嵌入式系統虛擬仿真實驗設計教學實踐
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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越特性，可以有效彌補硬件仿真實驗在設備維護、資源占用、成本和實驗內容等方面的不足。采用開源仿真器QEMU設計了虛擬仿真教學實驗，為嵌入式系統操作系統原理、嵌入式系統編程基礎、Linux驅動開發以及嵌入式開發等教學內容提供良好支撐。QEMU所具有的開源、多架構支持等特性，為實驗教學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合，使得嵌入式系統實驗教學設計更加合理有效。
模擬信息技術的發展帶動高等教育信息化已成為高等教育改革創新的重要方面，《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》大力倡導信息技術與高等教育的深度融合，促進教育內容、教學手段和方法現代化，創新人才培養。作為貫徹落實該規劃的一項重要措施，近年已在高校中開展國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作。虛擬仿真實驗教學是教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容[1]，北京航空航天大學電子信息工程學院嵌入式系統原理與應用課程團隊依托國家級實驗示范教學中心，積極開展實驗教學改革與創新，以提高學生實踐創新能力和工程素質為目標，積極探索前沿技術，注重在實驗教學中使用新興技術以提高教學效果。本文即是以團隊利用指令模擬虛擬機技術改善實驗教學的教學實踐為例，淺析虛擬仿真實驗中心建設的探索與實踐。實踐是創新的基礎，而嵌入式系統課程又是實踐性極強的一門課程，因此實驗實踐環節是教學中非常重要的環節，在實踐中可以更好地理解知識和概念，掌握開發工具，鍛煉實踐和創新能力。同時，嵌入式系統技術日新月異快速發展的節奏，對實踐教學不斷提出新挑戰，需要及時吸納新的技術，進行實驗教學改革[2]。嵌入式系統是以應用為中心的計算機技術，課程內容主要涉及對計算機體系結構、操作系統、編譯原理、編程語言、軟件工程等知識的綜合應用，解決基于軟硬件協同進行系統優化設計等問題。近年來，隨著虛擬化技術的發展，處理器和計算機系統的軟件仿真技術也快速發展起來，軟件仿真技術實現了硬件模擬，同時支持在模擬硬件上的軟件開發，很好地模擬了嵌入式系統課程的研究對象，使得利用軟件仿真技術開展嵌入式系統虛擬仿真實驗成為可能[3,4]。我們基于開源虛擬機QEMU，開展虛擬仿真教學實驗設計，與硬件實驗形成了虛實結合的實驗體系，在教學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實驗教學效果
當前，多數嵌入式系統教學實驗一般依托教學實驗電路板或教學實驗箱展開，其核心是嵌入式處理器和存儲，外圍根據需要擴展各類接口芯片，其實質是一種硬件仿真設備，基于核心處理器的性能，可以開展硬件控制、操作系統移植、應用程序設計、綜合設計開發等多種類型、不同層次的實驗，在多年嵌入式系統教學中發揮了重要的作用。基于硬件仿真進行軟硬件技術的實驗、驗證、分析和設計，雖然是嵌入式系統實踐教學必不可少的手段，但這種方式也存在一定局限，在教學實踐中發現如下一些問題。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用類型，其靈活性和通用性受到了限制。硬件仿真系統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用為主的MCU、以智能設備或復雜系統為主的MPU，以通信、多媒體計算性能取勝的DSP或者是復雜得多的CPU結構，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構選擇，選定了處理器也就意味將教學內容限定在某個類型甚至某個具體廠商的體系結構上。同時，不同類型的處理器有與之相適應的外設接口類型，更換處理器需要重新開發仿真設備以更換相應外設，為此，一些硬件仿真設備采用了固定外設主板與可更換核心模塊結合的方式獲得了一定靈活性，另外一些則采用可編程SOC結構從而實現一定程度的接口定制，不過以硬件方式實現處理器和接口的任意組合還不是很方便。嵌入式系統是軟硬件高度耦合的計算機系統，軟件的層次架構、開發方法和開發工具都與硬件結構有密切聯系，硬件仿真設備靈活度有限，也限制了軟件實踐教學設計的自由度。可見由于硬件仿真設備在處理器體系結構、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實踐教學需求受到一定限制。從教學設備維護和教學運行角度，全硬件仿真實驗模式也存在不足。從教學設備維護角度看，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，教學實驗設備產品大部分沒有建立健全的質量標準體系，嵌入式系統教學實驗平臺產品更是如此，商業采購的設備質量保證期限一般短于預期使用年限，如果是自行開發的平臺則故障率和報廢率更高。嵌入式系統技術發展很快，廠商的產品線變化也較快，部分教學設備損壞后，一般也不容易再采購到同型號產品，容易造成可用實驗設備數量不足。另一方面，硬件設備成本高、投入大，更新周期一般較長，與目前教學內容更新較快的節奏不能完全匹配。從教學運行角度看，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，如操作系統編譯等，就不便充分展開。有限的實驗資源與增長的教學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，可以模擬CPU指令執行的過程和與外設的交互過程，可以運行在多種主機系統上，支持眾多的處理器架構，具有易于更新升級、維護成本低、便于擴展、可以重構定制等特點，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合，可以取長補短，形成對嵌入式系統實驗實踐教學的良好支持。
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，其內部實現方式與被模擬目標工作方式可能完全不同，而仿真模式則是模擬目標處理器或系統的底層狀態變化過程，因而更接近實際硬件。模擬嵌入式系統處理器或系統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，本文從教學應用角度，不特別區分兩種方式，統一稱為軟件仿真器。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備，稱為系統仿真模式。軟件仿真實驗需要選用合適的仿真器軟件，從嵌入式系統實驗教學角度看，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。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環境ADS(ARMDeveloperSuite)中提供的指令集模擬器，可以模擬ARMv5TE之前多種內核，但是對外設的仿真較少，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環境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，模擬外設接口，包括LCD控制器、鍵盤、鼠標、觸摸屏、UART和以太網控制器等。Android仿真器可以模擬多種類型的手機、平板等嵌入式系統，具有非常好的界面，不過一般只是適用于進行基于Android系統的應用軟件的仿真和調試。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，可以仿真外設并看到運行后輸入輸出的效果。近年來出現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等體系架構的處理器或系統進行仿真。在嵌入式系統的開源模擬器中比較出色的是SkyEye和QEMU。SkyEye是清華大學陳渝教授在博士后期間發起的一個開源項目，目標是實現嵌入式開發硬件模擬器，支持系統級仿真，已經實現了多種架構的處理器和包括LCD、網絡接口等在內的多種外設，使用非常方便。QEMU是一個開源的通用軟件仿真器，使用動態翻譯技術，可以在宿主機上模擬出另外一種體系結構客戶機計算機系統，從而可以在宿主機上運行客戶機操作系統和應用程序；QEMU既支持通用計算機體系結構，也支持ARM，MIPS，PowerPC，SPARC，ColdFire，MicroBlaze，Xtensa等多種嵌入式體系結構，其支持的ARM處理器數量有50多種；QEMU使用了多種優化技術，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秀的虛擬機軟件。
3基于QEMU設計嵌入式系統虛擬仿真實驗
QEMU所具備的多平臺支持和系統級仿真能力，為嵌入式系統實驗教學開拓了廣闊的空間，可以在QEMU平臺開展多種類型、不同層次實驗，為學生提供豐富的實驗內容和更多的實踐機會，加強對其工程實踐能力的培養和鍛煉。在講解嵌入式操作系統原理部分時，教學主要以原理和算法分析為主，很多時候為了便于理解，需要規避一些硬件細節，軟件模擬器恰好符合這個需求，可以對操作系統做任意的定制，還可以借鑒通用計算機操作系統原理課程中一些經典的教學實驗和案例，展現關于進程管理、內核調度等相關概念。在講解嵌入式系統軟件編程基礎時，為了幫助學生理解知識并熟悉開發工具，需要布置一些編程的實驗作業，需要上機調試，而有限的實驗室資源無法支撐這個需要。借助QEMU可以指導學生在自己的個人計算機上建立一個仿真開發環境，可以調試并運行學生自己編寫的程序。在講解嵌入式系統GUI編程時，希望學生可以動手搭建自己的GUI開發環境，自己開發GUI程序，會使用Qt或其他工具，QEMU可模擬LCD外設，在模擬出的LCD上顯示圖形化界面，可激發學生學習興趣，這些實驗也適合在課外完成，使學生有充足的時間完成設計與調試。此外，在講解嵌入式Linux驅動程序開發、網絡編程等內容時，也可以使用QEMU設計教學實驗、課堂演示案例等，提升教學效果。還可以設計系統性、綜合性實驗，幫助學生掌握嵌入式系統軟件開發的方法和流程。表2是本教學團隊在教學實踐中基于QEMU，模擬ARMCortex-A9系統，開展嵌入式Linux移植和程序開發虛擬仿真綜合實驗的例子。
4結語
嵌入式系統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、經費等限制，硬件仿真的實驗學時尚顯不足，實踐能力培養效果不盡理想。QEMU所具備的系統級仿真能力，使其可以支撐嵌入式系統課程中絕大部分軟件相關內容的實踐教學，加之其開源、易用等特點，為實驗教學帶來諸多好處：對于部分硬件仿真實驗可以在QEMU所模擬的系統上進行預習，以此為基礎在實驗室可以開展翻轉課堂教學，就一些關鍵問題展開實驗和討論；可以布置開放性實驗作業，學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的通用多架構支持特性，突破硬件仿真方式實驗教學依賴于具體體系結構的限制，拓展課程覆蓋面，同時便于通過直觀的比較使學生了解不同體系結構的技術特點；此外，虛擬化是云計算的核心技術之一，QEMU-KVM作為一款優秀開源虛擬化軟件，其自身也可以成為虛擬化技術相關實驗的基礎。當然，軟件仿真實驗不可能取代硬件仿真實驗，兩者各具特色，教學中還需要進一步加強整體規劃，豐富實驗內容，健全相互協調的實驗體系，使得嵌入式系統實驗教學設計更加合理有效。
參考文獻
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[3]楊繼森,張靜,朱革,鄭方燕.基于ARMCortex平臺的嵌入式系統課程虛擬實驗平臺設計[J].實驗技術與管理.2014,31(7):97-101.
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作者:楊昕欣 刁為民 王俊 劉榮科 譚大為 單位:北京航空航天大學電子信息工程學院
