給自己更好未來的 3 個練習：嵌入式作業系統設計、實做，與移植 (2015 年春季 ) 課程說明
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本课程旨在通过开发嵌入式系统和操作系统，培养学生的实践能力与创新思维，教授如何从零开始构建相关技术。课程融合理论与实践，鼓励学生解决实际问题，并广泛使用开源技术。在师资的支持下，学生在业界的就业机会显着提高，许多学生在未毕业前就获得了工程师职位。
給自己更好未來的 3 個練習：嵌入式作業系統設計、實做，與移植 (2015 年春季 ) 課程說明
- 1. 給自己更好未來的 3 個練習 嵌入式作業系統設計、實做，與移植 (2015 年春季 ) 課程說明 Jim Huang ( 黃敬群 ) <jserv.tw@gmail.com> 台灣國立成功大學資訊工程系 Feb 24, 2015
- 2. 關於授課教師 (@jserv) ● 成功大學資訊工程系 / 兼任教師 ● 交通大學資訊工程系 / 兼任教師 ● 從事消費性電子產品開發達十餘 年，近年投入工業控制領域 – 台達電子 / 顧問 – 工研院資通所 / 顧問 – 聯發科技 / 顧問 – 南星創業加速器 / 技術長 – 晶心科技 / 幕僚工程師 ● 多項世界級開放原始碼專案開發者 – 新酷音輸入法 – Android Open Source Project – GCC / GNU Classpath – LXDE – Kaffe – pcman(x) – Linaro, 0xlab
- 3. 「哥教的不是知識，是 guts ！」 ? GUTS: 與其死板傳授片面的知識，還不如讓學生有 能力、有勇氣面對資訊科技產業的種種挑戰 ? 我從產業回學校任教，希望學生畢業那刻，身心知 識方面是富足的，不要「窮得只剩下畢業證書」 – 二十年前能想像，成大電機系的畢業生會找不到好工作嗎？！若是如此， 畢業證書還不如黨證 ? 目標：兼顧理論和實務、開拓視野，從做中學習、 從做中肯定自己
- 4. ? GUTS = General Unix Talk Show ? 向 Unix 作業系統學習，要求學生從無到有打造類似 Unix 的作業系統核心，同時銜接最新產業發展，全 程採用活躍的開放原始碼技術，不用擔心學習的是 「屠龍術」 ? 課程也會一併引導學生在畢業後得以找到學以致用 的工作職務 授課內容就是 GUTS
- 5. 發展嵌入式裝置或作業系統有意義嗎？ ? 課程要求同學「開發一套嵌入式裝置或作業系統」的 動機其實是「理解開發作業系統的需求，並且實際 去解決問題」 ? 實務上，開發和設計系統是常態 – 每天都在接觸的手機作業系統 – 消費性電子產品裡頭也多內建作業系統 – 汽車、飛機、工廠設備等等都有特製的作業系統 – 甚至可能連核心也從頭打造
- 6. 嵌入式系統系列課程目標 ? 教學計劃： – 體驗產品設計背後的工程考量 – 做中學 ? 最終打造出可用的電子產品雛型或基礎建設 – 裡頭就內建客製化的作業系統！ – open source! ● 好東西不怕人家看 ( 若有抄襲，也一併公諸於世 ) ● 展示自己的技能給未來的同事、老闆，甚至是投資人看
- 7. 課程產出 ? 學生專業能力和視野的提昇 – 在2014 年，參與課程其中9 位學生獲得聯發科錄取為工程師 – 大學還沒畢業就拿到聘書，還有人生平第一次面試當天被聯發科錄取 ? 共筆大量ARM 優質技術文件，獲得高度能見度 ? 累積超過45 個完整專案並釋出原始碼 ? 學生在COSCUP(台灣最大的開放原始碼研討會，上千人)和SITCON(學生計算機年會)發表專題演 說和成果 ? 學生在Linux Foundation 舉辦的全球嵌入式Linux 技術論壇，發表專題演說和成果 – 台灣人出席此類研討會極少，若說第一位從缺，那老師我是第二位，學生則是第三位
- 8. 從作業系統核心、圖形系統、訊號處理系統都是由 成大資訊系學生 100% 自行開發的電吉他調音器 http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/os-team2014-2
- 17. 人在做， Google 在看！人在做， Google 在看！ 學生成果在 Google 搜尋名列前茅
- 18. 你以為這樣就結束了嗎？還有 ... ? 教學用作業系統核心 : rtenv+ – 從 2013 年 100% 由學生自行開發的 ARM 作業系統核心 – 自己的教材自己寫！自己的核心自己開發！ ? 研究性質作業系統核心 : F9 microkernel – 獲得美國新創公司採用，並發表於 CTHPC 2015 ? 即時虛擬化解決方案 : RTMux – 在 Linux Foundation 發表 (ELCE 2014) ? uClinux 的 ARM Cortex-M4F 效能改善 – 在 Linux Foundation 發表 (ELC 2015)
- 19. 看了同學們的作品後，你還想問「開發作業系統有 什麼意義」這問題嗎？ ? 四軸飛行器得同時處理馬達轉速轉向、平衡感測、用演算 法修正飛行姿態、遙控訊號、影像運算，還有保存影像資 料等繁複的操作 – multi-tasking, synchronization, I/O, file system ? 彈奏吉他的機器人對時間要求非常苛刻，否則不只是「慢 半拍」，還會無法正確地進行和弦刷法 – realtime, latency ? 自動寫書法的機器人需要高效能的資料處理，否則無法自 外界擷取大量的書法資料 – throughput, networking
- 20. 開發產品，屢屢面對作業系統的議題 ? 本學期課程目標就是指出嵌入式系統中，若干關鍵的作業 系統設計議題，並且帶著同學著手處理 ? 不要說「怎麼可能？」，上學期修課的同學不就證明雙手 萬能的道理了嗎？現在我們則深入箇中的設計議題，並以 軟體思維去解構系統 – 讓你重新理解作業系統的基本觀念 – 同時也強調計算機組織與結構的概念 – 甚至還會複習數學觀念和工程方法
- 21. 捫心自問 ? 若 Google Inc. 和 Apple Inc. 的工程師 跟你一樣懵懵懂懂，得過且過地面對 工程挑戰，他們做出來的手機，你敢 每天放在身邊使用嗎？
- 22. 我心動了，但沒基礎怎麼辦？ ? 只要你願意花時間，就算沒修過作業系統或計算機組 織與結構一類的科目也沒關係，課堂中會有重點提示 ? 只要資訊系、電機系、工程科學系、機械系、航太系 或相關科系的大二以上 ( 含 ) ，學過 C 語言即可 – 去年還有物理系和經濟系的學生修課，依舊表現不俗， 所以千萬別擔心 – 不懂就 ( 重新 ) 學，不要裝懂，千萬別說謊
- 23. 這門課除了學作業系統和嵌入式系統外， 可能還有其他收穫 ... ? 講師和邀請講者來自資訊產業 ? 我曾經是個對高等教育徹底失望的人，連大學都沒唸完 ，但工作十年後 , 重返學校教書、再學習。如今想在台 灣南部建立新的事業，讓工程師能夠兼顧生活與工作的 品質，直接在學校培養工程人員 – 著墨於基礎建設 , 將資訊技術作多方應用 – 本課程不存在「與業界脫軌」的問題，這就是部份產 業的縮影
- 26. 詹博丞是成功大學資訊工程所學生，他曾就讀於音樂資優班，但國中三年級時發生車禍，導致罹患點狀軟骨錯生症，因此不良於行，而且產生聽力、視 力障礙。但他仍 不放棄學習程式設計，並毅然地在兩年前參與新酷音輸入法的開發，並主導數位點字樂譜的設計，希望可以幫助視障朋友閱讀樂譜。 由於視力有障礙，加上盲人點字 閱讀機的限制，他撰寫程式時，是將所有程式碼背在腦海中進行開發、除錯，也由於聽力障礙，和他說話必須靠在耳 邊。在演講中他提到，開發的過程中遇到最大的 困難是交接程式碼，因為交接時必須閱讀（以點字方式）其他人的程式碼，最重要是放下成見，用別 人的角度去思考。 http://www.appledaily.com.tw/realtimenews/article/new/20140722/4378 65/1/
- 27. 雖然我不會教書，但我可以陪同學連續奮戰 20 小時以上雖然我不會教書，但我可以陪同學連續奮戰 20 小時以上
- 28. 一起看日出也行，我可是正宗的竹科工程師啊 ( 茶 )一起看日出也行，我可是正宗的竹科工程師啊 ( 茶 )
- 30. Learn to Fail, or Fail to Learn ? 作一個 CPU 、編譯器、作業系統並沒什麼了不起 ( 當 然，具體而微那種 ) ，但學生若能親眼看到自己親身實作 出這樣貌似遙不可及的項目，難道不會對投身於資訊 科技，更有信心嗎？有如此基礎，才能進一步改善科 技水平 ? 本學期，我們一同打造真正能用的作業系統，並且解 決實際的問題 – 作不到的話，恐怕連皮毛都學不到
- 31. 我的承諾 ? 只要你在這門課有充分付出 , 絕對不會讓你失望 – 學期分數、工作機會 – 我是為了尋覓工作夥伴而來 , 不是來打分數的 ? 只要你願意學 , 我就花時間教 ? 儘管課程作業有一定難度 , 但你只要開口 , 我陪你一起作、一同討論 ? 我的講師費全數捐出給同學買硬體、買參考書目 ? 若你在這門課表現不錯 , 拿著作品一定可找到中上的資訊科技相關工 程職務 – 每學期都有學生錄取聯發科技 / 晨星半導體公司的工程職務
- 32. 適用對象與假設 ? 對於資訊領域有熱情、並有堅持到底的學習精神 ? 樂於助人 , 願意分享所學知識 – 在打群架的年代 , 隔壁的同學就是夥伴 ! ? 願意花時間寫作業 ? 自主學習課程所需的前備知識以及課程參考資料 ? 願意花時間教會身邊的同學
- 33. 不建議選修的學生族群 ? 覺得自己無論怎麼努力，仍比隨便一位台大資工系 畢業生還差的人 ? 覺得光靠著拿著成功大學的畢業證書，就能在資訊 科技產業有尊嚴地享有優渥生活者 ? 覺得每週看著游泳教練或鋼琴教師，但自己不動手 ，卻又妄想能學到什麼技能的人
- 34. 課程規劃 ? 三大主軸 – ARM 組織和結構 – 作業系統界面和設計 – 系統效能、可靠度和安全議題 ? 搭配使用 GNU/Linux 豐富的開發工具 ? 引導同學拋開第二手資料，而是直接自源頭擷取知識 並重整
- 35. 從系統程式的「演化」來切入 ? 從不足 40 行 C 語言程式的 self-contained ARM 系 統開始，先演化為 300 行的多工作業系統核心，之 後再逐步擴展諸如 Process/Thread 執行單元、定址 空間、記憶體管理、檔案系統、即時多工、驅動程 式等設計，並帶著學生逐步實踐以上機制 ? 用「開發電動玩具」來驗證系統程式的功能和穩固 程度
- 36. 具體而微地說明最新技術 ? 預計涵蓋 ARM Cortex-A/R 的架構與指令集 (ARMv7 / ARMv8) ，不會一次提供大量參資料，而是先給予小 到能用單一頁面展現的系統實例，要求學生參閱相 關資料並補充強化 ? 不只 multi-tasking kernel ，也探討 virtual machine monitor / hypervisor 的設計概念
- 37. 學以致用㊣ ? 課堂模擬產業生態和規格 ? 銜接產業界的發展水平 ? 採用業界標準的開發工具與流程 ? 100% 應用活躍的開放原始碼軟體 ? 提供資訊科技工作諮詢和模擬面試
- 38. 時間地點 ? Feb 24, 2015 – Jun 30, 2015 ? 每週二 – 15:10-18:00 ( 課程 ) – 19:30- ( 實習 / 解惑 ) – 你願意的話，我從下午三點陪你到凌晨三點 ? 每週四 19:30 補課 ( 舊系館一樓 203 教室 ) ? 成功大學資訊工程系新系館 65203 教室
- 39. 評分方式 ? 考試 : 20% ( 期初「資格考」 + 模擬面試 ) ? 作業和報告 : 40% ( 針對資訊產業需技能，所濃縮的訓練 ) ? 學生自我評量 : 40% ? 加分 : 參與和作業系統相關的 open source 專案開 發 ( 需獲得講師認可 ) ，加學期總分 10 到 40 分
- 40. 注意須知 ? 不點名 ? 課程進行大量用到網路和客製化開發環境，建議攜帶筆記型電腦 ? 考試採筆試和一對一口試，可重複應考 ( 考到滿意為止 ) ? 歡迎旁聽，但請一同參與實習與進行作業繳交 ? 每週都有實習課 / 作業 – 在隔週六 ( 含 ) 之前需完成作業 – 如果連續二份作業寫不完的話，就不用來了 ( 視同作業項目零分 ) ? 期末有專題和口頭報告 (Final project) – 修課同學可獲得開發板與相關硬體之補助
- 41. 課程資料 ? 不需要購買教科書 , 所有課程資料都放在網路上 – 作業或考試表現優異的同學 , 可獲贈參考書籍 ? wiki: http://wiki.csie.ncku.edu.tw/ – 請先參閱「進階嵌入式系統開發與實作 (2014 Fall) 」和 「嵌入式作業系統設計與實作 (Spring 2014) 」 ● 討論區 : https://www.facebook.com/groups/ncku.embedded2015/
- 42. 「黃金 30 天」假說 ? 每學期開始的前 30 天，學生的課業壓力相對小，這 時應強化基本訓練 – 軟體開發流程和素養 – 熟悉開發工具 – 每週都有 coding 作業 – 「柿子不能只挑軟的吃」 – 之後會讓同學準備期中報告和期末專題
- 43. 要求學生使用 open source 開發工具，連同作業 都提交到 GitHub 上，接受教師和同學的 code review 課程作業協作平台 : https://github.com/embedded2015/
- 46. 本學期參考專題提案 ? 將 RTOS 應用於無人飛行器 ( 四軸、定翼機、機械鳥 ) ? 基於 ARM 架構的快速開機 (snapshot boot) ? 研究 ARMv7/ARMv8 架構並修改指定的 hypervisor 實做 ? 延展前幾個學期的 RTOS ，改善整體效能和功能 ? 改善 Android Open Source Project 底層效能
- 47. Make Your Own Smart Watch http://hackaday.com/2014/02/17/make-your-own-smart-watch/
- 48. How is a $12 phone possible? http://boingboing.net/2013/04/18/how-is-a-12-phone-possible.html ? The electronics consists of just two major IC – Mediatek ( 聯發科技 ) MT6250DA ● single-chip GSM/GPRS/EDGE-RX entry- multimedia – Vanchip ( 唯捷創芯 ) VC5276 ● transmit module for dual-band
- 49. 期末成果發表會 ? 2015 年 6 月下旬，將公開舉辦發表會，讓同學們 的成果有對外交流的機會 ? 邀請來自 Intel 、 Marvell 、聯發科技、晨星半導體 、工研院、台達電子、鴻海科技，和若干新創公司 等單位的代表給予評比 – 現在就有機會遇見未來的雇主和同事 ? 一同創造回憶