于杰

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，福建 漳州 363105）

關(guān)于基于ARM嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)的若干探索

于杰

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，福建 漳州 363105）

嵌入式軟件設(shè)計(jì)是當(dāng)今社會(huì)需求的一個(gè)熱點(diǎn)，也是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)，長(zhǎng)期以來高校的嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)存在著忽視開源軟件教學(xué)工具，輕視軟件調(diào)試教學(xué)，和缺乏軟件設(shè)計(jì)實(shí)例化等問題，本文主要在實(shí)際教學(xué)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出若干解決辦法，從而達(dá)到提高嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)水平的目的.

嵌入式；軟件設(shè)計(jì)；軟件調(diào)試；開源軟件；項(xiàng)目化；教學(xué)

目前，嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)無處不在，通信、信息、數(shù)字家庭和工業(yè)控制等領(lǐng)域，隨處都能見到嵌入式產(chǎn)品.而ARM系列的處理器更是其中的佼佼者，這使得基于ARM的嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最熱門的學(xué)科之一，龐大的嵌入式軟件系統(tǒng)的市場(chǎng)急需大量合格的專業(yè)人才，這無疑為高校的嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)帶來了新的機(jī)遇[1].但與此同此，嵌入式知識(shí)的學(xué)習(xí)非常廣泛，不僅要學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的知識(shí)，同時(shí)也涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)組成原理，操作系統(tǒng)和編譯原理等相關(guān)知識(shí)，這樣為相應(yīng)的教學(xué)帶來了不小的挑戰(zhàn)，如何既能做到聯(lián)系相關(guān)課程的知識(shí)，又能突出嵌入式軟件設(shè)計(jì)本身的特點(diǎn)，便成為當(dāng)前嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)急需解決的問題.而本文主要總結(jié)了作者在嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)，希望能夠?qū)ζ渌咝５那度胧杰浖O(shè)計(jì)教學(xué)有所啟發(fā).

1 開源軟件和開發(fā)環(huán)境的引入

目前高校傳統(tǒng)的嵌入式軟件教學(xué)主要采用的是ADS、RVDS、以及CodeWarrior等國(guó)外商業(yè)軟件進(jìn)行，這些商業(yè)軟件有著穩(wěn)定可靠、方便易用、可擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其商業(yè)性質(zhì)的原因，也不可避免的帶來了，諸如知識(shí)產(chǎn)權(quán)，軟件費(fèi)用，以及盜版泛濫等相關(guān)問題，這些問題已經(jīng)嚴(yán)重的影響了嵌入式軟件教學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展.把開源軟件長(zhǎng)期排除在外，使開源軟件教育以商業(yè)化培訓(xùn)為主，是少數(shù)人才能接受的“陽春白雪”式高端教育，未能形成開源人才的規(guī)?；囵B(yǎng).對(duì)于國(guó)內(nèi)眾多開源企業(yè)來說，“招不到合適的人才”也成為長(zhǎng)期困擾企業(yè)發(fā)展的瓶頸之一.而把開源軟件和開發(fā)環(huán)境引入高校課堂當(dāng)中，正是對(duì)開源軟件普及型教育的一種體現(xiàn)，也是增強(qiáng)計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生競(jìng)爭(zhēng)力的一種手段.

為此，筆者根據(jù)本?；贏RM的嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)際情況，使用GNU-Make與編譯器配合負(fù)責(zé)代碼的管理.GNU-Make可以支持大多數(shù)PC操作系統(tǒng)，包括Windows、Linux、MacOS等，GNU-Make的機(jī)制簡(jiǎn)單易懂且適用于模塊化的系統(tǒng)，而且GNU-Make其完全免費(fèi)的特性，更可以在實(shí)驗(yàn)室等環(huán)境大面積的使用，而沒有費(fèi)用問題，這樣就為學(xué)生的學(xué)習(xí)搭建了一個(gè)有效的平臺(tái)，而且，該平臺(tái)由于沒有過多的封裝，開放其內(nèi)部的細(xì)節(jié)，也適合學(xué)生進(jìn)一步的了解，且具有良好的跨平臺(tái)移植能力，可用于多種教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中.

2 軟件調(diào)試的引入與強(qiáng)化

2.1 嵌入式軟件調(diào)試教學(xué)的起因

在大多數(shù)傳統(tǒng)的基于ARM嵌入式軟件設(shè)計(jì)更多的是強(qiáng)調(diào)怎樣進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，希望通過程序設(shè)計(jì)的教學(xué)，讓學(xué)生掌握相應(yīng)的知識(shí)，但這樣帶來的一個(gè)問題就是學(xué)生會(huì)認(rèn)為軟件開發(fā)的主要過程就是設(shè)計(jì)和編碼的過程而對(duì)調(diào)試和測(cè)試的理解和掌握不夠深刻.初學(xué)者在設(shè)計(jì)編寫程序的時(shí)候，很可能出現(xiàn)各種意料之外的情況，比如突然有一個(gè)錯(cuò)誤報(bào)告，或者給出一個(gè)看似正確但卻并非我們期望的結(jié)果，也可能忽略用戶的命令，甚至長(zhǎng)時(shí)間沒有反應(yīng)等，這些都是需要通過軟件調(diào)試來進(jìn)行解決的.筆者在教學(xué)過程中注意總結(jié)出初學(xué)者易犯的若干種錯(cuò)誤，并給出解決這些錯(cuò)誤的常見調(diào)試方法.

2.2 調(diào)試工具GDB的引入

通過對(duì)調(diào)試工具GDB的引用來向?qū)W生介紹常見的調(diào)試方法和思路，比如調(diào)試中必不可少的內(nèi)容—斷點(diǎn)，向?qū)W生講授關(guān)于斷點(diǎn)的細(xì)節(jié)，包括設(shè)置、刪除和禁用斷點(diǎn)，從一個(gè)斷點(diǎn)移到另一個(gè)斷點(diǎn)，查看關(guān)于斷點(diǎn)的詳細(xì)信息等等.而對(duì)于這些調(diào)試最適應(yīng)的算法，當(dāng)非樹的遍歷莫屬，這樣就采用實(shí)例涉及遍歷樹的代碼，重點(diǎn)是介紹當(dāng)?shù)竭_(dá)斷點(diǎn)時(shí)如何方便的顯示樹中節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容.再比如由于段錯(cuò)誤而產(chǎn)生的致命運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，筆者首先介紹了崩潰時(shí)在底層發(fā)生了什么事，包括程序的內(nèi)存分配以及硬件與操作系統(tǒng)的協(xié)同作用.并繼而向?qū)W生介紹核心文件，包括如何創(chuàng)建核心文件，如何使用它們來完成“事后反思”.

2.3 錯(cuò)誤代碼的解決

使用GDB工具進(jìn)行調(diào)試的前提是代碼的成功編譯，但是在實(shí)際的軟件開發(fā)當(dāng)中，學(xué)生經(jīng)常會(huì)遇到代碼不能編譯的情況，那么這時(shí)候，GDB調(diào)試工具將變得無能為力，因此一些常見的處理這種問題的方法也需要介紹給學(xué)生，比如如何處理缺少必要的庫造成的連接失敗問題，比如如何處理編譯器指出第x行有語法錯(cuò)誤，而事實(shí)上第x行完全正確，真正的錯(cuò)誤在前面的某一行.而這些過程中學(xué)生們會(huì)發(fā)現(xiàn)他們以前學(xué)過的確認(rèn)原則，二分法搜索原則非但不再抽象，晦澀，反而是一種有效的解決問題的方法和手段[2].

3 以系統(tǒng)移植為重點(diǎn)的實(shí)例化教學(xué)

現(xiàn)有的嵌入式教材大體可以分為兩類，一類教材泛泛而談：ARM、MIPS、x86等各種體系結(jié)構(gòu)處理器均做了介紹；uC/OS、Linux、WinCE等各種操作系統(tǒng)也是一一羅列其特色，但這種教材對(duì)于學(xué)生來說，更多的是走馬觀花的查閱，很難掌握嵌入式的基礎(chǔ)知識(shí)，更無法了解基于某一款處理器的基本開發(fā)過程.另一類教材通常是由嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠家提供的，基本就是數(shù)據(jù)手冊(cè)加實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，學(xué)生使用這種教材往往只見樹木不見森林，也很難系統(tǒng)掌握嵌入式系統(tǒng)的基本理論和概念[3].

筆者在從事基于ARM的嵌入式軟件設(shè)計(jì)教學(xué)工作中，根據(jù)自己的授課經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套實(shí)例化的教學(xué)方法，由于嵌入式程序開發(fā)平臺(tái)（PC機(jī)）和運(yùn)行平臺(tái)（嵌入式設(shè)備）的不同，所以所有的嵌入式開發(fā)遇到的第一個(gè)問題，毫無疑問的就是軟件的移植，所以筆者的實(shí)例化教學(xué)也是圍繞著軟件移植而展開的.

首先是Bootloader的移植，介紹了Bootloader相關(guān)知識(shí)、移植方法及要注意的事項(xiàng).之后以U-boot為例，詳細(xì)的分析了U-boot代碼，并修改U-boot代碼，使之支持Norflash和Nandflash、Nandflash啟動(dòng)、DM9000網(wǎng)卡和YAFFS文件系統(tǒng).通過本實(shí)例的學(xué)習(xí)，學(xué)生將會(huì)對(duì)嵌入式通用的Bootloader有一個(gè)大體的了解，并且可以熟練的移植U-boot和使用U-boot.

其次是內(nèi)核的移植，對(duì)Linux內(nèi)核組成和目錄進(jìn)行講解，分析Linux內(nèi)核的Makefile，解釋了Makefile的編譯流程，之后講解如何對(duì)內(nèi)核進(jìn)行剪裁配置，使之支持YAFFS、RTC時(shí)鐘、LCD和DM9000等，最終實(shí)現(xiàn)了在ARM平臺(tái)上的內(nèi)核移植，這樣學(xué)生將對(duì)Linux內(nèi)核有一個(gè)更深入的了解，學(xué)會(huì)如何進(jìn)行內(nèi)核的剪裁和內(nèi)核的移植，同時(shí)以Busybox為基礎(chǔ)進(jìn)行嵌入式開發(fā)板文件系統(tǒng)的移植，這樣學(xué)生通過對(duì)文件系統(tǒng)的選擇，對(duì)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)有更深入的了解，也將熟練的掌握如何配置一個(gè)文件系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行移植.

再次是驅(qū)動(dòng)程序的移植，首先對(duì)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了介紹和分類，講解了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的移植步驟，以Hello world、led和按鍵三個(gè)實(shí)例介紹了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的移植過程，之后講解了如何完善串口、USB、聲卡和SD卡的驅(qū)動(dòng).通過這些的學(xué)習(xí)，學(xué)生將會(huì)明白Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的重要性，學(xué)會(huì)如何寫一個(gè)簡(jiǎn)單的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)并將此驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)內(nèi)核，或者以模塊方式加載到內(nèi)核中，之后學(xué)生將學(xué)會(huì)如何完善Linux已有的一些驅(qū)動(dòng)程序.

最后是應(yīng)用程序的移植，先對(duì)嵌入式GUI進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)常見的一些GUI進(jìn)行交叉編譯和安裝，之后進(jìn)行音頻解碼器madplay的移植、數(shù)據(jù)庫SQLite的移植和Webserver的移植，通過這些學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握應(yīng)用程序移植的關(guān)鍵，達(dá)到舉一反三的目的，嘗試移植更多的應(yīng)用程序.由于現(xiàn)在Android系統(tǒng)的火爆和市場(chǎng)對(duì)Android人才的大量需求，筆者也加入了對(duì)Android系統(tǒng)的移植講解.

總結(jié)，通過上述教學(xué)方法的實(shí)施，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)更加的確定，并使得學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性都有所提高，加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，這些經(jīng)歷可能會(huì)改變一個(gè)人的學(xué)習(xí)和工作習(xí)慣，也許對(duì)學(xué)生來說是受益終身的.另外，由于學(xué)生在大學(xué)期間已經(jīng)有了一些項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)，從文檔寫作到涉及編碼的過程都得到了鍛煉，因此學(xué)生很容易找到工作，就業(yè)之后，也能非常順利的實(shí)現(xiàn)過渡.

〔1〕文全剛.嵌入式linux操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

〔2〕張?jiān)?軟件調(diào)試的藝術(shù)[M].人民郵電出版社，2009.

〔3〕李寧，宋薇，庫少平.項(xiàng)目化嵌入式教學(xué)方法研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010（2）:5-8.

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