《嵌入式系统设计》课程教学大纲

嵌入式系统设计EmbeddedSystemDesign【课程编号】XZ261831【课程类别】专业限选课【学分数】1.5【先修课程】单片机、C语言/C++【学时数】38【适用专业】电子信息工程专业、自动化专业、通信专业一、教学目的、任务（必备项）嵌入式系统是IT新兴领域的基石,嵌入式系统技术已经成为目前IT领域新兴产品最重要的支撑技术，目前主流的新兴产品包括物联网设备、以智能手机、平板电脑、智能电视及智能路由器等，都得益于嵌入式系统技术的发展。嵌入式系统融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术；主要学习嵌入式系统设计原理及方法，根据应用要求，把相应的计算机直接嵌入到应用系统中。通过本课程学习，使学生了解嵌入式处理器ARM微处理器体系结构及指令系统。了解32位嵌入式处理器总体结构、存储器组织、系统控制模块和I/O外围控制模块。掌握嵌入式系统的分析与设计方法，了解各种嵌入式操作系统开发应用方法；能够进行实际系统的设计与分析。如何利用好学生在处理器方面的开发经验同时又引导其形成嵌入式系统的开发思维方式是应该思考的问题。利用好学生在处理器方面的开发经验逐步引导其了解嵌入式系统开发的方式方法、建立嵌入式系统设计的思维模式，便成为教学的首要任务。其工作重心是系统讲述32位嵌入式处理器ARM的功能特点及与其它处理器的区别比较；讲解ARM与嵌入式操作系统结合后的突出优点；注意与前期学习的开发知识相联系；适当讲解各类相关ARM处理器的特点以扩大学生的知识面；并把培养学生的设计思维能力和动手能力贯穿于整个教学过程之中；最终达到学生能够熟练掌握嵌入式系统的共性技术并能针对ARM处理器做一些简单的设计开发工作的目的。二、课程教学的基本要求了解嵌入式系统全部基础知识，了解嵌入式系统最新知识，了解嵌入式系统开发的发展趋势。掌握多核处理器基础、多核处理器硬件设计、嵌入式系统软件设计基础、Android程序设计、iOS程序设计以及HybridApp开发六大部分。1.掌握多核处理器基础：多核处理器基础；ARM处理器多核体系结构。2.掌握多核处理器硬件设计：多核嵌入式系统硬件结构；存储器电路；音视频及触摸屏接口；通信接口。3.掌握嵌入式系统软件设计基础：Bootloader程序；Linux软件开发平台及软件配置；Linux驱动程序设计；Linux及Android操作系统的编译。4.掌握Android程序设计：Android程序设计基础；Android图形用户界面设计；Activity、Intent和Service系统结构设计。5.掌握iOS程序设计：iOS程序设计基础；Objective-C编程语言；iOS视图及视图控制器。6.掌握HybridApp开发：HybridApp开发基础；PhoneGap移动开发；jQueryMobile移动开发。三、教学内容和学时分配（必备项）（一）总论（或绪论、概论等）学时（3）主要内容：了解嵌入式系统的概念、特点及分类，嵌入式系统的应用领域及未来发展趋势。教学要求：掌握嵌入式系统的概念。其它教学环节：课后上网查资料，了解嵌入式系统有什么作用。（二）第一章……多核处理器基础学时（3）主要内容：第1章多核处理器“核战”时代；第2章ARM处理器多核体系结构。一方面详细讲解了嵌入式系统的基础知识，以及目前多核处理器的发展情况；另一方面详细讲解的ARM处理器多核体系结构，特别是深入分析了Cortex-A9内核的内部结构。教学要求：对于嵌入式系统的学习人员，更应该前移起跑线，积极了解多核处理器的性能与特点，紧跟嵌入式系统发展的步伐。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）：（三）第二章……多核处理器硬件设计学时（6）主要内容：第3章多核嵌入式系统硬件结构；第4章存储器电路；第5章音视频及触摸屏接口；第6章通信接口。多核处理器作为硬件设计的中心，结合Cortex-A9多核处理器的特点，讲解了多核嵌入式系统硬件整体结构。另外还重点讲解了嵌入式系统的存储器电路设计、人机交互接口电路设计以及通信接口设计。教学要求：嵌入式系统硬件并不像电脑那样的标准化设计，不同的应用系统其硬件结构也千差万别，因此，不管是嵌入式系统的开发人员还是学习人员，也不管是嵌入式系统的硬件工程师还是软件工程师，都需要对嵌入式系统的硬件具有更加深入的了解。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）：安排一次作业。（四）第三章……嵌入式系统软件设计基础学时（3）主要内容：第7章Bootloader程序；第8章Linux软件开发平台及软件配置；第9章Linux驱动程序设计；第10章Linux及Android操作系统的编译。Bootloader程序部分，主要讲解了U-boot的特点、功能与结构。Linux软件开发平台及软件配置部分，主要讲解了VMware虚拟机下的Ubuntu操作系统的安装与配置，以及Linux程序设计的基础，重点讲解的makefile文件的编写规则；同时还讲解了ARM的交叉编译器的配置方法。Linux驱动程序设计部分，Linux设备驱动程序的模块化结构，以及Linux驱动程序的编写、编译与加载方法。Linux及Android操作系统的编译部分，主要讲解了Android系统架构、Ubuntu下的Android编译环境配置，以及重点讲解了如何从源代码构建Android系统。教学要求：由于嵌入式系统硬件的特殊性，使嵌入式系统软件设计具有了与桌面PC软件设计不一样的特点。因为硬件环境与PC机不一样，嵌入式系统软件设计与嵌入式硬件系统关系密切，硬件环境千差万别，特别是嵌入式系统硬件资源有限，例如：CPU处理能力低、内存容量小、显示屏尺寸小、显示屏分辨率低等，因此在嵌入式系统软件设计的过程中，需要时刻注意其硬件对软件的影响和限制。目前，Linux操作系统依然是嵌入式系统里使用最广泛的操作系统。许多的嵌入式产品，例如大部分的网络摄像头、机顶盒，都采用了Linux操作系统。很多的路由器，也采用了Linux操作系统内核，例如OpenWrt、Vyatta、Endian、RouterOS、ZeroShell、DD-WRT等路由器操作系统，都是基于Linux操作系统内核。Linux也是其它一些嵌入式操作系统的基础，例如Anroid也建立在Linux的基础之上，IOS的基础是Unix操作系统，而Linux是从Unix发展而来。因此了解Linux也有助于学习Unix操作系统。对于嵌入式Linux的学习，Linux驱动程序设计是一个重要的环节。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）：安排一次作业。（五）第四章……Android程序设计学时（6）主要内容：第11章Android程序设计基础；第12章Android图形用户界面设计；第13章Activity、Intent和Service系统结构设计。Android程序设计基础部分主要讲解了Android程序设计的开发平台，以及了解Android项目的文件目录结构和文件基本内容。Android图形用户界面设计部分主要讲解了Android的界面布局以及Android的界面控件。Android系统结构设计部分主要讲解了Android应用程序组件，包括Activites、Services、ContentProviders、Intents、BroadcastReceivers、Widgets、Notifications等，以及Android的网络程序设计。Android程序设计的开发语言是Java,因此在第13章开发还讲解的Java语言的特点，以及Java与C++的区别，除此之外，读者基本上可以把Java当成是一种特殊的C、C++来使用。教学要求：掌握Android程序设计的基础知识，并且能完成基本应用程序的设计。目前Android程序设计是嵌入式系统设计的主流。随着采用Android系统的谷歌手机、平板电脑、智能电视等产品逐渐扩大市场占有率，Android平台人才的缺口日益显现。Android平台的一大趋势，便是开放性带来的多设备化。不仅仅是手机、平板，包括可穿戴产品、相机、大小家电，都能够搭载Android系统，实现智能化应用。同时，Android设备又是最为前卫、最能凸显行业趋势的产品。因此Android程序设计是嵌入式系统学习的重要内容，必须要掌握。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）：安排三次实验。（六）第五章……iOS程序设计学时（6）主要内容：第14章iOS程序设计基础；第15章Objective-C编程语言；第16章iOS视图及视图控制器。iOS程序设计基础部分主要讲解了iOS开发环境的配置，以及简单iOS项目的文件结构。Objective-C编程语言部分主要讲解了Objective-C的特点，以及与C++之间的区别，还讲解Objective-C的内存管理机制。iOS视图及视图控制器部分主要讲解了iOS的界面设计基础、iOS常用控件以及iOS的视图控制器。教学要求：掌握iOS程序设计的基础知识，并且能完成基本应用程序的设计。目前iPhone手机已经成为高端手机的代名词，它依然引领着智能手机的发展趋势。iPhone手机除了拥有卓越的硬件，也包括了一流的操作系统和应用软件。学习iPhone的硬件，可以了解今后嵌入式系统硬件发展的趋势，学习iPhone的软件开发，可以了解到嵌入式系统软件设计的极致。学习iPhone的软件开发是嵌入式系统学习的重要环节。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）：安排一次作业。（七）第六章……HybridApp开发学时（6）主要内容：第17章HybridApp开发基础；第18章PhoneGap移动开发；第19章jQueryMobile移动开发。HybridApp开发基础部分主要介绍了移动Web和HybridApp开发的特点、开发框架、HTML5以及SenchaTouch等内容。PhoneGap移动开发部分主要介绍了PhoneGap的特点、PhoneGap开发实例、PhoneGap插件开发以及常用的PhoneGapAPI。jQueryMobile移动开发部分介绍了jQueryMobile的特点、jQuery应用基础、jQuery选择器、jQuery事件、jQueryMobile应用实例。教学要求：掌握HybridApp开发技术。Hybrid(混合)App是指混合模式移动应用。HybridApp主要以JavaScript+Native两者相互调用为主，从开发层面实现“一次开发，多处运行”的机制，成为真正适合跨平台的开发。目前已经有众多HybridApp开发成功应用，比如百度、网易、街旁等知名移动应用，都是采用HybridApp开发模式。经过众多开发者与成功案例证明HybridApp兼具了NativeApp的良好用户体验的优势，也兼具了WebApp使用HTML5跨平台开发低成本的优势。掌握常用HybridApp开发平台，包括PhoneGap、AppCan、appMobi、Titanium等，它们基于webkit开源内核，使用HTML5标准开发，适配机型简单，支持开发者自定义插件，并能很好的应用于商业、教育、娱乐等行业，成为移动开发者的首选开发平台。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）：安排三次实验。四、教学重点、难点及教学方法1.重点牢固掌握嵌入式系统的硬件设计；牢固掌握嵌入式系统编程基础，特别是Linux的编程。重点掌握Android、IOS以及HybridApp的程序设计。2.难点难点是Android图形用户界面设计、Activity、Intent和Service系统结构设计、Objective-C编程语言、iOS视图及视图控制器、PhoneGap移动开发、jQueryMobile移动开发。3.教学方法采用讲课与实验相结合的方法。让学习多练习，带着项目去练习，带着练习过程中遇到的问题去学习理论知识，寻找解决办法。五、考核方式及成绩评定方式方式一：期考+平时成绩+实验成绩。期考为开卷形式。方式二：作品设计成绩+平时成绩+实验成绩。作品设计成绩包括作品设计、作品演示、作品答辩、作品设计报告。六、教材及参考书目１、推荐教材:[1]廖义奎.Cortex-A9多核嵌入式系统设计.北京:中国电力出版,20142、主要参考书:[1]林继鹏.多核嵌入式系统软件开发方法的研究[M].北京：电子工业出版社