智能專業嵌入式系統教學內容思考與實踐

付東翔　李菲菲　傅迎華　胡春燕　尹鐘　劉麗

摘 要：為了使智能本科專業的嵌入式系統教學能夠與主流的機器人操作系統ROS緊密結合，適應當前機器人技術發展的最新應用，突出本專業嵌入式系統課程的專業特色，介紹課程的理論教學內容選擇、實驗內容及安排，說明本課程對后續本專業其他課程、課程設計等的支撐作用，強調對大學生教學實踐比賽的有利推動作用。

關鍵詞：智能科學與技術；嵌入式系統；課程設計

0 引 言

智能科學與技術本科專業培養工作和內容是人工智能、機器人、計算機等交叉學科內容的教學。專業內容涉及機器人技術、各類智能技術與系統、新一代的人機系統技術等。嵌入式系統是計算機、自動化、電氣等本科專業的核心專業課程之一，其內容是在微機原理、單片機技術和C語言程序設計等課程基礎上更高層次的專業知識[1-4]。

當前信息技術的飛速發展，尤其工業機器人技術不斷滲透、應用到各個生產和社會生活領域。面對機器人技術的發展和應用，智能專業的培養計劃和課程內容應該包括和不斷擴大機器人相關領域的知識。目前與嵌入式系統課程有關的機器人領域的主流關鍵技術之一是ROS機器人操作系統[5]。ROS是開源、基于Ubuntu系統的機器人操作系統，提供類似操作系統所提供的功能，包含硬件抽象描述、底層驅動程序管理、共用功能的執行、程序間的消息傳遞、程序發行包管理等[6]。現在越來越多的機器人廠商嘗試使用ROS，包括占據最多工業市場份額的機器人四大家族和各種流行的研究型機器人。

1 教學內容

1.1 目標定位

隨著目前機器人技術的不斷發展和應用，本課程的目標定位：熟悉ARM Cortex-A內核處理器的硬件結構和功能，熟悉和掌握ROS機器人操作系統的體系結構、任務間通信機制、功能包設計方法；強化學生在ROS系統下的應用設計能力，為后續專業課程教學實踐奠定工作基礎。

1.2 內容調整

原有課程內容：①硬件系統，STM32的32位的ARM Cortex-M3內核的控制器；②嵌入式操作系統，?C/OS-II操作系統。

現有課程內容：①硬件系統，TI的32位的ARM Cortex-A8處理器；②嵌入式操作系統，基于Ubuntu的ROS操作系統。

基于以上內容，教學理論和實驗內容調整前后對比見表1、表2。

2 理論教學與實驗教學

嵌入式系統教學是在理論基礎上強調實踐性。理論教學分為兩大部分：①ARM Cortex-A8內核處理器硬件結構和功能，硬件設備樹Device Tree機制；②ROS操作系統原理和運行架構；節點、消息、主題、服務等基本概念；節點、主題以及消息等相互之間的關系、節點之間消息傳遞機制。實驗教學是理論教學的實踐，讓學生認識和動手實踐理論的內容。

2.1 理論教學內容

（1）處理器硬件內容：以ARM Cortex-A8內核處理器為重點，以TI（德州儀器）公司Sitara Processors系列中的AM3359為對象，對Cortex-A8內核處理器的硬件片內資源和功能予以介紹；Ubuntu操作系統下的硬件操作和驅動基于設備樹文件實現。

以設備樹Device Tree機制及其規范為主要內容展開。

①設備樹（Device Tree）基本概念及作用：設備樹是一種描述硬件資源的數據結構，作用是將硬件外設與相應的驅動程序直接進行綁定，系統啟動時加載設備樹文件并配置各種硬件資源，通過bootloader（啟動程序）將硬件資源傳給操作系統內核，使得內核和硬件資源描述相對獨立，其基本數據結構如下：

{ #address-cells = <1>； // 子節點中reg屬性中address值；

#size-cells = <1>； // 子節點中reg屬性中size值；

chosen { }； // 描述由系統指定的runtime parameter ；

aliases { }； // 定義別名；

memory { device_type = "memory"； reg = <0 0>； }； // 設備類型，起始地址和大小；

}；

②設備樹的組成和使用：設備樹包含DTC（device tree compiler），DTS（device tree source）和DTB（device tree blob）。

DTS文件：是一種ASCII文本對Device Tree的描述，放置在ROS內核的/arch/arm/boot/dts目錄下，一個DTS文件對應一個ARM的硬件資源。

DTSI文件：硬件系統中每個子系統都有一個DTS文件。這些文件會有許多共同部分，為減少代碼的冗余，設備樹將這些共同部分保存在DTSI文件中，供不同的DTS使用。

③設備樹中DTS文件的基本語法與舉例：根據設備樹的基本概念，給出TI的AM3359處理器的ADC外設的DTS文件格式，AM3359的ADC部分有8個通道，其控制器寄存器ADC_TSC_SS， 地址為 0x44E0_D000，部分文件代碼如下：

#address-cells = <1>；

#size-cells = <1>；

tscadc {

compatible = "ti，ti-tscadc"；

reg = <0x44e0d000 0x1000>；

interrupt-parent = <&intc>；

interrupts = <16>；

ti，hwmods = "adc_tsc"；

status = "okay"；endprint

adc {

ti，adc-channels = <0 1 2 3 4 5 6 7>；

}；

}；

通過上述ADC部分DTS文件舉例說明硬件外設在文件中的描述，對其他GPIO、PWM、定時器等不同系統外設，其DTS文件形式類同。每個DTS文件共同的部分代碼存放于DTSI文件中。通過這種舉例，強調DT設備樹機制的優點：操作系統內核中不再充斥著與硬件有關的代碼，操作系統因此瘦身和精簡，操作系統與硬件無關性得到實現。

（2）操作系統主要內容：ROS系統框架及其內部運行機制， ROS系統下任務之間的通信機制和概念：節點（node）、消息（message）、主題（topic）、服務（service），它們之間消息訂閱和發布如圖1所示。

①節點。節點就是執行運算任務的進程，一個系統是由很多節點組成的，節點也被稱之為“軟件模塊”。

② 消息。節點之間是通過傳送消息進行通訊的。每一個消息都是一個嚴格的數據結構，不但支持標準的數據類型如整型、浮點型、布爾型等，也支持數組類型。消息可以包含任意的嵌套結構和數組，類似于C語言的結構structs。

③主題。消息以一種發布（publish）/ 訂閱（subscribe）的方式傳遞。一個節點可以在一個給定的主題中發布消息，一個節點對某個主題關注與訂閱特定類型的數據，可能同時有多個節點發布或者訂閱同一個主題的消息。如圖1所示，Master為節點管理器。

④服務。基于主題（topic）的發布/訂閱模型的廣播通訊方式范圍過大，為簡化節點間的通信，在ROS中，用一個字符串和一對嚴格規范的消息定義：一個用于請求，一個用于回應。類似于 web服務器是由URIs定義的，同時帶有完整定義類型的請求和回復文檔，稱為一個服務，如圖1所示。

2.2 實驗教學內容

將理論內容以實踐形式呈現給學生，嵌入式系統課程實驗中Cortex-A內核的MPU（處理器）與原來的MUC（控制器）級硬件系統實驗不同在于：①片內外設GPIO、A/D等硬件控制通過DTS設備樹文件配置和驅動，而Cortex-M內核控制器硬件資源相對簡單，硬件功能的配置通過控制庫函數調用實現；②軟件系統：ROS系統的原理和程序框架；功能包開發步驟；節點、消息、服務等通信機制與?C/OS-II系統差別很大。

因此，本課程實驗基于上述內容展開，分為3部分內容。

①ROS系統程序框架與功能包設計實驗：程序框架：在ROS中，所有的軟件都是以ROS包或功能包形式存在的，ROS包是用于實現特定功能的相關文件的集合，包括可執行文件和其他支持文件；實驗內容：功能包的創建、編輯和編譯運行。該實驗讓學生熟悉ROS功能包的開發環境和過程。

②設備樹（Device Tree）文件創建和程序運行實驗：實驗主要包括GPIO、ADC等外設控制的DTS文件、DTSI文件的編寫和編譯；通過上位機終端發送命令加載DTBO文件。控制LED、ADC等外設的工作。通過該實驗使得學生能夠認識和掌握硬件外設的DTS驅動文件格式和編寫。

③ROS系統下節點間通信實驗：利用ROS系統下的“海龜仿真運動”程序包（turtlesim）進行任務節點通信和運行實驗。該實驗通過創建兩個節點，一個節點控制“海龜”的運動，另外一個節點捕捉鍵盤事件，同時發送命令消息。通過該實驗，讓學生認識和理解ROS節點之間消息傳遞的通信機制。

3 本課程與其他智能專業課程、課程設計與本科創新實踐

基于ROS的嵌入式系統教學內容為本專業其他智能專業課程如自然語言理解、智能檢測技術與系統、自主移動機器人技術、專業課程設計等奠定了較好的硬件和軟件基礎。

首先，在嵌入式系統內容的學習中，學生已經能夠熟悉ARM Cortex-A8處理器的硬件功能和結構，以及ROS系統下任務以節點形式運行、節點間的通信機制和功能包的開發。為后續課程和實踐比賽奠定了一個軟硬件實驗共享平臺：自然語言處理課程上的語言包、自主移動機器人技術的定位算法、智能檢測技術與系統的傳感器硬件檢測與軟件數據處理等都能夠在這個平臺上實驗和運行；學生在專業課程設計中可以設計、集成一個機器人系統功能：以本課程的實驗環境，實現傳感器檢測、語音處理、自主定位等機器人系統常用的功能。

其次，通過本課程內容的學習，為學生申請和完成本校和上海市的大學生創新項目奠定了工作基礎。本專業學生近年來連續獲得多項上海市大學生創新項目和我校本科創新項目，如2017年上海市大學生創新項目“基于Ubuntu系統的機器人仿真平臺設計”（SH2017035）等。

最后，為本專業學生參加各類全國大學生智能大賽奠定了較好的硬件、軟件基礎，如“華為杯全國大學生智能大賽”“華為杯電子設計大賽”等。同時也將為本專業學生參加此類比賽培育眾多參賽隊員。圖2（a）（b）為硬件實驗設備。

4 結 語

面向應用的智能專業嵌入式系統教學以ARM Cortex-A8內核的處理器為硬件對象，以ROS操作系統為軟件平臺，圍繞著處理器的硬件設備樹結構及其語法格式，ROS系統基于節點通信的程序運行機制等兩個方面展開內容，使得學生能夠理解面向機器人操作系統的硬件組成和功能原理，能夠充分理解、熟悉和掌握ROS機器人操作系統框架和程序運行機制。

課程內容安排為本專業其他相關課程、后續課程設計、創新實踐和大學生教學實踐比賽奠定一個開發、實驗共享平臺，ROS系統的開放性能夠讓學生開發自己的算法包，如自然語言理解、智能信息處理、機器人移動技術等課程的算法可以在這個平臺上調試和運行驗證，使得嵌入式系統該門課程更好地支撐后續專業課程算法實驗，進而為專業課程設計奠定了硬件、軟件基礎。

在目前機器人技術應用逐漸進入工業自動化領域和各個生活領域并且已經開始取代一些人類重復性工作的大趨勢下，通過對ROS系統的熟悉和掌握，將使得智能科學與技術的專業學生專業應用能力更具有針對性和專業性。

參考文獻：

[1] 孫紅， 蔣念平， 陳瑋， 等. 智能科學與技術專業理論教學與工程實踐的融合[D]. 上海：上海理工大學， 2012.

[2] 卡莫爾（印度）. Embedded Systems： Architecture， Programming and Design[M].賈建斌， 李化， 譯. 北京： 清華大學出版社， 2010.

[3] 張俊， 陳飛， 馮士剛. 大連海事大學“智能科學與技術”本科專業建設實踐[J]. 計算機教育， 2012（18）： 22-27.

[4] 王萬森. 適應智能化應用發展趨勢， 培養創新型智能科技人才[J]. 計算機教育， 2013（19）： 37-39.

[5] 奧凱恩·杰森（美）機器人操作系統淺析[M]. 肖軍浩， 譯. 北京： 國防工業出版社， 2015.

[6] 恩里克·費爾南德斯（西）. ROS機器人程序設計（原書第二版）[M]. 北京： 機械工業出版社， 2016.

[7] 馬麗梅. Ubuntu Linux操作系統與實驗教程[M]. 北京： 清華大學出版社， 2014.

（編輯：郭田珍）endprint