虚拟机在嵌入式系统实验教学中的应用

＝　ＣＮｌｌ一２０３４／Ｔ　实验技术与管理　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　第２５卷第６期２００８年６月　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２００８　

虚拟机在嵌入式系统实验教学中的应用　

马向玲　，范宇明　，赵安兴　，马向阳　

（１．海军航空工程学院兵器科学与技术系，山东烟台２６４００１；２．山东建筑大学发展规划处，山东济南　２５００６３）　

摘要：该文介绍了嵌入式操作系统和虚拟机技术，采用先进的虚拟机软件ＶＭｗａｒｅ对嵌入式系统实验室进　行建设，在同一台ＰＣ机上安装了多个操作系统，完成了基于ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ和基于Ｌｉｎｕｘ操作系统的ＡＲＭ系　统实验开发。　关键词：嵌入式系统；虚拟机；实时操作系统　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２－４９５６（２００８）０６—００８６—０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　

ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｍｂｅｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＭＡ　Ｘｉａｎｇ—ｌｉｎｇ　，ＦＡＮ　Ｙｕ—ｍｉｎｇ　，ＺＨＡＯ　Ａｎ—ｘｉｎｇ　，ＭＡ　Ｘｉａｎｇ—ｙａｎｇ　

（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｒｍｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎａｖｙ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｔａｉ　２６４００１，　Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ａｒｃｈｔｅｃｔｕｒｅ，Ｊｉｎａｎ　２５００６３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｅｄ　ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＶＭｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｒｌｌｅ　ＰＣ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＡＲＭ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃ／ＯＳ—ＩＩ　ａｎｄ　Ｌｉｎｕｘ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓ—　

ｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　

计算机技术的发展日新月异，从８位ＣＰＵ、　

１６位ＣＰＵ、３２位ＣＰＵ，发展到实时操作系统，　

目前流行的趋势是嵌入式操作系统技术。据粗略　统计，每年只有１０％一２０％的计算机芯片用于台　

式机或笔记本电脑等，这就意味着每年有１００亿　

块ＣＰＵ是为嵌入式系统设计制造的。嵌入式系统　

带来的工业年产值已超过了１万亿美元。嵌入式　

技术正在形成一种产业，并成为ＩＴ产业争夺的重　点之一　。　

建立嵌入式系统实验室对掌握最新的计算机技　术知识，提高专业知识和实践能力大有帮助。海军　

航空工程学院以全军“２１１０”重点实验室项目建　

设为契机，在课程建设与实验教学改革方面进行了　

积极探索。采用先进的虚拟机技术对嵌入式系统实　

收稿日期：２００７－０８－３０　作者简介：马向玲（１９７Ｏ一），女，山东省栖霞市人，博士，副教　授，研究方向为嵌入式系统　基金项目：２００６年山东省高等学校教学改革项目（Ｃ０５１４６）．　验室进行建设，在同一台ＰＣ机上安装多个操作系　

统，完成了基于￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ和基于Ｌｉｎｕｘ操作系　统的ＡＲＭ系统实验开发。　

１嵌入式操作系统简介　

嵌入式实时操作系统的ＲＴＯＳ内核是嵌入式系　

统的核心，最能体现嵌入式系统的可剪裁性、实时　性、网络支持、功能可扩展。必须针对具体的研究　

对象设计不同的内核，因此是嵌入式系统设计的重　点。目前，常用的嵌入式ＲＴＯＳ可分成３大类：商　用系统、专用系统和开放系统。　

商用系统是商品化的嵌入式实时操作系统。其　功能强大，应用范围相对较广，而且辅助工具齐　全，可以胜任许多不同的应用领域，如ＷｉｎｄＲｉｖｅｒ　的ＶｘＷｏｒｋｓ和ｐＳＯＳ＋，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ．　

ＥＰＳＯＮ，ＣｏｒｅＴｅｋ的ＤｅｌｔａＯＳ和中科院的Ｈｏｐｅｎ等。　专用系统是一些专业厂家为本公司产品特制的嵌入　

式操作系统，不提供应用开发者使用，如ＣＩ

ＳＣＯ　维普资讯 http://www.cqvip.com 马向玲，等：虚拟机在嵌入式系统实验教学中的应用　

公司的网络产品所用的ＩＯＳ、ＭＴＡ／ＮＯＫＩＡ／ＥＲＩＳＯＮ　

合作研制的ＥＰＯＣ等。开放系统是近年来发展迅速　的一类操作系统，免费型的实时操作系统在价格方　面具有优势，其典型代表是Ｌｉｎｕｘ和￣Ｃ／ＯＳ。由于　

应用系统开发者可以免费获得这些系统的源代码，　

因而降低了开发难度。但其缺点也非常明显：功能　

简单、技术支持差，系统稳定性也相对较差。　１．１￣ｃ／ｏｓ简介　

Ｉ￣Ｃ／ＯＳ是Ｍｉｃｒｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｏ　Ｓ的简称，译为微　控制器操作系统，是美国人Ｊｅａｎ　Ｉ￣ｇＩＤｓｓｅ于１９９２　

年完成的，应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医　

疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系　统、自动提款机等。１９９８年进一步完成了￣Ｃ／ＯＳ　

—ＩＩ，目前的版本是￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ　Ｖ２．６１，２０００年得　

到美国航空管理局（ＦＡＡ）的认证，可以用于飞　行器中。￣Ｃ／ＯＳ的性能特点：公开源代码、可移　

植性、可固化、可裁剪等，支持的ＣＰＵ种类较多。　１．２　Ｌｉｎｕｘ简介　

Ｌｉｎｕｘ适应于多种ＣＰＵ和多种硬件平台，是一　

个跨平台的系统，而且性能稳定，裁剪性很好，开　发和使用都很容易。Ｌｉｎｕｘ内核的结构在网络方面　

是非常完整的，Ｌｉｎｕｘ对网络中最常用的ＴＣＰ／ＩＰ　协议有最完备的支持。提供了对包括十兆、百兆、　

千兆的以太网络，以及无线网络、Ｔｏｋｅｒ　ｒｉｎｇ（令　牌环网）、光纤甚至卫星的支持。Ｌｉｎｕｘ的安装和　管理比ＵＮＩＸ更加简单灵活，但是对于习惯于Ｗｉｎ—　

ｄｏｗｓ操作系统的人来说，需要记忆大量的命令行　参数却是一个缺点。　

１．３　Ｗｉｎｄｏｗｓ和Ｌｉｎｕｘ操作系统分区格式的比较　Ｗｉｎｄｏｗｓ常用的分区格式有３种，分别是　

ＦＡＴ１６、ＦＡＴ３２、ＮＴＦＳ格式。在Ｌｉｎｕｘ操作系统里　有Ｅｘｔ２、Ｅｘｔ３、Ｌｉｎｕｘ　ｓｗａｐ和ＶＦＡＴ　４种格式。　

Ｗｉｎｄｏｗｓ、ＭａｃＯＳ以及多种Ｕｎｉｘ版本在内的大多数　操作系统均对ＦＡＴ提供支持。ＦＡＴ３２突破了　

ＦＡＴ１６下每一个分区的容量只有２ＧＢ的限制。目　前，Ｗｉｎｄｏｗｓ　９５　ＯＳ以后的操作系统都支持这种分　

区格式。ＮＴＦＳ的优点是安全性和稳定性非常出色，　

在使用中不易产生文件碎片，并且能对用户的操作　进行记录，Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００、Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ、以及　

Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＸＰ都支持ＮＴＦＳ格式。Ｅｘｔ２是ＧＮＵ／Ｌｉｎｕｘ　系统中标准的文件系统，专门为Ｌｉｎｕｘ设计的，拥　有极快的速度和极小的ＣＰＵ占用率。Ｅｘｔ３是Ｅｘｔ２　

的下一代，也就是保有Ｅｘｔ２的格式之下再加上日　志功能。Ｌｉｎｕｘ　ｓｗａｐ是Ｌｉｎｕｘ中一种专门用于交换　

分区的ｓｗａｐ文件系统。ＶＦＡＴ叫长文件名系统，　可作为Ｗｉｎｄｏｗｓ与Ｌｉｎｕｘ交换文件的分区。　

嵌人式系统设计是一门新兴的综合性课程，涉　及电子、计算机、自动控制等专业知识，可包括微　机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。我们　

以嵌人式微处理器ＡＲＭ９为对象讲解嵌人式系统　体系结构，选择Ｉ￣Ｃ／ＯＳ　ＩＩ和Ｌｉｎｕｘ　ＲｅｄＨａｔ两种嵌　

人式操作系统，同时开设基于Ｉ￣Ｃ／ＯＳ　ＩＩ操作系统　

和基于Ｌｉｎｕｘ操作系统的两大类ＡＲＭ系统实验。　基于Ｉ￣Ｃ／ＯＳ　ＩＩ操作系统的ＡＲＭ系统实验包括　Ｃ／　

ＯＳ　ＩＩ的内核在ＡＲＭ处理器上的移植实验、串口驱　动的应用实验、ＬＣＤ驱动的应用实验、键盘驱动　的应用实验、基于Ｉ￣Ｃ／ＯＳ　ＩＩ的小型ＧＵＩ的应用程　

序编写实验等。基于Ｌｉｎｕｘ操作系统的ＡＲＭ系统　实验包括键盘驱动的编写、ＬＣＤ驱动的编写、键　

盘的应用程序编写、基本绘图应用程序的编写、跑　

马灯应用程序的编写实验和ＵＳＢ播放ｍｐ３实验等。　由于Ｗｉｎｄｏｗｓ和Ｌｉｎｕｘ操作系统分区格式的不　

同，所以这就给同时使用这两种操作系统进行　ＡＲＭ微处理器的开发带来了困难。我们采用先进　

的虚拟机技术，借助于虚拟机，在同一台Ｐｃ机上　安装多个操作系统，完成了基于Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ和基　

于Ｌｉｎｕｘ操作系统的ＡＲＭ系统实验开发。　

２虚拟机技术及软件介绍　

２．１虚拟机技术　所谓虚拟机就是由虚拟机软件模拟出来的计算　

机，或称为逻辑上的计算机（Ｇｕｅｓｔ　ＯＳ）。每个虚　拟机都具有模拟出来的同物理计算机相同的运行环　

境，包括硬件层、驱动接口、操作系统及应用层，　都建立在ＰＣ机的应用环境下，属于用户级的软　

件。利用虚拟机软件可以在一台物理计算机上模拟　出多个逻辑上的计算机，运行多个操作系统，还可　以将这些计算机相互连接起来形成网络，虚拟计算　

机能同时运行的数量多少由计算机本身配置决定。　

在虚拟的环境下，用户可以在同时运行的多台虚拟　机中来回切换，而无需重新启动系统。　

几个概念，ＶＭ（ｖｉｒｔｕａｌｍａｅｈｉｎｅ）：．虚拟机；　ＨＯＳＴ：主计算机，即运行ＶＭｗａｒｅ的计算机；　

ＨＯＳＴ　ＯＳ：运行ＶＭｗａｒｅ的操作系统；ＧＵＥＳＴ：虚　拟计算机，即由ＶＭｗａｒｅ虚拟出来的计算机；　

ＧＵＥＳＴ　ＯＳ：虚拟操作系统，即运行在虚拟计算机　上的操作系统。　２．２虚拟机软件ＶＭｗａｒｅ　

目前，应用广泛的虚拟机软件主要有ＶＭｗａｒｅ　

公司的ＶＭｗａｒｅ　ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ及Ｃｏｎｎｅｅｔｉ

ｘ公司设计的　维普资讯 http://www.cqvip.com ８８　实验技术与管理　

Ｖｉｒｔｕａｌ　ＰＣ，这两个虚拟机软件应用功能基本相同。　它们有如下特点：不需要对物理硬盘进行分区或重　新开机就能够在一台Ｐｃ机上安装使用多种操作系　

统；完全隔离并且保护不同操作系统的操作环境及　

所有安装在不同操作系统上的各种应用软件和资　

料，并且具有硬盘还原功能；不同的操作系统之间　能够进行互动操作，包括网络、周边设备，能进行　

文件共享等；能够设定并且随时修改操作系统的操　作环境，如内存、硬盘、其他外设等。　ＶＭｗａｒｅ　ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ可以在一台机器上同时运　

行二个或更多的操作系统。与“多启动”系统相　比，ＶＭｗａｒｅ采用了完全不同的概念。多启动系统　

在一个时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要　

重新启动机器。ＶＭｗａｒｅ是真正“同时”运行，多　个操作系统在主系统的平台上，就象标准Ｗｉｎｄｏｗｓ　

应用程序那样切换，而且每个操作系统都可以进行　虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，甚至　

可以通过网卡将几台虚拟机用网卡连接为一个局域　网，极其方便。