嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真實驗設(shè)計教學(xué)實踐

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摘要：軟件仿真實驗具有通用、使用靈活、易于維護以及可擴展等優(yōu)越特性，可以有效彌補硬件仿真實驗在設(shè)備維護、資源占用、成本和實驗內(nèi)容等方面的不足。采用開源仿真器QEMU設(shè)計了虛擬仿真教學(xué)實驗，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，為實驗教學(xué)活動的展開提供了更多、更靈活的選擇。將基于QEMU的軟件仿真實驗與硬件仿真實驗有機結(jié)合，使得嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)設(shè)計更加合理有效。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗；嵌入式系統(tǒng)；實驗教學(xué)；指令

模擬信息技術(shù)的發(fā)展帶動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)。作為貫徹落實該規(guī)劃的一項重要措施，近年已在高校中開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作。虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化建設(shè)和實驗教學(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)用課程團隊依托國家級實驗示范教學(xué)中心，積極開展實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，以提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)為目標(biāo)，積極探索前沿技術(shù)，注重在實驗教學(xué)中使用新興技術(shù)以提高教學(xué)效果。本文即是以團隊利用指令模擬虛擬機技術(shù)改善實驗教學(xué)的教學(xué)實踐為例，淺析虛擬仿真實驗中心建設(shè)的探索與實踐。實踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，而嵌入式系統(tǒng)課程又是實踐性極強的一門課程，因此實驗實踐環(huán)節(jié)是教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)，在實踐中可以更好地理解知識和概念，掌握開發(fā)工具，鍛煉實踐和創(chuàng)新能力。同時，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日新月異快速發(fā)展的節(jié)奏，對實踐教學(xué)不斷提出新挑戰(zhàn)，需要及時吸納新的技術(shù)，進行實驗教學(xué)改革[2]。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的計算機技術(shù)，課程內(nèi)容主要涉及對計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理、編程語言、軟件工程等知識的綜合應(yīng)用，解決基于軟硬件協(xié)同進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等問題。近年來，隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，處理器和計算機系統(tǒng)的軟件仿真技術(shù)也快速發(fā)展起來，軟件仿真技術(shù)實現(xiàn)了硬件模擬，同時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)虛擬仿真實驗成為可能[3,4]。我們基于開源虛擬機QEMU，開展虛擬仿真教學(xué)實驗設(shè)計，與硬件實驗形成了虛實結(jié)合的實驗體系，在教學(xué)實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)實驗教學(xué)效果

當(dāng)前，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實驗一般依托教學(xué)實驗電路板或教學(xué)實驗箱展開，其核心是嵌入式處理器和存儲，外圍根據(jù)需要擴展各類接口芯片，其實質(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、綜合設(shè)計開發(fā)等多種類型、不同層次的實驗，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行軟硬件技術(shù)的實驗、驗證、分析和設(shè)計，雖然是嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)必不可少的手段，但這種方式也存在一定局限，在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)如下一些問題。首先，硬件仿真是與實際場景最接近的仿真方式，不過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、多媒體計算性能取勝的DSP或者是復(fù)雜得多的CPU結(jié)構(gòu)，近年來逐漸興起的可編程SOC等眾多類型，而每一種類型下又有來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)容限定在某個類型甚至某個具體廠商的體系結(jié)構(gòu)上。同時，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)從而實現(xiàn)一定程度的接口定制，不過以硬件方式實現(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算機系統(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，也限制了軟件實踐教學(xué)設(shè)計的自由度。可見由于硬件仿真設(shè)備在處理器體系結(jié)構(gòu)、接口等方面相對固定，使得展開更加全面和多樣化的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)需求受到一定限制。從教學(xué)設(shè)備維護和教學(xué)運行角度，全硬件仿真實驗?zāi)Ｊ揭泊嬖诓蛔恪慕虒W(xué)設(shè)備維護角度看，全硬件仿真方式在承載大量實驗需求時面臨故障率高和更新周期長的雙重壓力。一方面，教學(xué)實驗設(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)實驗平臺產(chǎn)品更是如此，商業(yè)采購的設(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)的平臺則故障率和報廢率更高。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到同型號產(chǎn)品，容易造成可用實驗設(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，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)運行角度看，硬件仿真實驗在實驗室進行，易受場地限制，每次實驗又有時間限制，一些耗時較長的實驗，如操作系統(tǒng)編譯等，就不便充分展開。有限的實驗資源與增長的教學(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算機系統(tǒng)，可以模擬CPU指令執(zhí)行的過程和與外設(shè)的交互過程，可以運行在多種主機系統(tǒng)上，支持眾多的處理器架構(gòu)，具有易于更新升級、維護成本低、便于擴展、可以重構(gòu)定制等特點，而這些正是硬件仿真方式所欠缺的，可以彌補硬件仿真方式的靈活性不足、易損壞、更新周期慢、受場地和時間限制等不足。因此，將軟件仿真方式與硬件方式相結(jié)合，可以取長補短，形成對嵌入式系統(tǒng)實驗實踐教學(xué)的良好支持。

2指令模擬虛擬機選型

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外部的接口功能，其內(nèi)部實現(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)變化過程，因而更接近實際硬件。模擬嵌入式系統(tǒng)處理器或系統(tǒng)的軟件大部分運行在通用計算機平臺上，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。軟件仿真實驗需要選用合適的仿真器軟件，從嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)角度看，對仿真器軟件的基本要求是，運行在通用計算機上，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，但是對外設(shè)的仿真較少，通過半主機模式提供一個與用戶交互的控制臺終端；ARM公司的最新集成開發(fā)環(huán)境DS-5中集成了一個性能更高的模擬器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、平板等嵌入式系統(tǒng)，具有非常好的界面，不過一般只是適用于進行基于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，可以仿真外設(shè)并看到運行后輸入輸出的效果。近年來出現(xiàn)了一些各具特色的開源模擬器如開源Armulator，Simit-ARM，SPIMARMSIM，ProEmulator等，可以對基于ARM、MIPS等體系架構(gòu)的處理器或系統(tǒng)進行仿真。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)起的一個開源項目，目標(biāo)是實現(xiàn)嵌入式開發(fā)硬件模擬器，支持系統(tǒng)級仿真，已經(jīng)實現(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是一個開源的通用軟件仿真器，使用動態(tài)翻譯技術(shù)，可以在宿主機上模擬出另外一種體系結(jié)構(gòu)客戶機計算機系統(tǒng)，從而可以在宿主機上運行客戶機操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；QEMU既支持通用計算機體系結(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，使其同時也成為一款優(yōu)秀的虛擬機軟件。

3基于QEMU設(shè)計嵌入式系統(tǒng)虛擬仿真實驗

QEMU所具備的多平臺支持和系統(tǒng)級仿真能力，為嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)開拓了廣闊的空間，可以在QEMU平臺開展多種類型、不同層次實驗，為學(xué)生提供豐富的實驗內(nèi)容和更多的實踐機會，加強對其工程實踐能力的培養(yǎng)和鍛煉。在講解嵌入式操作系統(tǒng)原理部分時，教學(xué)主要以原理和算法分析為主，很多時候為了便于理解，需要規(guī)避一些硬件細(xì)節(jié)，軟件模擬器恰好符合這個需求，可以對操作系統(tǒng)做任意的定制，還可以借鑒通用計算機操作系統(tǒng)原理課程中一些經(jīng)典的教學(xué)實驗和案例，展現(xiàn)關(guān)于進程管理、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，為了幫助學(xué)生理解知識并熟悉開發(fā)工具，需要布置一些編程的實驗作業(yè)，需要上機調(diào)試，而有限的實驗室資源無法支撐這個需要。借助QEMU可以指導(dǎo)學(xué)生在自己的個人計算機上建立一個仿真開發(fā)環(huán)境，可以調(diào)試并運行學(xué)生自己編寫的程序。在講解嵌入式系統(tǒng)GUI編程時，希望學(xué)生可以動手搭建自己的GUI開發(fā)環(huán)境，自己開發(fā)GUI程序，會使用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，這些實驗也適合在課外完成，使學(xué)生有充足的時間完成設(shè)計與調(diào)試。此外，在講解嵌入式Linux驅(qū)動程序開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)編程等內(nèi)容時，也可以使用QEMU設(shè)計教學(xué)實驗、課堂演示案例等，提升教學(xué)效果。還可以設(shè)計系統(tǒng)性、綜合性實驗，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)團隊在教學(xué)實踐中基于QEMU，模擬ARMCortex-A9系統(tǒng)，開展嵌入式Linux移植和程序開發(fā)虛擬仿真綜合實驗的例子。

4結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)課程是一門實踐性非常強的課程，充分的實驗實踐是掌握好課程知識的必要條件，而由于受到課場地、經(jīng)費等限制，硬件仿真的實驗學(xué)時尚顯不足，實踐能力培養(yǎng)效果不盡理想。QEMU所具備的系統(tǒng)級仿真能力，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)容的實踐教學(xué)，加之其開源、易用等特點，為實驗教學(xué)帶來諸多好處：對于部分硬件仿真實驗可以在QEMU所模擬的系統(tǒng)上進行預(yù)習(xí)，以此為基礎(chǔ)在實驗室可以開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，就一些關(guān)鍵問題展開實驗和討論；可以布置開放性實驗作業(yè)，學(xué)生可以利用課后時間展開探索研究；可以基于軟件模擬器，增補新的課外實驗；可利用QEMU的通用多架構(gòu)支持特性，突破硬件仿真方式實驗教學(xué)依賴于具體體系結(jié)構(gòu)的限制，拓展課程覆蓋面，同時便于通過直觀的比較使學(xué)生了解不同體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點；此外，虛擬化是云計算的核心技術(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)實驗的基礎(chǔ)。當(dāng)然，軟件仿真實驗不可能取代硬件仿真實驗，兩者各具特色，教學(xué)中還需要進一步加強整體規(guī)劃，豐富實驗內(nèi)容，健全相互協(xié)調(diào)的實驗體系，使得嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)設(shè)計更加合理有效。

參考文獻

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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