浅谈面向嵌入式系统的操作系统教学

摘要：近年来嵌入式系统，尤其是具有操作系统的嵌入式系统取得了极大的发展。传统的操作系统课程已经不能满足嵌入式系统发展的需求，因而有必要对操作系统教学进行调整。文章中针对嵌入式系统的需求，讨论了操作系统课程如何选取教学内容、设计实验，并对教学方法进行了一定研究。

关键词：嵌入式；操作系统；教学

中图分类号：TP316.8文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)24-5959-02

The Teaching of Operating System for Embedded Systems

JIA Yong

(Xinjiang Industrial College, Urumqi 830091, China)

Abstract: In recent years, embedded systems, especially embedded systems with the operating system has made great development. Traditional operating systems course can not meet the needs of embedded system development.So, it is necessary to adjust the operating system teaching. Article, demand for embedded systems, discusses how to select the operating system courses teaching content, design experiments, and teaching methods of some studies.

Key words: embedded systems; operating system; teaching

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。

由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向应用的突出特点，因此嵌入式系统已被广泛应用于军事、国防、电子信息、家电、网络通信、工业控制等领域。嵌入式系统的应用前景是非常广阔的，IC卡、手持电脑、智能手机、车载GPS、数字电视机顶盒，人们在生活中无时无处不接触到嵌入式产品，尤其是嵌入式无线网络产品的出现，使嵌入式产品和我们的生活紧密相连。在方便人们生活的同时，嵌入式系统本身也取得了巨大的发展，由之推动了嵌入式操作系统的快速进步。嵌入式操作系统与传统的操作系统有很大的不同，这也对操作系统教学提出了不同的要求。

1 嵌入式对于操作系统教学的需求

嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，但在其特殊性首先是建立在计算机系统的普遍特性之上。现代计算机系统已经越来越离不开性能良好的操作系统和网络的支持，而嵌入式系统也是如此。从近5年来看，嵌入式系统中取得巨大发展的是拥有操作系统的嵌入式系统。未来，随着IPv6协议的全面使用，IP地址的数量将极大增加，到时每一个嵌入式终端都可以拥有自己的IP地址，网络对于嵌入式系统的重要性将前所未有的表现出来。因而，要学习好嵌入式系统首先要对操作系统的相关理论有很好的认识。

操作系统可以被看作是计算机系统的指挥中心，统管整个系统的所有资源，制定不同资源的分配策略，调度系统中运行的用户程序，协调它们对资源的需求，从而使整个系统在高效、有序的环境里运行。这中间就需要明确操作系统到底是怎样管理资源的，使用什么样的方式分配资源，使用什么样的方式协调整个系统的运行。

同时，操作系统又是一个具体的概念，只有对应具体的操作系统进行讲解，才能真正理解相关理论。作为嵌入式系统中使用最多的操作系统，同时又是开源软件的Linux就成为了最好的范例。所以，有必要将Linux操作系统的基础知识也同时进行学习。

2 教学内容的选择与构建

根据嵌入式系统的需求，可以确定教学的内容，主要分为三大部分：第一部分是传统操作系统的理论知识；第二部分是Linux操作系统的基础知识；第三部分是如何构建一个嵌入式操作系统。

2.1 嵌入式基础理论

嵌入式基础理论中应当着重讲解操作系统内核的概念，进程的概念，如何对进程进行调度，内存的管理，设备和接口管理，文件系统和文件管理等内容。这些内容都是传统操作系统课程中最核心的部分，通过这些内容的学习，要使学生具有学习后续课程的基础理论。但有别于传统的操作系统课程，对于一些极少使用的知识点必须进行删减，以节约教学时间。

2.2 Linux操作系统基础

Linux操作系统基础着重讲解Linux操作系统的基础知识。包括Linux操作系统的内核、文件系统、调度机制，以及如何使用Linux操作系统进行文件管理，权限管理，进程管理和提供各种网络服务。通过这部分内容的学习，首先为学生下一步的学习打下基础，最重要的是把学生Windows等于操作系统的错误概念改正过来，使学生真正对操作系统这个概念有一个具体化的认识。

2.3 构建嵌入式操作系统

这部分将介绍如何使用Linux操作系统为基础，构建一个嵌入式操作系统，包括内核的裁剪和移植，文件系统的使用，驱动的使用等方面。通过这部分教学，使学生对于嵌入式操作系统有明确的认识。

3 实验的选择与设计

在操作系统教学中，实验是必不可少的环节。根据嵌入式对于操作系统对于实验的需求，可以分为两大类。第一类是在虚拟机环境下的实验。第二类是嵌入式环境中的操作系统构建。

3.1 虚拟机环境下的实验设计

Linux操作系统的使用和常见的Windows操作系统有很多的不同，在Linux系统中图形界面只被作为一个用户程序存在，随时可以关闭，同时其文件系统及操作命令也和Windows不相同，因而有必要专门对其进行实践练习。但Linux操作系统中的root用户权限极大，初学者在使用该用户进行操作时常常造成各种问题，所有通常在给Linux初学者搭建实验平台是一般会使用虚拟机软件（如Vmware等）搭建一个虚拟平台。这类虚拟平台可以创建虚拟系统的镜像，如因操作错误引起问题，可以快速的通过还原镜像来解决。

在虚拟机环境下的实验主要是帮助学习Linux操作系统的基本操作，包括Linux系统的安装，Linux系统中文件的管理，权限的管理，用户的管理，进程的管理，及使用Linux系统提供各种网络服务。

3.2 嵌入式环境下的实验设计

由于嵌入式操作系统的特殊性，仅仅在PC环境下对其进行虚拟测试并不能保证其在嵌入式环境中的正常使用，因而需要使用一个真实的嵌入式环境来进行嵌入式操作系统构建的相关实验。这里可以使用嵌入式实验箱来进行。实验包括Bootloader引导程序的使用；Linux的移植、文件系统的生成与下载；Linux的驱动程序（键盘驱动、LED灯驱动、马达驱动等）的编写；Linux的应用程序的编写；使用实验箱上网等。

4 教学的方法与手段

4.1 结合计算机学科的发展现状，将各类知识综合串讲

计算机学科是一个发展迅速的学科，因而常常出现教材内容与目前的发展现状相脱节的问题。因此在授课时要特别注意查阅最新资料，用以代替教材中与目前发展现状不相符的地方。如对于处理器的主频制造工艺，内存储器的容量频率等都以最新的资料代替书中的内容，对于嵌入式系统讲解时以学生常见的智能手机为例，这些都能增加学生的学习兴趣，提高教学效果。同时，教学中应注意将多门课程的知识综合串讲，力图使学生将所有知识融会贯通，能够从整体上来理解所学。

4.2 案例式教学

实验与教学紧密结合是计算机类学科教学的一个重要特点，非常适合使用案例式教学。案例式教学的基本步骤是提出一个目标，通过分析，总结出解决方案，然后动手解决。在解决的过程中由学生为主导，教师给以指导。这种教学方法能够充分激发学生的学习热情。

4.3 分层次递进教学

学生的理解能力和知识基础各不相同，搞一刀切的教学难于做到使所有学生都受益。分层次递进的教学方式，改变过去将所有知识点一起教授的教学方法，转而从最基础核心的知识点讲起，逐渐扩展，将知识点按难度逐渐讲授。这样使所有学生都能有所得。

4.4 改革考核方式

事实证明“一张试卷打天下”的考核方式往往并不能真正反映出学生对于知识的掌握和运用情况。考核中可以引入更多的内容，如让学生按要求对Linux操作系统下的文件、权限、用户等进行管理，在嵌入式实验箱上编写一段简单的驱动程序等。把这些作为考核的重要组成部分可以很好的反映出学生运用所学知识解决具体问题的能力。

5 结论

随着嵌入式系统的快速发展，传统的操作系统课程不再适合嵌入式系统开发的需要。因而有必要对其从教学内容、教学方法和实验设计等方面进行一定的改变，使之满足嵌入式系统开发的需求。

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