桑勝田，李曉明，蔣明，譚曉昀

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 微電子科學(xué)與技術(shù)系，黑龍江哈爾濱 150001）

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-time Operating System,RTOS）是嵌入式軟件課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于RTOS 具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，需要有效的教學(xué)工具來展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理；RTOS 的知識(shí)內(nèi)容繁雜，目前的教學(xué)手段無法滿足授課內(nèi)容廣度和深度的要求，亟待進(jìn)行教學(xué)環(huán)境和教學(xué)模式的改革。

1 RTOS 教學(xué)的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是十分復(fù)雜精巧的系統(tǒng)軟件程序，其內(nèi)部使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，這是嵌入式軟件的核心技術(shù)內(nèi)容之一，對(duì)其結(jié)構(gòu)和機(jī)理的剖析是嵌入式軟件課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

第一，RTOS 課程缺少能充分展示系統(tǒng)細(xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)過程的教學(xué)手段。目前在國(guó)內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的教學(xué)中，RTOS 部分都是以理論講解結(jié)合程序代碼分析為主。教學(xué)工具主要有兩種：一種是用PPT 課件中的動(dòng)畫來展示軟件關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)和過程；另一種是在硬件開發(fā)板上實(shí)驗(yàn)操作。這兩種方式都存在明顯的缺點(diǎn)。課件中的動(dòng)畫通常是局部的展示，只能演示預(yù)先設(shè)定的步驟，完整性和真實(shí)性有限；在硬件上的實(shí)驗(yàn)則可觀測(cè)性不強(qiáng)，無法直觀觀察和剖析系統(tǒng)內(nèi)部的細(xì)節(jié)和過程。

軟件可視化是近年來計(jì)算機(jī)軟硬件教學(xué)中開始采用的工具?？的螤柎髮W(xué)[1]和成功大學(xué)[2]的學(xué)者在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法課程中開發(fā)了可視化教學(xué)環(huán)境，可以動(dòng)態(tài)交互式展示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法工作過程。但這些工具僅支持單獨(dú)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法模塊的演示和教學(xué)。RTOS 包含多種復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，其教學(xué)的挑戰(zhàn)性超過算法課程中單一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)的講授。

軟件仿真技術(shù)能夠很好地展示系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)和微妙的動(dòng)態(tài)過程。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Morten B.Petersen 開發(fā)了微處理器可視化仿真軟件Ripes[3]，用于計(jì)算機(jī)硬件微結(jié)構(gòu)的教學(xué)。此外，吳海青等人基于Proteus 仿真環(huán)境開展了單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)[4]；張蓓等人則采用電路仿真技術(shù)開展傳感器及電路教學(xué)[5]。這些嘗試展示了可視化仿真技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)教學(xué)中的潛力[6-8]。

第二，RTOS 知識(shí)復(fù)雜，教學(xué)信息量大，難以在課程中充分展開講解。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不僅管理計(jì)算機(jī)的硬件資源和支持應(yīng)用程序運(yùn)行，而且對(duì)運(yùn)行時(shí)間精度和可靠度的要求都極高。由于嵌入式RTOS 知識(shí)信息量大，通常受課程容量限制，難以對(duì)這些內(nèi)容展開充分講解。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)形式則能充分利用課堂內(nèi)外的時(shí)間，擴(kuò)展課程容量[9-11]。

第三，對(duì)于學(xué)生來說，現(xiàn)有的RTOS 教學(xué)和實(shí)驗(yàn)缺少交互性和學(xué)習(xí)自主性。無論采用PPT 課件的形式還是采用硬件實(shí)驗(yàn)板的方案，都不支持遠(yuǎn)程在線自主學(xué)習(xí)。因此，針對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)教學(xué)的特殊性，使用有效的工具，適當(dāng)結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的形式，可滿足授課和實(shí)驗(yàn)中學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索式學(xué)習(xí)的需求[12]。

因此，本文提出在RTOS 教學(xué)時(shí)采用嵌入式軟硬件仿真、可視化和交互式展示軟件結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程的教學(xué)工具和方法，結(jié)合該教學(xué)工具和翻轉(zhuǎn)課堂模式，以開放式自主學(xué)習(xí)結(jié)合課上講授增加課程信息容量，使學(xué)生開展互動(dòng)式、探索型自主學(xué)習(xí)。

2 基于云平臺(tái)的可視化仿真教學(xué)環(huán)境開發(fā)

為支持翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)和教學(xué)要求，研究了適合云平臺(tái)和在線教學(xué)的仿真技術(shù)，開發(fā)了能夠交互式探索RTOS 內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅可以用于學(xué)生課下自主探索式學(xué)習(xí)，也可以用于課上教師授課和師生互動(dòng)研討。仿真平臺(tái)是本教學(xué)改革依托的技術(shù)基礎(chǔ)，也是教學(xué)改革的重點(diǎn)工作之一。

首先，開發(fā)云端仿真引擎，實(shí)現(xiàn)了脫離硬件實(shí)驗(yàn)器材的處理器仿真模擬器，開發(fā)了用于操作系統(tǒng)仿真狀態(tài)捕獲的框架，為人機(jī)交互界面提供仿真數(shù)據(jù)。然后，研究了呈現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行信息的交互方法，開發(fā)了基于Web 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖形和動(dòng)畫界面。這里，重點(diǎn)考慮了用戶控制輸入采集和回傳程序，設(shè)計(jì)開發(fā)與后端進(jìn)行信息傳遞的通信協(xié)議，優(yōu)化數(shù)據(jù)量和提高響應(yīng)速度。

該平臺(tái)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）仿真教學(xué)環(huán)境具有真實(shí)性、完整性和交互性特點(diǎn)：采用與真實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致的“硬件+RTOS”的技術(shù)方案，運(yùn)行真實(shí)完整的操作系統(tǒng)軟件，不僅能觀察軟件工作過程，而且可以揭示軟件與硬件交互的細(xì)節(jié)。相對(duì)于現(xiàn)有的預(yù)定PPT 動(dòng)畫，本系統(tǒng)呈現(xiàn)的是真實(shí)系統(tǒng)，具有信息全面，內(nèi)容豐富、交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，可進(jìn)行開放式探索學(xué)習(xí)。

（2）提供全方位洞察功能和從宏觀到微觀的揭示功能：本系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)的虛擬處理器，能以真實(shí)硬件洞察系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)和變化過程，可以在時(shí)間和空間維度上進(jìn)行比例縮放；基于云計(jì)算技術(shù)的在線使用方式，只需使用瀏覽器，即可在各種操作系統(tǒng)和電腦、平板等設(shè)備上運(yùn)行，全面支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)[13]。

最終實(shí)現(xiàn)的可視化交互仿真平臺(tái)，界面如圖1 所示。

3 基于交互式仿真環(huán)境的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

有了交互式仿真教學(xué)環(huán)境，課題組提出了基于場(chǎng)景的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。基于實(shí)際應(yīng)用中嵌入式RTOS 系統(tǒng)角色和功能場(chǎng)景，拆解關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，組織翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的任務(wù)主題，安排課下學(xué)習(xí)和課上活動(dòng)。綜上，課題組設(shè)計(jì)的總體方案如圖2 所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式

其中核心部分是交互式仿真教學(xué)環(huán)境軟件系統(tǒng)，教師面向該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于場(chǎng)景RTOS 學(xué)習(xí)的教學(xué)任務(wù)、教學(xué)方案和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)；學(xué)生以該系統(tǒng)為工具，展開探索型自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，同時(shí)以該系統(tǒng)為媒介和工具開展課堂互動(dòng)。

交互式仿真教學(xué)環(huán)境又分為仿真執(zhí)行引擎和交互式操作界面，仿真執(zhí)行引擎的任務(wù)是忠實(shí)地仿真嵌入式硬件和軟件的執(zhí)行；交互式操作界面則要以直觀易用的方式呈現(xiàn)狀態(tài)信息、在用戶控制下反饋仿真系統(tǒng)的狀態(tài)視圖。

教學(xué)方案包括任務(wù)設(shè)計(jì)和任務(wù)布置，將RTOS 教學(xué)按照專題分解教學(xué)任務(wù)，組織設(shè)計(jì)成學(xué)習(xí)場(chǎng)景。例如在uC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[14]教學(xué)中，將RTOS 的知識(shí)點(diǎn)拆解為系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)等9 個(gè)場(chǎng)景。教師圍繞這些場(chǎng)景，將任務(wù)布置給學(xué)生自主學(xué)習(xí)，待學(xué)生返回課堂，再針對(duì)這些場(chǎng)景進(jìn)行課堂討論和師生互動(dòng)。

學(xué)生按照任務(wù)自主開展RTOS 學(xué)習(xí)活動(dòng)，這里的任務(wù)并非詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，而是基于場(chǎng)景的探索式交互學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，形成課堂互動(dòng)反饋，圍繞RTOS 系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和原理，借助教學(xué)仿真軟件的可視化場(chǎng)景，使核心知識(shí)學(xué)習(xí)更具象，探索學(xué)習(xí)活動(dòng)目標(biāo)更明確。

4 課程改革實(shí)踐與效果

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于教學(xué)改革整體方案，開發(fā)了運(yùn)行在云平臺(tái)的ARM Cortex-M0 處理器的仿真引擎，并基于該程序?qū)崿F(xiàn)了微控制器硬件仿真系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該仿真系統(tǒng)可以正確執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)編譯器生成的LPC1100 單片機(jī)的軟件和RTOS 系統(tǒng)及上層應(yīng)用程序。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)依托微電子專業(yè)本科專業(yè)課程嵌入式軟件、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用，于2021 年秋季學(xué)期和2022 春季學(xué)期分別進(jìn)行了教學(xué)試驗(yàn)，按照課程大綱講授uC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在兩次試驗(yàn)中，大部分學(xué)生完成了預(yù)定的課下學(xué)習(xí)任務(wù)，參加了課上研討。與原有教學(xué)方案相比，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握均有所加強(qiáng)，并且學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)興趣更強(qiáng)，能夠主動(dòng)提出問題并進(jìn)行解答。

5 結(jié)語

本文針對(duì)嵌入式RTOS 教學(xué)的難點(diǎn)，結(jié)合云計(jì)算和交互式仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真和交互式探索學(xué)習(xí)的軟件環(huán)境，并引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。教學(xué)設(shè)計(jì)中教師將重要知識(shí)點(diǎn)組織成自主學(xué)習(xí)的場(chǎng)景，根據(jù)場(chǎng)景布置專題學(xué)習(xí)任務(wù)；學(xué)生課下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)觀察和探索；課上師生討論，教師講解，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。本文提出的工具和方法對(duì)提升教學(xué)效果和提高教學(xué)互動(dòng)性都有重要意義。

交互式可視化環(huán)境的功能和易用性能夠有效提升課程教學(xué)效果。一旦交互式可視化仿真環(huán)境開發(fā)完成，基于該環(huán)境，教師可以進(jìn)行其他課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和開展形式多樣的教學(xué)活動(dòng)。