構建嵌入式Linux軟件設計虛擬實驗室

馮剛 譚琦 董宇

摘? 要： 為了降低嵌入式軟件學習和開發中硬件資源的投入成本，提出以Proteus作為嵌入式target平臺，Ubutun Linux作為host平臺，構建嵌入式Linux軟件設計虛擬實驗室的步驟。以7段數碼的顯示為例演示了嵌入式Linux虛擬環境下進行嵌入式軟件開發的過程，獲得了較直觀的實驗結果。虛擬實驗室的建設有效地降低了嵌入式系統的開發成本，彌補了傳統實驗室的不足。

關鍵詞： Proteus; 嵌入式Linux軟件設計; 虛擬實驗室; 嵌入式系統

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）10-56-04

Abstract： In order to reduce the cost of hardware resources in embedded software learning and development， the steps of constructing a virtual laboratory for embedded Linux software design with Proteus as the embedded target platform and Ubuntu Linux as the host platform are proposed. A 7-segment digital display is used as an example to demonstrate the process of co-designing software and hardware in an embedded Linux virtual environment， which obtains a more intuitive experiment result. The construction of virtual lab effectively reduces the development cost of embedded systems and makes up for the shortcomings of traditional laboratories.

Key words： Proteus; embedded Linux software design; virtual laboratory; embedded system

0 引言

隨著計算機技術的日益發展，嵌入式系統幾乎滲入到人類社會生活的各個方面。全國各大高等院校的電子、計算機、信息等專業均開設了嵌入式相關課程，并建立了相應的嵌入式實驗室。這些實驗室基本上采用成套的硬件設備來構建，不同的實驗室只能進行某一類課程的實驗，而且由于嵌入式硬件的多樣性以及資金的限制，無法建立一個適應各種需求的嵌入式實驗室。一些學校已購買了一定的嵌入式設備，但因為學生人數眾多、設備的損壞/老化等原因，使得嵌入式實踐過程成為一種驗證性的實驗過程[1-3]。

虛擬實驗室其基本思想是用軟件方法虛擬各種實際的元器件、虛擬必要的電子檢測設備如示波器等，即所有的實驗只需要一臺PC機和相應的軟件就可以設計完成[5-7]。因此，虛擬實驗室的出現較好地解決了目前嵌入式實踐課程中出現的問題，為嵌入式軟硬件教學提供了一個很好的平臺，豐富了實踐教學的手段，彌補了傳統實驗室的不足[4]。

本文針對嵌入式Linux軟件設計虛擬實驗室的建設進行了研究，提出了利用Proteus構建嵌入式Linux軟件設計的虛擬仿真平臺。通過該虛擬實驗室，可以充分利用Proteus提供的各種硬件設備，搭建一個仿真現實的實驗系統，進而在這個系統上完成整個基于Linux的嵌入式軟件開發過程。

1 虛擬實驗室的特點

由于嵌入式Linux軟件設計涉及到嵌入式系統軟硬件的多個方面，從嵌入式的引導程序Bootloader到Linux內核、根文件系統及應用程序的開發都需要有全面的認識，與傳統的嵌入式實驗室相比虛擬實驗室存在下述特點：

⑴ 成本低。虛擬實驗室其根本就是采用虛擬的設備來進行相關的嵌入式實驗，整個實驗過程均在軟件上仿真運行，當實驗設備和實驗環境發生變化時，只需要對虛擬環境中的相關設備和環境進行改變即可，可以從根本上解決實驗室建設經費短缺、實驗設備不斷損壞老化等問題。以嵌入式Linux軟件設計課程為例，由于Bootloader、Linux內核及根文件的移植是一個十分復雜又容易出錯的過程，往往要多次對實驗箱開發板的flash進行底層的燒寫，由于學生在實驗中的不當操作極易導致開發板的損壞，改用虛擬實驗環境就從根本上避免了這種問題，學生只需簡單將移植后的軟件裝入到虛擬的flash中就可以檢查移植的結果。

⑵ 實驗時間靈活。采用虛擬實驗室后，不再需要進行大班的嵌入式實踐教學，可以讓學生充分地利用課外時間，分散、靈活地完成實踐教學。過去的嵌入式實驗由于設備緊缺，常常是多個學生共用一套實驗設備，有些基礎差的同學根本沒有機會理解實驗內容，也無法完整地完成實驗過程，基本上是屬于走過場。通過虛擬嵌入式Linux環境，可以做到每個人獨立完成實驗要求，獨立考核，并促使學生在平時也可以動手進行實踐，充分調動了學生自主學習的積極性。

⑶ 方便靈活。實驗環境不再固定單一，可以根據實驗要求進行各種軟硬件設計，有利于創新創造人才的培養。傳統的嵌入式實驗都是在固定的開發箱上進行， 幾乎不能進行硬件電路上的創新改進，只能在已有的硬件平臺上進行實驗，而Proteus平臺提供的ARM仿真開發環境提供了極大的改進與擴展的空間，我們可以對除CPU以外的硬件電路進行設計修改，并根據修改后的硬件電路進行bootloader、Linux內核的相應修改，最后完成應用程序的設計，充分體現了嵌入式軟硬件協同設計的本質，對提高學生的學習水平，培養新工科提倡的人才提供了很好的實踐環境。

2 虛擬實驗室的構建

2.1 軟件環境

⑴ Proteus

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真嵌入式CPU及外圍器件.其最具特色的地方在于：①互動的電路仿真;②仿真處理器及其外圍電路;③直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。選用Proteus作為嵌入式Linux交叉開發環境的target端，在Proteus環境設計嵌入式系統的硬件原理圖，并將host端生成的嵌入式軟件加載運行，觀察系統仿真運行結果。

⑵ Ubuntu

選用桌面Linux版本Ubuntu作為host端，在Ubuntu上安裝交叉編譯工具，如arm-linux-gcc/arm-elf-gcc、uboot源碼、ucLinux源碼等，為嵌入式系統開發建立好交叉開發環境。

2.2 實驗內容和實驗過程

⑴ 在Ubuntu Linux系統中安裝嵌入式開發環境：arm-linux-gcc/arm-elf-gcc、uclinux源碼、uboot源碼等。

⑵ 在Proteus上進行硬件電路的設計。

⑶ 在Ubuntu Linux進行嵌入式軟件開發，編寫嵌入式驅動程序與應用程序源碼。

⑷ 在Ubuntu Linux交叉編譯產生驅動程序的內核模塊及應用程序。

⑸ 在Proteus的仿真環境中加載并運行驅動程序模塊及應用軟件，觀察系統仿真運行的結果。

2.3 實例分析

下面以Linux下進行7段數碼管的顯示控制過程為例介紹驅動程序和應用程序開發的過程。

⑴ 安裝交叉編譯環境（過程略）。

⑵ 完成硬件電路設計，設計中包括對Proteus中的ARM for VSM進行輸入輸出接口P0-P31的設計以及7段數碼管的線路連接。最top層電路如圖1所示。

⑶ 編寫驅動程序c及應用程序，其關鍵c語言代碼如下：

//驅動程序中提供給應用程序的接口函數

static struct file_operations seg7_fops = {

owner：THIS_MODULE，

open：seg7_module_open，

ioctl：seg7_module_ioctl，

release：seg7_module_release，

};

//7段數碼管的驅動程序，接收應用程序的輸入，控制7段數碼的顯示

static int seg7_module_ioctl（struct inode *inode， struct

file *file， unsigned int cmd， unsigned long arg）

{

switch （cmd） {

//根據cmd顯示0～F的一個值

case 0：printk （KERN_INFO "Display 0＼n"）;

P0=seg7_list[0];

break;

......

case 15：printk （KERN_INFO "Display F＼n"）;

P0=seg7_list[15];

break;

default： return -EINVAL; }

return 0; }

static int seg7_module_init（void） { //注冊設備

int register_result=register_chrdev（seg7_major，

"seg7"， &seg7_fops）;

if （seg7_major==0） seg7_major=register_result;

printk（KERN_INFO "seg7： init OK?。躰"）;

P0=0x00;

return 0; }

static void seg7_module_cleanup（void） { //注銷設備

if （unregister_chrdev（seg7_major， "seg7"））

printk （KERN_ALERT "seg7 module unregister?。躰"）;

else

printk （KERN_ALERT "seg7 module unregister error?。躰"）;}

module_init（seg7_module_init）; //內核模塊初始化函數

module_exit（seg7_module_cleanup）; //內核模塊卸載函數

//頭文件seg7.h

#ifndef _SEG7_H_

#define _SEG7_H_

#define P0 *（（volatile unsigned char *）0x80000080）

//對應的硬件接口地址

#define P1 *（（volatile unsigned char *）0x80000084）

#define P2 *（（volatile unsigned char *）0x80000088）

#define P3 *（（volatile unsigned char *）0x80000090）

unsigned char seg7_list[16]={0x3f，0x06，0x5b，0x4f，0x66，

0x6d，0x7d，0x07，0x7f，0x6f，0x77，0x7c，0x39，0x5e，0x79，0x71}; //數碼管的共陰極編碼值

#endif /* _SEG7_H_ */

應用程序測試代碼如下：

//test-seg7.c

#include

#include "seg7.h"

int main（void）

{ int fd;

int length，i，j;

fd=open（"/dev/seg7"， O_RDWR）

//調用驅動程序提供open函數

while（j<10） { //循環顯示10次

for（i=0，i<16，i++） {

ioctl（fd， i）; //循環顯示0～F

sleep（1）; }

j++ }

close（fd）;

printf（"Success?。躰"）;

return 0; }

⑷ 編譯連接生成內核模塊seg7-module及應用程序test-seg7（過程略）。

⑸ bootloader啟動并加載uclinux內核如圖2所示。

⑹ 在Proteus加載運行，運行結果如圖3所示。

3 結論

由此可見，基于Proteus進行嵌入式Linux虛擬仿真實驗室的構建是完全可行的。采用虛擬實驗室的方式，可以很好地解決傳統嵌入式實驗室設備老化折損等問題，降低了嵌入式系統開發的成本，同時也方便學生充分利用課余時間進行嵌入式系統的軟硬件設計，不受實驗室場地以及實驗箱硬件設計的限制，能夠充分調動學生自我學習積極性。在我院實際的教學與實踐應用中，取得了很好的教學效果，學生對嵌入式Linux軟件設計課程的滿意度評分達到了98.8%。不僅如此，使用虛擬仿真的方式，還可以在項目開發中進行快速原形設計，在虛擬開發成功之后進行實際制作，這樣可以大大節省開發成本、提高開發效率，具有極好的實用價值。

參考文獻（References）：

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[4] 江維等.基于PROTEUS和MDK的嵌入式虛擬實驗室構建[J].武漢紡織大學學報，2018.31（5）：22-25

[5] Elena V.Morozova etc. The Laboratory Stand Simulation for Programming Microprocessor Devices[C].IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering，2019：125-128

[6] Sohaib Aslam etc.Development of a Software Based PIC24F Series Microcontroller Educational Trainer[C]. International Conference on Engineering and Emerging Technologies （ICEET），2019.

[7] Sandeep Sasidharan etc. Design and Simulation of Microcontroller based Power factor correction converter[C].Electronic Converter for Nuclear Research Application 2018 International CET Conference on Control， Communication， and Computing （IC4），2018：95-100