《嵌入式操作系统》课程实践教学研究

时间:2022-09-02 09:51:54

《嵌入式操作系统》课程实践教学研究

摘要:计算机操作系统相关课程是计算机专业的主干课程之一。为适应物联网发展需要,对《嵌入式操作系统》课程实践教学进行了研究,并给出了每个环节的教学方案。

关键词:物联网;嵌入式操作系统;教学模式

中图分类号:G434文献标识码:A文章编号文章编号:1672-7800(2013)012-0176-03

作者简介:张莉莉(1967-) 女,硕士,三峡大学计算机学院讲师,研究方向为操作系统、系统结构。

0引言

物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中,物品能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下,物联网会是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口,是一个未来新兴产业。应这种社会需求,2010年初教育部下达了高校设置物联网专业申报通知,众多高校争相申报。三峡大学计算机科学与技术专业开设了物联网工程方向,以培养能够系统地掌握物联网相关理论、方法和技能,具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域专业知识的高级工程技术人才。但是作为一个新兴的课程体系,教学内容选择、实践环节组织等问题依然处于探索阶段。三峡大学将《嵌入式操作系统》[1]作为一门专业基础课程被列入该专业方向必修课程,和传统操作系统课程相比,嵌入式操作系统有自己的特点,尤其是实践环节,本文就《嵌入式操作系统》课程实践教学部分进行研究。

1《嵌入式操作系统》教学存在的问题

首先,《嵌入式操作系统》是近年才出现的课程,可参考和借鉴的资料不多,各个学校都在探索一种适合该课程的教学模式。

其次,嵌入式系统是个综合性很强的系统,它涵盖计算机、通信、网络、RFID等各方面的技术,那么,作为嵌入式系统开发和执行平台的操作系统也要体现这方面的特征,而如何体现尚有待进一步探索。

再次,需要更多的经费投入,实验的开设往往不是一台PC机器就可以解决的。

2《嵌入式操作系统》实践教学内容的选定

《嵌入式操作系统》同一般操作系统课程相比有很多独特之处。一般操作系统都以PC机操作系统为平台,内容包括进程管理、存储管理、设备管理以及文件系统等内容。嵌入式操作系统作为嵌入式软件开发平台,最终要和应用软件一起固化在某种设备里,因此,嵌入式操作系统应该是易于裁剪和配置[2]的。如果这种设备要联网使用,还需具备网络功能,有的还需要特殊的文件系统,而且在进程和内存管理方面也不能过于复杂,在开设实验课程时要考虑这些因素。鉴于以上分析,实践教学内容可从4个方面考虑:

(1)模拟类实验。主要是通过编写程序模拟嵌入式操作系统的一些算法。嵌入式操作系统和PC操作系统相比有很多不同之处:嵌入式操作系统要适应多种处理器、可裁剪、轻量型、实时可靠、可固化。因此,嵌入式操作系统在进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等方面有独特算法,可以开设实验编写程序模拟这类算法。此类实验通常作为课内实验与理论课同步进行,用于验证理论,属于验证型实验。

(2)分析裁剪类实验。主要利用免费操作系统,如linux、minix、ucos/Ⅱ等。先分析这些系统内核,再做适当裁剪或增加或替换。由于这类实验需要编译内核,所需时间比较长,可以作为课外选修的实验。

(3)应用型实验。通过系统调用来完成一些应用,这类实验可以是验证性的,也可以是设计类的。可以根据具体的应用,设计一个实验题目,让学生在理论和验证性实验的基础上进一步扩展。

(4)设计型实验。主要是设计一个小型的操作系统,这类实验难度较高,可以作为课程设计类实验。

三峡大学物联网方向的课内实验[1]主要是配合理论课内容而开设,总共8个实验,一个验证性实验,7个设计性实验,实验内容如表1所示。

在课内实验的基础上,再配以课外实验[1],可以提高学生的综合开发能力,课外实验可以采用项目方式进行。课内实验在虚拟机上完成,课外实验可以在基于ARM芯片的实时系统上开发;课内实验要求独立完成,课外实验可以以小组为单位完成。课外实验内容如表2所示。

3教学环境与教学方式

3.1教学环境

首先,操作系统的选择。嵌入式操作系统种类比较多,要根据先行课程和学生的层次选择不同的操作系统。对于有操作系统背景知识的学生,可以采用较为复杂的系统,如linux;

而对于没有操作系统背景的学生,可以选择简单的操作系统,例如UCOS/Ⅱ。

其次,开发工具的选择。嵌入式软件开发需要交叉编译和交叉链接。交叉编译器的主要功能是将主机上编写的源程序编译成可以在目标机上运行的代码。教学环境可以是仿真环境[2]或者是真实环境。仿真环境有嵌入式软件集成开发环境,例如lambdaTOOL,这个集成开发工具可以支持多种嵌入式操作系统,如linux或者ucos等操作系统,也支持32位的嵌入式处理器。该工具有面向教学的免费版本,利用这种工具进行实践教学的好处就是有一台PC机器即可,在实践教学经费缺乏的情况下是一种比较好的选择,对于初学者来说也是一款很方便的工具。

真实环境除了PC机器之外还需要开发板,在PC机器上编译、开发板上执行,这种环境可以锻炼学生的动手能力。真实环境开发工具和开发板有关联,这类开发工具一般有与相关开发板芯片配套的开发环境,可以针对这种开发环境设计实验内容。

3.2教学方法

过去常用的教学方式是配合理论教学开设课内实验,这类实验课时有限,每个实验偏重某个知识点,实验内容事先设定好,学生在开发板上一个一个地验证。这类实验缺乏系统性,做完后,学生缺乏完整概念,而且,这种按照指导书按部就班完成实验的方式,也缺乏创造性。对于《嵌入式操作系统》这门课程,单一地采用这种方式并不合适。

《嵌入式操作系统》实践教学可以采用多种方式,如课内课外实验相结合、验证性实验和设计性实验相结合等。课内实验开设应用型且学生在短时间内容易接受的实验,这类实验用于训练学生的基本技能。课外实验通过课程设计、大型作业等方式,要求学生开发一个小型的系统或对已有系统进行裁剪或修改。课外实验在时间上没有课内实验的限制,可以开设综合性的实验。

此外,还可以采用项目驱动式教学,如果有这个条件,可以让学生参与一些项目的开发,将科研与教学结合起来。

教学手段可以采用多媒体教学与网络辅助教学相结合的方式,多媒体教学用于面授,网络用于课外自学。《嵌入式操作系统》课程需要较强的理论知识,更需要在实践环节加强训练。多媒体教学可以作为实践教学环节的准备,形象、生动地将一些抽象的概念具体化,让学生有一个感性的认识,模拟一些在使用操作系统时看不见的过程,加深学生对知识的理解。

网络教学手段能够弥补课程教学的不足。可以充分利用现有的校园网资源开发一个网上答疑系统,学生与学生、学生与教师之间可以随时“交谈”,改变以教师为主的教学方式,转向以学生为主的教学方式。也可以尝试大规模网络开放课程(Massive Open Online Courses),这是一种依托互联网的教学模式,与传统的教学模式有很大差别,它在线提供课程教学的全过程,包括微证书的管理,是一种新型的适合高校教育的模式。在这种模式下,教室成为学习会所,教师在“云”端授课,可以不拘泥于场所、时间等因素,甚至可以让学生自行选取学习的内容。这个正好与《嵌入式操作系统》课程内容相吻合,因为嵌入式系统所涉及的领域十分广泛,在做教学计划时,将方向定在什么领域也十分困难,可以让学生自行根据爱好和市场需求制定学习模块,利用开放课堂进行学习。目前,全球比较成规模的MOOCs三大平台是Coursera、Udacity、edX,可以依托这些平台,建设《嵌入式操作系统》课程资源。

4教材

目前,《嵌入式操作系统》实践系列的教材还不多见,笔者推荐《嵌入式实时操作系统及应用开发》配套的实验方案[2]。该方案有两套,一套是利用仿真系统开发实验,工具是利用免费的开发环境Lambdatool,另一套是利用某种嵌入式微处理器开发的嵌入式软件交叉开发实验系统,也可以自行编写。

5考核方式

《嵌入式操作系统》课程教学考核方式应该多样化。传统的考核方式一般是学生按照事先设定的内容完成实验,然后提交实验报告,教师依据报告的内容给予成绩评定。《嵌入式操作系统》是一门综合性和实践性比较强的课程,用通常的机考、笔试等方式,要求在限定的短时间内完成考核存在一定的难度,因此考核方式应该多样化。将考核与教学方法相结合,对于课内实验,要求在固定时间内完成命题,这类命题一般为设计验证性的实验和难度偏低的内容;对于课外实验,考核命题可以由教师指定范围,学生自己拟定题目的方式。对于参与项目的学生,可以由项目负责人给予成绩评定。考核过程采用答辩和文字描述相结合的方式,学生提交实验报告或者设计报告,教师通过提问的方式来考核学生完成报告的程度。考核的最终成绩可以由以上3个方面来进行综合评定。

6结语

高校教育必须面向市场,不断地进行教学改革,提高教学质量。计算机专业更是一个较前沿的专业,新的概念和技术不断出现,《嵌入式操作系统》就是在物联网的新形式下开设的一门课程。鉴于嵌入式设计将操作系统和应用软件一体化的特点,《嵌入式操作系统》实践教学更要加快研究步伐,不断探索,实验内容通常每学年做一些修订,三年左右做一次较大修订。只有不断地改革《嵌入式操作系统》课程的实践教学环节,才能更好地培养动手能力强的学生,以适应物联网市场的人才需求。

参考文献参考文献:

[1]张莉莉.嵌入式操作系统课程教学探讨[J].软件导刊,2012(12):190-191.

[2]罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发[M].第3版.北京:北京航空航天大学出版社,2011.

Exploration and Practice for Embedded Operating System Teaching

英文摘要Abstract:The operating system course is the one of main course for Computer Science & Technology profession.In order to meet the needs of embedded direction, this paper presents a experimental teaching mode in class and outside class, and gives each link of the teaching plan.

英文关键词Key Words: The Internet of Things;Embedded Operating System; Teaching Mode

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