(tǒng)性能等方面展開(kāi)，還涉及超頻、I/O調(diào)度算法的選擇等內(nèi)容。

（3）面向功耗優(yōu)化的增強(qiáng)性設(shè)計(jì)。該專題主要圍繞如何降低系統(tǒng)的功耗展開(kāi)，首先介紹系統(tǒng)中與電源管理相關(guān)的內(nèi)容，然后重點(diǎn)就DVFS、各個(gè)硬件模塊的低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)踐。

（4）面向安全性的增強(qiáng)性設(shè)計(jì)。該專題主要介紹Android、Linux、Bootloader等各個(gè)層次的安全性措施，智能手機(jī)Root的原理，針對(duì)智能手機(jī)的破解、解鎖、Root等技術(shù)。

（5）面向增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。該專題主要介紹各種增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的技術(shù)，如ProiectButter、未接來(lái)電提示燈、手電筒等，這些技術(shù)往往涉及特定的硬件驅(qū)動(dòng)和內(nèi)核技術(shù)，具有一定難度。

（6）基于GitHub的操作系統(tǒng)內(nèi)核協(xié)同開(kāi)發(fā)實(shí)踐。GitHub已經(jīng)成為開(kāi)源軟件的集散地，其方便的協(xié)同開(kāi)發(fā)功能吸引了全球的程序員共同完成應(yīng)用開(kāi)發(fā)。很多手機(jī)Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)也在GitHub上進(jìn)行。

3、課程教學(xué)過(guò)程

作為一門(mén)實(shí)踐性課程，學(xué)生在課程伊始就需要在真實(shí)的手機(jī)上進(jìn)行操作，通過(guò)簡(jiǎn)單的燒寫(xiě)系統(tǒng)更新手機(jī)系統(tǒng)，可以立刻體會(huì)到課堂內(nèi)容的趣味性，提升了學(xué)習(xí)興趣；然后，我們介紹基本的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核定制與編譯，通過(guò)使用編譯腳本大大簡(jiǎn)化編譯步驟，實(shí)現(xiàn)“零基礎(chǔ)”新手快速入門(mén)；使用菜單化的內(nèi)核配置工具，讓學(xué)生了解內(nèi)核配置的方法和過(guò)程，不再畏懼“龐大”的操作系統(tǒng)。

在后續(xù)各個(gè)專題中，我們會(huì)突出實(shí)踐的趣味性和實(shí)用性。例如，在講解性能增強(qiáng)專題時(shí)，開(kāi)展安兔兔跑分競(jìng)賽，看誰(shuí)的跑分高，同時(shí)根據(jù)跑分結(jié)果的不同介紹芯片工藝、批次不同帶來(lái)超頻能力不同的基本原理；在講解低功耗增強(qiáng)設(shè)計(jì)專題時(shí)，開(kāi)展待機(jī)時(shí)間競(jìng)賽，使用實(shí)驗(yàn)室提供的高精度毫安級(jí)直流電源，精確計(jì)算每個(gè)學(xué)生降頻后手機(jī)的功耗，分析手機(jī)中各個(gè)硬件模塊帶來(lái)的功耗及其優(yōu)化方法；在安全性相關(guān)專題中，介紹利用內(nèi)核設(shè)備突破手機(jī)限制的方法，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)態(tài)修改內(nèi)核，完成對(duì)手機(jī)的破解；在增強(qiáng)用戶體驗(yàn)專題中，讓學(xué)生閱讀手機(jī)特定芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，設(shè)計(jì)出帶有亮度控制的手電筒；在協(xié)同設(shè)計(jì)專題中，學(xué)生在OitHub上注冊(cè)自己的賬號(hào)，然后將自己對(duì)內(nèi)核的修改提交到教師的代碼倉(cāng)庫(kù)中，由教師審核，最后再進(jìn)行代碼合并和提交。

另一方面，在課程的教學(xué)過(guò)程中，我們特別注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，從介紹一般性的方法人手，以案例為示范，以實(shí)踐來(lái)強(qiáng)化。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)手機(jī)出現(xiàn)某種奇怪的問(wèn)題時(shí)，首先要通過(guò)adb查閱系統(tǒng)的dmesg日志，分析可能出現(xiàn)問(wèn)題的硬件部件和驅(qū)動(dòng)模塊，到Linux內(nèi)核代碼中找到相應(yīng)的源程序，通過(guò)printk等內(nèi)核調(diào)試手段，添加調(diào)試功能；然后再次燒寫(xiě)手機(jī)固件并觀察故障，完成故障的定位，故障定位后還需深入研究故障的產(chǎn)生機(jī)理，制作相應(yīng)的補(bǔ)丁或者對(duì)程序進(jìn)行修正；最后在手機(jī)上驗(yàn)證所做工作的正確性和有效性。

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，我們基本上在每個(gè)專題都設(shè)置了“找問(wèn)題、打補(bǔ)丁”的實(shí)踐環(huán)節(jié)。正是這些實(shí)踐環(huán)節(jié)、讓學(xué)生一次次地重復(fù)發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的過(guò)程，強(qiáng)化了實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)也加深了對(duì)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的理解。

4、教學(xué)成果

通過(guò)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)活動(dòng)，課程教學(xué)取得顯著成果。大部分學(xué)生表示對(duì)課程內(nèi)容較為滿意、感興趣、學(xué)有收獲。典型的教學(xué)成果案例如下。

（1）某學(xué)生通過(guò)研讀手機(jī)電路圖，發(fā)現(xiàn)其上有處理器溫度傳感器，但是在操作系統(tǒng)內(nèi)核中并沒(méi)有該功能。該生通過(guò)添加相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)，順利實(shí)現(xiàn)對(duì)該手機(jī)處理器溫度的監(jiān)控和報(bào)警功能。這一過(guò)程極大地強(qiáng)化了該生對(duì)軟硬件系統(tǒng)的理解。

（2）某本科物理專業(yè)的學(xué)生通過(guò)該課程初步掌握嵌入式系統(tǒng)，特別是嵌入式手機(jī)操作系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)和知識(shí)，能夠完成一些內(nèi)核應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

（3）某學(xué)生通過(guò)閱讀Linux內(nèi)核代碼關(guān)于音頻解碼器部分驅(qū)動(dòng)的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)官方提供代碼中的bug會(huì)導(dǎo)致通話中的語(yǔ)音問(wèn)題，于是將該問(wèn)題及解決方案發(fā)布到XDA論壇上，得到許多開(kāi)發(fā)者的認(rèn)可。

5、課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

雖然課程教學(xué)取得了一定成果，但也暴露出一些問(wèn)題。

（1）學(xué)生水平參差不齊，施教困難。特別是作為專業(yè)學(xué)位研究生，其入學(xué)基礎(chǔ)就有較大不同，導(dǎo)致施教過(guò)程中進(jìn)度控制較為困難。一些學(xué)生甚至不知道Linux，不會(huì)C語(yǔ)言，這些直接導(dǎo)致課程教學(xué)中的困難。我們只能要求這些學(xué)生在課后多補(bǔ)課，多學(xué)習(xí)，并且在課上給予額外輔導(dǎo)。

（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的培養(yǎng)不足。作為一種典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，智能手機(jī)并不是非常適合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀培養(yǎng)的載體。作為實(shí)際商品，其不具備許多開(kāi)發(fā)調(diào)試接口，學(xué)生很少接觸到硬件，也看不見(jiàn)信號(hào)，缺少對(duì)硬件的感性認(rèn)識(shí)。所有的硬件知識(shí)只能來(lái)源于電路圖、芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和源代碼等。

（3）缺乏系統(tǒng)的教材。智能手機(jī)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐有別于傳統(tǒng)的Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐，其在功耗、性能、用戶體驗(yàn)、復(fù)雜性上都有很大區(qū)別。目前關(guān)于Android手機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的書(shū)籍很多，但是關(guān)于智能手機(jī)Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)的書(shū)很少，我們只能依靠教師本身的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際指導(dǎo)。

（4）對(duì)教師自身要求較高。由于課程內(nèi)容涉及硬件、操作系統(tǒng)等方面，要求教師本身具有較廣的知識(shí)面，特別是在硬件、驅(qū)動(dòng)程序上有較強(qiáng)的基礎(chǔ)，并且能夠緊跟智能手機(jī)發(fā)展的前沿，不斷補(bǔ)充知識(shí)，強(qiáng)化自身能力。

6、結(jié)語(yǔ)

將Android智能手機(jī)作為嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)實(shí)踐的平臺(tái)是一次大膽的嘗試，它與基于傳統(tǒng)的單片機(jī)、ARM、開(kāi)發(fā)板、開(kāi)發(fā)箱的實(shí)踐有很大不同，同時(shí)提供了非常廣闊的實(shí)踐內(nèi)容選擇空間。在這次教學(xué)過(guò)程中，智能手機(jī)體現(xiàn)了其作為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生的動(dòng)手實(shí)踐能力具有良好的促進(jìn)作用。