基于ARM的嵌入式虛擬開發(fā)平臺(tái)

摘要：為了解決目前大部份高校缺乏嵌入式開發(fā)平臺(tái)的問題，提出了構(gòu)建嵌入式虛擬開發(fā)平臺(tái)方案。方案采用μVision4 IDE和Proteus進(jìn)行整合，在不需要購置嵌入式硬件設(shè)備的情況下，通過改造、整合原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)具有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)等款、硬件同步仿真調(diào)試功能的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)給出了具體的教學(xué)模式革新和實(shí)施方法。
關(guān)鍵詞：嵌入式；虛擬；開發(fā)平臺(tái)；Proteus；ARM

    隨著嵌入式設(shè)備(如智能MP4、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、TV機(jī)頂盒及PDA等)的普及程度越來越高，嵌入式培訓(xùn)、嵌入式開發(fā)成為熱門，這些嵌入式設(shè)備多采用32位RISC嵌入式處理器作為核心部件，其中基于ARM核的嵌入式處理器獨(dú)占鰲頭，在32位RISC處理器中占據(jù)超過75％的市場(chǎng)份額。形成鮮明對(duì)比的是：目前大部份普通高校缺乏嵌入式實(shí)驗(yàn)室，或者規(guī)模太小，設(shè)備數(shù)量嚴(yán)重不足，學(xué)生缺乏嵌入式開發(fā)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，很大程度上挫傷了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣。為了解決這種狀況，本文提出了構(gòu)建基于KeilμVision4 IDE和Proteus的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)室。在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過改造、整合等手段，實(shí)現(xiàn)具有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)等軟、硬件同步仿真調(diào)試功能的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)室。這將對(duì)學(xué)生就業(yè)起到很大的幫助，有助于提升學(xué)生就業(yè)能力和擇業(yè)優(yōu)勢(shì)。

1 高校嵌入式教學(xué)現(xiàn)狀
1．1 嵌入式設(shè)備嚴(yán)重缺乏
    傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高等問題。電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的更新?lián)Q代非?？?，由于設(shè)備昂貴，大批量采購嵌入式硬件設(shè)備的可能性非常小，而且由于經(jīng)費(fèi)的限制，購置的實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量往往不能滿足教學(xué)的需要，導(dǎo)致多人共用實(shí)驗(yàn)箱，無法保證學(xué)習(xí)效果，學(xué)生動(dòng)手能力受到限制。更嚴(yán)重的，部分普通高校沒有嵌入式實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在校期間從未進(jìn)行過
嵌入式實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和嵌入式開發(fā)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法有效開展，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。
1．2 教學(xué)實(shí)訓(xùn)手段及內(nèi)容受限制
    嵌入式是一門軟、硬結(jié)合的實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要配合電腦、仿真機(jī)、開發(fā)板、編程器進(jìn)行綜合練習(xí)。常規(guī)嵌入式硬件實(shí)驗(yàn)箱不但昂貴，而且只能完成實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)置的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或者靈活度非常小的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，很難進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新設(shè)計(jì)，限制了學(xué)生能力的培養(yǎng)和教學(xué)內(nèi)容的革新。
1. 3 創(chuàng)新性開發(fā)無法進(jìn)行
    由于嵌入式硬件實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部模塊固化，設(shè)計(jì)的不合理或者操作的失誤極其容易損壞設(shè)備，導(dǎo)致了兩方面的問題：一是教師為了不損壞設(shè)備。不會(huì)輕易讓學(xué)生嘗試創(chuàng)新設(shè)計(jì)；二是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，怕承擔(dān)賠償責(zé)任，不能隨心所欲地設(shè)計(jì)具體功能模塊，不能根據(jù)自己的需要進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和調(diào)試。這些不但限制了教學(xué)的效果，而且極大地制約了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，學(xué)生沒有真正能夠?qū)嵺`的環(huán)境，不能真正大膽、創(chuàng)新地設(shè)計(jì)，束縛了學(xué)生的手腳。
1．4 實(shí)訓(xùn)時(shí)間的限制
    由于實(shí)驗(yàn)室安全和實(shí)驗(yàn)室管理方面的諸多因素，目前實(shí)驗(yàn)室開放都局限于正常上班時(shí)間，其他時(shí)間很少開放，不夠靈活，使得學(xué)生不能根據(jù)自己的時(shí)間安排實(shí)驗(yàn)，實(shí)訓(xùn)時(shí)間有很大的局限。
    以上種種問題抑制了學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)新思維，對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)、學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和學(xué)校的發(fā)展都不利。因此如何改變當(dāng)前這種被動(dòng)教學(xué)的局面，建立一個(gè)適合學(xué)生實(shí)際、合理科學(xué)、又與時(shí)俱進(jìn)的嵌入式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是一個(gè)值得研究的課題。[!--empirenews.page--]

2 ARM開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)
2．1 Proteus和μVision IDE簡(jiǎn)介
    Proteus是英國(guó)Labcenter公司推出的是一款極好的仿真軟件，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，支持8051、HC11、PIC10／12／16／18／24／30／DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP等處理器模型。在編譯方面，支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器?？梢栽跊]有實(shí)際硬件的條件下，利用PC以虛擬仿真方式實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試，使嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單容易。
    μVision4 IDE是ARM發(fā)布的集成開發(fā)環(huán)境，提供了豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具，支持ARM、Cortex-M、C166、C251和C51等微處理器，用來在微控制器和智能卡設(shè)備上創(chuàng)建、仿真和調(diào)試嵌入式應(yīng)用。μVision4 IDE引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，可以使用多臺(tái)監(jiān)視器，可以更快速、更高效地開發(fā)和檢驗(yàn)程序，為開發(fā)應(yīng)用提供整齊高效的環(huán)境。
2．2 平臺(tái)設(shè)計(jì)
    利用Proteus與Keil μVison4 IDE整合構(gòu)建嵌入式虛擬開發(fā)平臺(tái)，教學(xué)及演示過程都可利用平臺(tái)進(jìn)行，可以直接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)源碼級(jí)的程序仿真詞試，如顯示及輸出，能夠看到程序運(yùn)行后的輸出效果，配合各種虛擬儀器來展現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程，使嵌入式的學(xué)習(xí)過程變得直觀形象。另外，在原理圖設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路是否滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，還可以通過改變?cè)骷?shù)使整個(gè)電路性能達(dá)到最優(yōu)化。這樣就無須多次購買元器件及制作印刷電路板，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，提高了設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。具體做法如下：
    在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過改造、整合、加裝Proteus 7．7sp2和Keil μVision4 IDE等軟件，在沒有單片機(jī)實(shí)際硬件的條件下，利用PC以虛擬仿真方式實(shí)現(xiàn)ARM系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試功能的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)鼓勵(lì)有個(gè)人電腦的學(xué)生在自己的機(jī)器上安裝相關(guān)軟件，以便充分利用學(xué)生的課余時(shí)間。

    改造后的虛擬實(shí)驗(yàn)室框架如圖1所示，由Proteus與KeilμVision4 IDE聯(lián)接調(diào)試，形成程序固化，軟、硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件環(huán)境和軟件平臺(tái)整合而成，Proteus提供硬件電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試及仿真，Keil則完成應(yīng)用程序的編寫、調(diào)試，并可將調(diào)試好的程序下載到仿真電路MCU中，最后由Proteus與μVision4 IDE的整合調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總調(diào)，不但能夠直接地觀看仿真效果，同時(shí)還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。
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3 教學(xué)模式及方法
    通過建立虛擬開發(fā)平臺(tái)，使得教學(xué)方法和教學(xué)模式得到革新。這種革新改變了傳統(tǒng)“以教師為中心”的教育觀念，從以往的演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及模式轉(zhuǎn)變成為以“案例驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目教學(xué)”的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、靈活性并存的啟發(fā)式教學(xué)模式。此外，由于通常的軟件開發(fā)是基于X86處理器和Windows操作系統(tǒng)，而嵌入式軟件開發(fā)通常是在特定的嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)上完成的，學(xué)生缺乏相關(guān)的開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不能真正掌握嵌入式開發(fā)能力，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)困難。通過虛擬開發(fā)平臺(tái)，以實(shí)例開發(fā)為驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生充分自主地用學(xué)到的知識(shí)去設(shè)計(jì)、開發(fā)其自己想象的作品，達(dá)到改善就業(yè)的目的?；陧?xiàng)目、案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式構(gòu)架四可用圖2來描述。

    該構(gòu)架包括主體、客體、媒體和過程4個(gè)要素：
    主體由教師和學(xué)生組成，教師角色由權(quán)威型轉(zhuǎn)變?yōu)榛锇樾停處煵辉俑吒咴谏?，而以一種有利于學(xué)生主體意識(shí)發(fā)展的形式一一伙伴出現(xiàn)，促使學(xué)生敢發(fā)言、敢動(dòng)腦、敢動(dòng)手。學(xué)生角色由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與，學(xué)生不再受老師的操縱，而是主動(dòng)參與到實(shí)踐當(dāng)中，成為學(xué)習(xí)的主體，在實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)揮自主性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性。
    客體由項(xiàng)目和案例組成，通過“案例驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目教學(xué)”這樣一種教學(xué)模式，模擬整個(gè)工程項(xiàng)目過程，借鑒CDIO的工程教學(xué)觀念，培養(yǎng)學(xué)生通過思考、規(guī)劃、實(shí)施和運(yùn)營(yíng)等工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及系統(tǒng)分析、項(xiàng)目管理和組織協(xié)調(diào)能力。
    媒體作用(也即教學(xué)手段)由驗(yàn)證工具轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)開發(fā)工具，由于Proteus和Keil μVision4 IDE構(gòu)成的虛擬開發(fā)平臺(tái)的無損壞性，使得學(xué)生可以不受限制地自由發(fā)揮，激發(fā)學(xué)生的潛能。
    實(shí)踐教學(xué)過程由“依樣畫葫蘆”轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)、互動(dòng)型，教師的作用在于如何調(diào)動(dòng)個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式，提倡學(xué)生的獨(dú)立探索，是實(shí)踐活動(dòng)的引導(dǎo)者、組織者；學(xué)生則是整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)的主體，對(duì)于老師提出的知識(shí)點(diǎn)，可以自由發(fā)揮，在老師的指引和幫助下設(shè)計(jì)自己感興趣的作品，充分體現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性模式。

4 結(jié)束語
    目前人才市場(chǎng)對(duì)于嵌入式人才需求巨大，諸如手持儀器設(shè)備、智能家電、醫(yī)療設(shè)備、城市建設(shè)、工業(yè)控制、軍事應(yīng)用等等領(lǐng)域，嵌入式技術(shù)都無處不在。
    本文描述了嵌入式虛擬開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，提出了以“案例驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目教學(xué)”的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、靈活性并存的啟發(fā)式教學(xué)模式。在目前的市場(chǎng)需求和企業(yè)(特別是中小企業(yè))人才需求都是偏向軟硬件設(shè)計(jì)人才、應(yīng)用開發(fā)等綜合性人才的情況下，學(xué)生擁有嵌入式開發(fā)技術(shù)，不但在工作應(yīng)聘上有明顯優(yōu)勢(shì)，而且也增強(qiáng)了企業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。