嵌入式操作系統(tǒng)教學方法研究

劉佳宜 陳德軍 陳 昆 王克浩 郭志強

(武漢理工大學 信息工程學院, 武漢 430070)

“嵌入式操作系統(tǒng)”是電子信息工程專業(yè)的核心專業(yè)課程。2020年,教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》中明確指出:“對于工學類專業(yè)課程,需注重提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力,注重強化工程倫理教育、培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神”。在美國對我國嵌入式軟、硬件領域進行所謂“科技封鎖”的背景下,我們國家高度重視工業(yè)領域核心技術突破。2021年,工信部牽頭起草的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中,著重強調了未來五年中需要顯著提升工業(yè)軟件技術水平和市場競爭力[1]。嵌入式軟件是工業(yè)軟件的重要組成部分,“嵌入式操作系統(tǒng)”則是嵌入式軟件的核心內容,負責對嵌入式系統(tǒng)全部軟件、硬件資源的總體調度與分配。在“思政建設”與“科技興國”歷史潮流的交匯點,學習、理解并掌握“嵌入式操作系統(tǒng)”專業(yè)課程知識,是提升電子信息工程專業(yè)學生個人專業(yè)素養(yǎng)的關鍵要素,提高其認識問題、分析問題和解決問題的能力的必要步驟,也是實現(xiàn)科技興國的重要環(huán)節(jié)[2]。

“嵌入式操作系統(tǒng)”涉及到的專業(yè)基礎知識難度較大(如計算機組成原理、C語言、數(shù)據(jù)結構、嵌入式技術原理等),電子信息工程專業(yè)的學生在學習“嵌入式操作系統(tǒng)”這門核心專業(yè)課程時容易喪失學習興趣。究其原因在于“嵌入式操作系統(tǒng)”涉及到的內核要素多(如任務創(chuàng)建、任務切換、任務調度、操作系統(tǒng)初始化、信號量、消息隊列等),且內核要素之間相互耦合關聯(lián),在運行較為復雜嵌入式操作系統(tǒng)應用程序時,學生很難將眾多內核要素結合起來進行理解。同時,學生大多習慣了以“前后臺系統(tǒng)”的思路理解程序的運行過程。在嵌入式操作系統(tǒng)中,CPU是以任務切換與調度的形式運行程序,若以“前后臺系統(tǒng)”的思路來理解嵌入式操作系統(tǒng)程序的運行過程,會存在諸多學習困難。然而,現(xiàn)有的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學方法仍然以簡單列舉程序代碼的方式進行教學講授,并未直觀展示出嵌入式操作系統(tǒng)應用程序的運行時序,進而加大了學生學習、理解“嵌入式操作系統(tǒng)”專業(yè)課程的難度。

現(xiàn)有的“嵌入式操作系統(tǒng)”教學方法大多圍繞在教學形式的改進上。在“嵌入式操作系統(tǒng)”的經(jīng)典教材《uC/OS-III, The Real-Time Kernel》中,仍然以簡單列舉程序代碼的形式進行知識呈現(xiàn)[3]。電子科技大學盧有亮通過教學視頻、論壇和交流群多種方式相結合的形式進行了教學探索,開展了“嵌入式操作系統(tǒng)”課程MOOC實踐教學工作[4]。河南財經(jīng)政法大學趙貞貞等融合“微學習”“微互動”等教學形式,通過教學與學習相結合的交互式教學方法,探索了“嵌入式操作系統(tǒng)”的線上教學方法,激發(fā)學生的學習興趣[5]。文獻[6]融合雨課堂、釘釘和學習通等多類在線教學軟件,通過預習、講授和課后作業(yè)相融合的形式,探索了“嵌入式操作系統(tǒng)”在線教學方法。綜上所述,現(xiàn)有的教學研究大多在教學形式上進行改進,在對內核要素的教學方法上,仍然以列舉程序代碼的形式進行教學,并未針對“嵌入式操作系統(tǒng)”各內核要素的運行時序,結合運行案例中各內核要素的耦合特點改進教學方法,使得學生難以理解“嵌入式操作系統(tǒng)”中的知識點。

針對此,考慮到嵌入式操作系統(tǒng)類型眾多,本文基于uC/OS-III嵌入式操作系統(tǒng),研究了面向案例分析融合運行時序的“嵌入式操作系統(tǒng)”教學方法,以案例分析的形式融合嵌入式操作系統(tǒng)的各內核要素,綜合分析各內核要素之間的耦合特點,并采用程序運行時序直觀表示各內核要素對應程序代碼的執(zhí)行過程,幫助學生學習和理解嵌入式操作系統(tǒng),提升課程教學效果。

1 教學體系

面向案例分析融合運行時序的嵌入式操作系統(tǒng)教學體系如圖1所示,按照組成內容的不同,可分為內核要素、運行時序和案例分析。

圖1 教學體系

內核要素包含任務、信號量、中斷管理、時間管理、消息傳遞、存儲管理等內容,均是uC/OS-III嵌入式操作系統(tǒng)理論知識的關鍵組成要素。內核要素具有自身組成要素多(操作系統(tǒng)任務包括任務堆棧、任務優(yōu)先級、任務控制塊〔TCB〕、無限循環(huán)型任務、運行至完成型任務等),且相互之間耦合關系復雜(例如:任務通過時間管理實現(xiàn)任務延時、任務等待信號量將自身掛起、任務執(zhí)行過程會被中斷打斷等、任務A需利用信號量實現(xiàn)和任務B的同步等)等特點。

運行時序是從CPU時序響應uC/OS-III嵌入式操作系統(tǒng)各內核要素的角度,以二維時序的形式將操作系統(tǒng)各內核要素進行時序組合,并通過添加注釋的形式,讓學生在掌握各內核要素的同時,將嵌入式操作系統(tǒng)各內核要素之間的運行時序及耦合關系進行直觀表達,促進學生對“嵌入式操作系統(tǒng)”各知識點的理解。

案例分析則面向具體和直觀的實驗案例(如流水燈控制、按鍵控制和數(shù)字時鐘等),將案例分解為各個小的知識點(如操作系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)內部任務創(chuàng)建、信號量創(chuàng)建、任務創(chuàng)建、任務就緒表、任務調度、時間管理、消息傳遞等),便于學生掌握在具體案例中所包含的理論知識點,結合嵌入式操作系統(tǒng)應用程序時序運行圖,綜合而全面地掌握嵌入式操作系統(tǒng)的整體運行流程。

2 教學案例與效果

本教學案例所采用的硬件為普中STM32-PZ6806L開發(fā)板,基于STM32F103ZET6芯片,第1和3引腳外接工作于上拉輸入的機械按鍵(KEY_LEFT和KEY_RIGHT按鍵),第28和29引腳外接兩個發(fā)光二極管LED0和LED1,引腳低(高)電平點亮(關閉)發(fā)光二極管,嵌入式操作系統(tǒng)采用uC/OS-III操作系統(tǒng)[7]。

圍繞LED燈閃爍實驗(案例1)和按鍵控制燈閃爍開關實驗(案例2)開展教學案例分析,主要功能為LED0與LED1分別間隔2 s和4 s進行點亮/關閉(案例1),按鍵KEY_LEFT控制LED1閃爍關閉、按鍵KEY_RIGHT控制LED2閃爍打開的功能(案例2)。結合本文所提的教學體系,對案例1和案例2按照如圖2所示的結構進行歸納整理。

(a)案例1

(b)案例2圖2 教學案例

案例1主要包括操作系統(tǒng)初始化、任務創(chuàng)建、操作系統(tǒng)啟動、任務1啟動-調用-狀態(tài)機轉換、任務2啟動-調用-狀態(tài)機轉換等內容,所涉及的內核要素包括任務創(chuàng)建、任務切換、任務就緒表、空閑任務創(chuàng)建、精確延時等,不同內核要素的運行時序如圖2(a)所示。案例2主要包括操作系統(tǒng)初始化、任務創(chuàng)建、任務刪除、操作系統(tǒng)啟動、任務1啟動-調用-狀態(tài)機轉換、任務2啟動-調用-狀態(tài)機轉換和任務3啟動-調用-狀態(tài)機轉換等內容,所涉及的內核要素包括任務創(chuàng)建、任務刪除、任務切換、任務就緒表、精確延時等,不同內核要素的運行時序如圖2(b)所示。此外,將運行時序結合嵌入式操作系統(tǒng)函數(shù)程序的不同進行細分,不同函數(shù)程序的運行時序如圖3所示。

(a)案例1

(b)案例2圖3 函數(shù)程序的運行時序

筆者以武漢理工大學信息工程學院電子信息工程系嵌入式操作系統(tǒng)專業(yè)課中的2017級學生(103人,對照組)和2018級學生(69人,實驗組)在實驗課中的實驗成績作為教學效果的評價指標(2017級學生在實驗教學過程中未采用本文所提的教學方法,2018級學生在實驗教學過程中采用了本文所提的教學方法)。針對不同年級實驗課成績,通過Matlab中的ttest2函數(shù)進行獨立樣本t檢驗,結果顯示實驗組的實驗成績與未對照組的實驗成績在0.05顯著性水平下呈現(xiàn)差異,比較兩組數(shù)據(jù)的均值可以看到,從統(tǒng)計分析的角度,使用該教學方法的學生實驗成績是高于未使用該教學方法的學生實驗成績的,如表1所示。

表1 獨立樣本t檢驗

3 結語

在教育部大力推行課程思政建設與美國所謂“科技封鎖”的時代交匯點,改進嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程的教學方法,有助于提升電子信息工程專業(yè)學生分析問題和解決問題的能力,同樣也是激發(fā)電子信息工程專業(yè)學生科技興國情懷的重要方式。結合“嵌入式操作系統(tǒng)”知識結構特點,研究面向案例分析融合運行時序的“嵌入式操作系統(tǒng)”教學方法,從內核要素、運行時序和案例分析的角度,綜合、全面和直觀地介紹嵌入式操作系統(tǒng)各內核要素的時序運行過程及其耦合特點,并通過教學案例和數(shù)據(jù)分析驗證了該教學方法的有效性。

今后將融合更多的知識點進行課程綜合設計,例如,利用STM32開發(fā)板和uC/OS-III操作系統(tǒng)開發(fā)復雜的應用程序(綜合利用信號量、消息傳遞、存儲管理等內容),從多內核要素耦合和時序運行過程,更為全面地介紹嵌入式操作系統(tǒng)的運行過程。同時,“嵌入式操作系統(tǒng)”如何和課程思政要素進行全面、深度融合,也是未來教學研究的重點方向。此外,開展國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)(如鴻蒙嵌入式操作系統(tǒng)等內容)的教學研究在推行課程思政建設方面也具有十分重要的實踐意義,未來將融合更多的國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)教學內容至課程思政教學過程中,提升學生對國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)的認識和理解,激發(fā)科技興國的內在動力。