嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

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摘要：軟件仿真實(shí)驗(yàn)具有通用、使用靈活、易于維護(hù)以及可擴(kuò)展等優(yōu)越特性，可以有效彌補(bǔ)硬件仿真實(shí)驗(yàn)在設(shè)備維護(hù)、資源占用、成本和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面的不足。采用開源仿真器QEMU設(shè)計(jì)了虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，為嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)原理、嵌入式系統(tǒng)編程基礎(chǔ)、Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)以及嵌入式開發(fā)等教學(xué)內(nèi)容提供良好支撐。QEMU所具有的開源、多架構(gòu)支持等特性，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的展開提供了更多、更靈活的選擇。將基于QEMU的軟件仿真實(shí)驗(yàn)與硬件仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，使得嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)更加合理有效。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；嵌入式系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；指令

模擬信息技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)高等教育信息化已成為高等教育改革創(chuàng)新的重要方面，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》大力倡導(dǎo)信息技術(shù)與高等教育的深度融合，促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，創(chuàng)新人才培養(yǎng)。作為貫徹落實(shí)該規(guī)劃的一項(xiàng)重要措施，近年已在高校中開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[1]，北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)示范教學(xué)中心，積極開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)為目標(biāo)，積極探索前沿技術(shù)，注重在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用新興技術(shù)以提高教學(xué)效果。本文即是以團(tuán)隊(duì)利用指令模擬虛擬機(jī)技術(shù)改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)實(shí)踐為例，淺析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的探索與實(shí)踐。實(shí)踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，而嵌入式系統(tǒng)課程又是實(shí)踐性極強(qiáng)的一門課程，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)是教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)，在實(shí)踐中可以更好地理解知識(shí)和概念，掌握開發(fā)工具，鍛煉實(shí)踐和創(chuàng)新能力。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日新月異快速發(fā)展的節(jié)奏，對(duì)實(shí)踐教學(xué)不斷提出新挑戰(zhàn)，需要及時(shí)吸納新的技術(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[2]。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的計(jì)算機(jī)技術(shù)，課程內(nèi)容主要涉及對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理、編程語(yǔ)言、軟件工程等知識(shí)的綜合應(yīng)用，解決基于軟硬件協(xié)同進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，處理器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件仿真技術(shù)也快速發(fā)展起來(lái)，軟件仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硬件模擬，同時(shí)支持在模擬硬件上的軟件開發(fā)，很好地模擬了嵌入式系統(tǒng)課程的研究對(duì)象，使得利用軟件仿真技術(shù)開展嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為可能[3,4]。我們基于開源虛擬機(jī)QEMU，開展虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，與硬件實(shí)驗(yàn)形成了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)體系，在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好效果。

1基于軟件仿真虛擬化手段改善嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

當(dāng)前，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)一般依托教學(xué)實(shí)驗(yàn)電路板或教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱展開，其核心是嵌入式處理器和存儲(chǔ)，外圍根據(jù)需要擴(kuò)展各類接口芯片，其實(shí)質(zhì)是一種硬件仿真設(shè)備，基于核心處理器的性能，可以開展硬件控制、操作系統(tǒng)移植、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)開發(fā)等多種類型、不同層次的實(shí)驗(yàn)，在多年嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用?；谟布抡孢M(jìn)行軟硬件技術(shù)的實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證、分析和設(shè)計(jì)，雖然是嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)必不可少的手段，但這種方式也存在一定局限，在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)如下一些問(wèn)題。首先，硬件仿真是與實(shí)際場(chǎng)景最接近的仿真方式，不過(guò)也正由于硬件仿真貼近具體的應(yīng)用類型，其靈活性和通用性受到了限制。硬件仿真系統(tǒng)首先必須確定一種處理器選型，而嵌入式處理器的種類繁多，包括面向輕量級(jí)控制類應(yīng)用為主的MCU、以智能設(shè)備或復(fù)雜系統(tǒng)為主的MPU，以通信、多媒體計(jì)算性能取勝的DSP或者是復(fù)雜得多的CPU結(jié)構(gòu)，近年來(lái)逐漸興起的可編程SOC等眾多類型，而每一種類型下又有來(lái)自不同廠商的眾多不同體系結(jié)構(gòu)選擇，選定了處理器也就意味將教學(xué)內(nèi)容限定在某個(gè)類型甚至某個(gè)具體廠商的體系結(jié)構(gòu)上。同時(shí)，不同類型的處理器有與之相適應(yīng)的外設(shè)接口類型，更換處理器需要重新開發(fā)仿真設(shè)備以更換相應(yīng)外設(shè)，為此，一些硬件仿真設(shè)備采用了固定外設(shè)主板與可更換核心模塊結(jié)合的方式獲得了一定靈活性，另外一些則采用可編程SOC結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)一定程度的接口定制，不過(guò)以硬件方式實(shí)現(xiàn)處理器和接口的任意組合還不是很方便。嵌入式系統(tǒng)是軟硬件高度耦合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟件的層次架構(gòu)、開發(fā)方法和開發(fā)工具都與硬件結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，硬件仿真設(shè)備靈活度有限，也限制了軟件實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的自由度?？梢娪捎谟布抡嬖O(shè)備在處理器體系結(jié)構(gòu)、接口等方面相對(duì)固定，使得展開更加全面和多樣化的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)需求受到一定限制。從教學(xué)設(shè)備維護(hù)和教學(xué)運(yùn)行角度，全硬件仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭泊嬖诓蛔恪慕虒W(xué)設(shè)備維護(hù)角度看，全硬件仿真方式在承載大量實(shí)驗(yàn)需求時(shí)面臨故障率高和更新周期長(zhǎng)的雙重壓力。一方面，教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)品大部分沒有建立健全的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)品更是如此，商業(yè)采購(gòu)的設(shè)備質(zhì)量保證期限一般短于預(yù)期使用年限，如果是自行開發(fā)的平臺(tái)則故障率和報(bào)廢率更高。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展很快，廠商的產(chǎn)品線變化也較快，部分教學(xué)設(shè)備損壞后，一般也不容易再采購(gòu)到同型號(hào)產(chǎn)品，容易造成可用實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足。另一方面，硬件設(shè)備成本高、投入大，更新周期一般較長(zhǎng)，與目前教學(xué)內(nèi)容更新較快的節(jié)奏不能完全匹配。從教學(xué)運(yùn)行角度看，硬件仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，易受場(chǎng)地限制，每次實(shí)驗(yàn)又有時(shí)間限制，一些耗時(shí)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，如操作系統(tǒng)編譯等，就不便充分展開。有限的實(shí)驗(yàn)資源與增長(zhǎng)的教學(xué)需求之間存在一定矛盾。軟件仿真以軟件方式模擬處理器或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以模擬CPU指令執(zhí)行的過(guò)程和與外設(shè)的交互過(guò)程，可以運(yùn)行在多種主機(jī)系統(tǒng)上，支持眾多的處理器架構(gòu)，具有易于更新升級(jí)、維護(hù)成本低、便于擴(kuò)展、可以重構(gòu)定制等特點(diǎn)，而這些正是硬件仿真方式所欠缺的，可以彌補(bǔ)硬件仿真方式的靈活性不足、易損壞、更新周期慢、受場(chǎng)地和時(shí)間限制等不足。因此，將軟件仿真方式與硬件方式相結(jié)合，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成對(duì)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的良好支持。

2指令模擬虛擬機(jī)選型

軟件仿真方式一般有兩種，分為模擬器模式和仿真器模式，模擬器方式一般只模擬對(duì)外部的接口功能，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式與被模擬目標(biāo)工作方式可能完全不同，而仿真模式則是模擬目標(biāo)處理器或系統(tǒng)的底層狀態(tài)變化過(guò)程，因而更接近實(shí)際硬件。模擬嵌入式系統(tǒng)處理器或系統(tǒng)的軟件大部分運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，以模擬器方式為主，本文從教學(xué)應(yīng)用角度，不特別區(qū)分兩種方式，統(tǒng)一稱為軟件仿真器。軟件仿真器有兩種工作模式，一種是只仿真處理器的用戶模式；另一種則仿真處理器及其外圍設(shè)備，稱為系統(tǒng)仿真模式。軟件仿真實(shí)驗(yàn)需要選用合適的仿真器軟件，從嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度看，對(duì)仿真器軟件的基本要求是，運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)上，能夠模擬嵌入式處理器及盡可能豐富的外設(shè)。具有這些特性的模擬器包括ADSARMULATOR、Android仿真器、Proteus以及SkyEye和QEMU等開源模擬器。ADSARMulator是ARM公司推出的集成開發(fā)環(huán)境ADS(ARMDeveloperSuite)中提供的指令集模擬器，可以模擬ARMv5TE之前多種內(nèi)核，但是對(duì)外設(shè)的仿真較少，通過(guò)半主機(jī)模式提供一個(gè)與用戶交互的控制臺(tái)終端；ARM公司的最新集成開發(fā)環(huán)境DS-5中集成了一個(gè)性能更高的模擬器RTSM，可以模擬Cortex-A8系統(tǒng)，模擬外設(shè)接口，包括LCD控制器、鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、UART和以太網(wǎng)控制器等。Android仿真器可以模擬多種類型的手機(jī)、平板等嵌入式系統(tǒng)，具有非常好的界面，不過(guò)一般只是適用于進(jìn)行基于Android系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的仿真和調(diào)試。Proteus軟件是英國(guó)LabCenterElectronics公司的EDA工具軟件，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機(jī)，可以仿真外設(shè)并看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。近年來(lái)出現(xiàn)了一些各具特色的開源模擬器如開源Armulator，Simit-ARM，SPIMARMSIM，ProEmulator等，可以對(duì)基于ARM、MIPS等體系架構(gòu)的處理器或系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在嵌入式系統(tǒng)的開源模擬器中比較出色的是SkyEye和QEMU。SkyEye是清華大學(xué)陳渝教授在博士后期間發(fā)起的一個(gè)開源項(xiàng)目，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)嵌入式開發(fā)硬件模擬器，支持系統(tǒng)級(jí)仿真，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種架構(gòu)的處理器和包括LCD、網(wǎng)絡(luò)接口等在內(nèi)的多種外設(shè)，使用非常方便。QEMU是一個(gè)開源的通用軟件仿真器，使用動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)，可以在宿主機(jī)上模擬出另外一種體系結(jié)構(gòu)客戶機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而可以在宿主機(jī)上運(yùn)行客戶機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；QEMU既支持通用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，也支持ARM，MIPS，PowerPC，SPARC，ColdFire，MicroBlaze，Xtensa等多種嵌入式體系結(jié)構(gòu)，其支持的ARM處理器數(shù)量有50多種；QEMU使用了多種優(yōu)化技術(shù)，極大提高了仿真速度；QEMU自1.3.0版之后正式整合KVM，使其同時(shí)也成為一款優(yōu)秀的虛擬機(jī)軟件。

3基于QEMU設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

QEMU所具備的多平臺(tái)支持和系統(tǒng)級(jí)仿真能力，為嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開拓了廣闊的空間，可以在QEMU平臺(tái)開展多種類型、不同層次實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，加強(qiáng)對(duì)其工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)和鍛煉。在講解嵌入式操作系統(tǒng)原理部分時(shí)，教學(xué)主要以原理和算法分析為主，很多時(shí)候?yàn)榱吮阌诶斫?，需要?guī)避一些硬件細(xì)節(jié)，軟件模擬器恰好符合這個(gè)需求，可以對(duì)操作系統(tǒng)做任意的定制，還可以借鑒通用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理課程中一些經(jīng)典的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和案例，展現(xiàn)關(guān)于進(jìn)程管理、內(nèi)核調(diào)度等相關(guān)概念。在講解嵌入式系統(tǒng)軟件編程基礎(chǔ)時(shí)，為了幫助學(xué)生理解知識(shí)并熟悉開發(fā)工具，需要布置一些編程的實(shí)驗(yàn)作業(yè)，需要上機(jī)調(diào)試，而有限的實(shí)驗(yàn)室資源無(wú)法支撐這個(gè)需要。借助QEMU可以指導(dǎo)學(xué)生在自己的個(gè)人計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)仿真開發(fā)環(huán)境，可以調(diào)試并運(yùn)行學(xué)生自己編寫的程序。在講解嵌入式系統(tǒng)GUI編程時(shí)，希望學(xué)生可以動(dòng)手搭建自己的GUI開發(fā)環(huán)境，自己開發(fā)GUI程序，會(huì)使用Qt或其他工具，QEMU可模擬LCD外設(shè)，在模擬出的LCD上顯示圖形化界面，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，這些實(shí)驗(yàn)也適合在課外完成，使學(xué)生有充足的時(shí)間完成設(shè)計(jì)與調(diào)試。此外，在講解嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)編程等內(nèi)容時(shí)，也可以使用QEMU設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課堂演示案例等，提升教學(xué)效果。還可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的方法和流程。表2是本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)實(shí)踐中基于QEMU，模擬ARMCortex-A9系統(tǒng)，開展嵌入式Linux移植和程序開發(fā)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)的例子。

4結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，充分的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是掌握好課程知識(shí)的必要條件，而由于受到課場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等限制，硬件仿真的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)尚顯不足，實(shí)踐能力培養(yǎng)效果不盡理想。QEMU所具備的系統(tǒng)級(jí)仿真能力，使其可以支撐嵌入式系統(tǒng)課程中絕大部分軟件相關(guān)內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)，加之其開源、易用等特點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)諸多好處：對(duì)于部分硬件仿真實(shí)驗(yàn)可以在QEMU所模擬的系統(tǒng)上進(jìn)行預(yù)習(xí)，以此為基礎(chǔ)在實(shí)驗(yàn)室可以開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，就一些關(guān)鍵問(wèn)題展開實(shí)驗(yàn)和討論；可以布置開放性實(shí)驗(yàn)作業(yè)，學(xué)生可以利用課后時(shí)間展開探索研究；可以基于軟件模擬器，增補(bǔ)新的課外實(shí)驗(yàn)；可利用QEMU的通用多架構(gòu)支持特性，突破硬件仿真方式實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴于具體體系結(jié)構(gòu)的限制，拓展課程覆蓋面，同時(shí)便于通過(guò)直觀的比較使學(xué)生了解不同體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)；此外，虛擬化是云計(jì)算的核心技術(shù)之一，QEMU-KVM作為一款優(yōu)秀開源虛擬化軟件，其自身也可以成為虛擬化技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，軟件仿真實(shí)驗(yàn)不可能取代硬件仿真實(shí)驗(yàn)，兩者各具特色，教學(xué)中還需要進(jìn)一步加強(qiáng)整體規(guī)劃，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，健全相互協(xié)調(diào)的實(shí)驗(yàn)體系，使得嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)更加合理有效。

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作者:楊昕欣 刁為民 王俊 劉榮科 譚大為 單位:北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院