构建嵌入式Linux软件设计虚拟实验室

冯刚 谭琦 董宇

摘  要： 为了降低嵌入式软件学习和开发中硬件资源的投入成本，提出以Proteus作为嵌入式target平台，Ubutun Linux作为host平台，构建嵌入式Linux软件设计虚拟实验室的步骤。以7段数码的显示为例演示了嵌入式Linux虚拟环境下进行嵌入式软件开发的过程，获得了较直观的实验结果。虚拟实验室的建设有效地降低了嵌入式系统的开发成本，弥补了传统实验室的不足。

关键词： Proteus; 嵌入式Linux软件设计; 虚拟实验室; 嵌入式系统

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A     文章编号：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

随着计算机技术的日益发展，嵌入式系统几乎渗入到人类社会生活的各个方面。全国各大高等院校的电子、计算机、信息等专业均开设了嵌入式相关课程，并建立了相应的嵌入式实验室。这些实验室基本上采用成套的硬件设备来构建，不同的实验室只能进行某一类课程的实验，而且由于嵌入式硬件的多样性以及资金的限制，无法建立一个适应各种需求的嵌入式实验室。一些学校已购买了一定的嵌入式设备，但因为学生人数众多、设备的损坏/老化等原因，使得嵌入式实践过程成为一种验证性的实验过程[1-3]。

虚拟实验室其基本思想是用软件方法虚拟各种实际的元器件、虚拟必要的电子检测设备如示波器等，即所有的实验只需要一台PC机和相应的软件就可以设计完成[5-7]。因此，虚拟实验室的出现较好地解决了目前嵌入式实践课程中出现的问题，为嵌入式软硬件教学提供了一个很好的平台，丰富了实践教学的手段，弥补了传统实验室的不足[4]。

本文针对嵌入式Linux软件设计虚拟实验室的建设进行了研究，提出了利用Proteus构建嵌入式Linux软件设计的虚拟仿真平台。通过该虚拟实验室，可以充分利用Proteus提供的各种硬件设备，搭建一个仿真现实的实验系统，进而在这个系统上完成整个基于Linux的嵌入式软件开发过程。

1 虚拟实验室的特点

由于嵌入式Linux软件设计涉及到嵌入式系统软硬件的多个方面，从嵌入式的引导程序Bootloader到Linux内核、根文件系统及应用程序的开发都需要有全面的认识，与传统的嵌入式实验室相比虚拟实验室存在下述特点：

⑴ 成本低。虚拟实验室其根本就是采用虚拟的设备来进行相关的嵌入式实验，整个实验过程均在软件上仿真运行，当实验设备和实验环境发生变化时，只需要对虚拟环境中的相关设备和环境进行改变即可，可以从根本上解决实验室建设经费短缺、实验设备不断损坏老化等问题。以嵌入式Linux软件设计课程为例，由于Bootloader、Linux内核及根文件的移植是一个十分复杂又容易出错的过程，往往要多次对实验箱开发板的flash进行底层的烧写，由于学生在实验中的不当操作极易导致开发板的损坏，改用虚拟实验环境就从根本上避免了这种问题，学生只需简单将移植后的软件装入到虚拟的flash中就可以检查移植的结果。

⑵ 实验时间灵活。采用虚拟实验室后，不再需要进行大班的嵌入式实践教学，可以让学生充分地利用課外时间，分散、灵活地完成实践教学。过去的嵌入式实验由于设备紧缺，常常是多个学生共用一套实验设备，有些基础差的同学根本没有机会理解实验内容，也无法完整地完成实验过程，基本上是属于走过场。通过虚拟嵌入式Linux环境，可以做到每个人独立完成实验要求，独立考核，并促使学生在平时也可以动手进行实践，充分调动了学生自主学习的积极性。

⑶ 方便灵活。实验环境不再固定单一，可以根据实验要求进行各种软硬件设计，有利于创新创造人才的培养。传统的嵌入式实验都是在固定的开发箱上进行， 几乎不能进行硬件电路上的创新改进，只能在已有的硬件平台上进行实验，而Proteus平台提供的ARM仿真开发环境提供了极大的改进与扩展的空间，我们可以对除CPU以外的硬件电路进行设计修改，并根据修改后的硬件电路进行bootloader、Linux内核的相应修改，最后完成应用程序的设计，充分体现了嵌入式软硬件协同设计的本质，对提高学生的学习水平，培养新工科提倡的人才提供了很好的实践环境。

2 虚拟实验室的构建

2.1 软件环境

⑴ Proteus

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真嵌入式CPU及外围器件.其最具特色的地方在于：①互动的电路仿真;②仿真处理器及其外围电路;③直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。选用Proteus作为嵌入式Linux交叉开发环境的target端，在Proteus环境设计嵌入式系统的硬件原理图，并将host端生成的嵌入式软件加载运行，观察系统仿真运行结果。

⑵ Ubuntu

选用桌面Linux版本Ubuntu作为host端，在Ubuntu上安装交叉编译工具，如arm-linux-gcc/arm-elf-gcc、uboot源码、ucLinux源码等，为嵌入式系统开发建立好交叉开发环境。

2.2 实验内容和实验过程

⑴ 在Ubuntu Linux系统中安装嵌入式开发环境：arm-linux-gcc/arm-elf-gcc、uclinux源码、uboot源码等。

⑵ 在Proteus上进行硬件电路的设计。

⑶ 在Ubuntu Linux进行嵌入式软件开发，编写嵌入式驱动程序与应用程序源码。

⑷ 在Ubuntu Linux交叉编译产生驱动程序的内核模块及应用程序。

⑸ 在Proteus的仿真环境中加载并运行驱动程序模块及应用软件，观察系统仿真运行的结果。

2.3 实例分析

下面以Linux下进行7段数码管的显示控制过程为例介绍驱动程序和应用程序开发的过程。

⑴ 安装交叉编译环境（过程略）。

⑵ 完成硬件电路设计，设计中包括对Proteus中的ARM for VSM进行输入输出接口P0-P31的设计以及7段数码管的线路连接。最top层电路如图1所示。

⑶ 编写驱动程序c及应用程序，其关键c语言代码如下：

//驱动程序中提供给应用程序的接口函数

static struct file_operations seg7_fops = {

owner：THIS_MODULE，

open：seg7_module_open，

ioctl：seg7_module_ioctl，

release：seg7_module_release，

};

//7段数码管的驱动程序，接收应用程序的输入，控制7段数码的显示

static int seg7_module_ioctl（struct inode *inode， struct

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

{

switch （cmd） {

//根据cmd显示0～F的一个值

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） { //注册设备

int register_result=register_chrdev（seg7_major，

"seg7"， &seg7_fops）;

if （seg7_major==0） seg7_major=register_result;

printk（KERN_INFO "seg7： init OK！＼n"）;

P0=0x00;

return 0; }

static void seg7_module_cleanup（void） { //注销设备

if （unregister_chrdev（seg7_major， "seg7"））

printk （KERN_ALERT "seg7 module unregister！＼n"）;

else

printk （KERN_ALERT "seg7 module unregister error！＼n"）;}

module_init（seg7_module_init）; //內核模块初始化函数

module_exit（seg7_module_cleanup）; //内核模块卸载函数

//头文件seg7.h

#ifndef _SEG7_H_

#define _SEG7_H_

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

//对应的硬件接口地址

#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}; //数码管的共阴极编码值

#endif /* _SEG7_H_ */

应用程序测试代码如下：

//test-seg7.c

#include

#include "seg7.h"

int main（void）

{ int fd;

int length，i，j;

fd=open（"/dev/seg7"， O_RDWR）

//调用驱动程序提供open函数

while（j<10） { //循环显示10次

for（i=0，i<16，i++） {

ioctl（fd， i）; //循环显示0～F

sleep（1）; }

j++ }

close（fd）;

printf（"Success！＼n"）;

return 0; }

⑷ 编译连接生成内核模块seg7-module及应用程序test-seg7（过程略）。

⑸ bootloader启动并加载uclinux内核如图2所示。

⑹ 在Proteus加载运行，运行结果如图3所示。

3 结论

由此可见，基于Proteus进行嵌入式Linux虚拟仿真实验室的构建是完全可行的。采用虚拟实验室的方式，可以很好地解决传统嵌入式实验室设备老化折损等问题，降低了嵌入式系统开发的成本，同时也方便学生充分利用课余时间进行嵌入式系统的软硬件设计，不受实验室场地以及实验箱硬件设计的限制，能够充分调动学生自我学习积极性。在我院实际的教学与实践应用中，取得了很好的教學效果，学生对嵌入式Linux软件设计课程的满意度评分达到了98.8%。不仅如此，使用虚拟仿真的方式，还可以在项目开发中进行快速原形设计，在虚拟开发成功之后进行实际制作，这样可以大大节省开发成本、提高开发效率，具有极好的实用价值。

参考文献（References）：

[1] 曹颖.虚拟实验室在仪器分析教学中的应用探讨[J].实验科学与技术，2015.13（2）：36-37

[2] 沈珊瑚等.以学生为中心的嵌入式系统原理与设计实践课程教学探索[J].计算机教育，2019.7：159-162

[3] 赵继忠等.基于Proteus的工频参数测量仪的设计[J].自动化与仪器仪表，2019.2：84-87

[4] 江维等.基于PROTEUS和MDK的嵌入式虚拟实验室构建[J].武汉纺织大学学报，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