3-嵌入式系统设计与应用教案(简案)

-PAGE24-《嵌入式系统设计与应用》教案授课时间第1次课授课对象授课主题（一）嵌入式系统基础1.1嵌入式系统简介1.2嵌入式系统的发展和应用领域1.3嵌入式操作系统1.4嵌入式系统的开发过程1.5嵌入式系统应用方案教学目的与要求掌握嵌入式系统的定义、特点和体系结构教学重、难点重点要掌握嵌入式系统的体系结构及应用主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计1.嵌入式系统简介；（0.25学时）嵌入式系统的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。可以说，嵌入式系统是嵌入到产品设备中的专用计算机系统。“嵌入式”、“专用性”和“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。图1.2嵌入式系统开发板嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，一般包括以下3个方面：硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件。它们之间的关系如图1.3所示。图1.3嵌入式系统的体系结构2.嵌入式系统的发展和应用领域；（0.25学时）图1.4嵌入式系统发展趋势3.嵌入式操作系统（0.5学时）；（重点、难点）常见嵌入式操作系统：（1）嵌入式Linux（2）μC/OS（3）Android4.嵌入式系统的开发过程；（0.5学时）（重点）图l.5嵌入式系统的开发流程5.嵌入式系统应用方案。（0.5学时）（1）基于嵌入式的视频网络监控系统（2）基于嵌入式系统的锅炉控制方案（3）基于嵌入式系统的网关实现方案作业布置1.比较嵌入式系统与通用计算机的区别。2.试说明嵌入式操作系统的特点。主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注授课时间第2次课授课对象授课主题（二）嵌入式系统硬件体系结构2.1相关基础知识2.2嵌入式系统硬件平台2.3ARM微处理器体系2.4微处理器的结构教学目的与要求掌握嵌入式系统相关的基础知识掌握嵌入式系统硬件平台的基本组成掌握ARM系列微处理器教学重、难点重点要掌握嵌入式系统硬件平台的组成主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（二）嵌入式系统硬件体系结构1.相关基础知识；（0.5学时）（1）微处理器的流水线技术通常微处理器在处理一条指令要经过三个步骤：取指（从存储器装载一条指令）、译码（识别将要被执行的指令）、执行（处理指令并将结果写回寄存器）。微处理器的三级流水线技术如图2.2所示，微处理器在同一时间周期并行执行若干条指令的取指、译码、执行操作，其运行效率是逐条执行指令的3倍。（2）嵌入式微处理器的流水线（3）数据编码设用微处理器控制一串彩灯（LED发光二极管）的亮灭。如图2.11所示。假设当连接微处理器的引脚处于低电平时相应的彩灯发光，处于高电平时相应的彩灯不发光（灭）。再进一步假设不发光的引脚电平为1（高电平），发光的引脚电平为0（低电平）。（1）当彩灯L1发光时，PD0引脚为低电平，而其余引脚均为高电平。则可以表示为以下对应值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD011111110这时，可用二进制数表示为：11111110。我们若将其这种情况按十六进制编码，其值为：FEH，后面带有H表示此值为十六进制数值。（2）若要彩灯L8发光，其余均不发光，则有：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111111这时，用二进制数表示为：01111111。它的十六进制编码为：7FH。（3）若希望两边亮，中间暗，则：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111110这时，用二进制数表示为：01111110。它的十六进制编码为：7EH。依此类推，可以编写出各种情况的编码来。2.嵌入式系统硬件平台；3.ARM微处理器体系；（0.5学时）（重点）图2.15冯·诺依曼结构图2.16哈佛结构目前，ARM嵌入式系统微处理器内核都采用哈佛总线体系结构4.微处理器的结构。（0.5学时）（重点）Cortex系列微处理器(1)RISC体系结构RISC体系结构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种； 使用单周期指令，便于流水线操作执行； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。(2)ARM设计思想ARM内核不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为使它能够更好地适应其嵌入式的应用领域。在某种意义上，ARM内核的成功，正是它没有在RISC概念上陷入太深。因为对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不单纯在于微处理器的速度，而在于系统性能、功耗和成本。5.CortexA8的GPIO端口通用I/O接口（GeneralPurposeIO，GPIO）是嵌入式系统中一种非常重要的I/O接口。(1)S5PV210微处理器的GPIO端口分组采用ARMCortexA8内核的S5PV210微处理器共有237个可复用的GPIO端口和142个内存接口引脚，分成35组通用GPIO端口和2组内存端口，如表2.2所示。表2.2CortexA8的GPIO端口端口分组端口引脚数GPA08个输入/输出引脚–2xUART带控制流。GPA14个输入/输出引脚–2xUART不带控制流或1xUART带控制流。GPB8个输入/输出引脚–2xSPI总个接口。GPC05个输入/输出引脚–I2S总个接口，PCM接口，AC97接口。GPC15个输入/输出引脚GPD04个输入/输出引脚–I2C总个接口，PWM接口，扩展DMA接口，SPDIF接口。GPD16个输入/输出引脚GPE0,113个输入/输出引脚–摄像头接口，SD/MMC接口。GPF0,1,2,330个输入/输出引脚–LCD接口。GPG0,1,2,328个输入/输出引脚–3xMMCchannel，SPI，I2S，PCM，SPDIF各种接口。GPH0,1,2,332个输入/输出引脚–摄像头通道接口，键盘，最大支持32位可中断接口。GPI低功率I2S、PCM接口。GPJ0,1,2,3,435个输入/输出引脚–ModemIF，HIS，ATA接口。MP0_1,2,320个输入/输出内存端口引脚。MP0_4,5,6,732个输入/输出内存端口引脚。MP1_0～871个DRAM1端口引脚。MP2_0～871个DRAM2端口引脚。ETC0,ETC1,ETC2,ETC428个输入/输出ETC端口及JTAG端口。（2）CortexA8的常用GPIO寄存器在使用CortexA8微处理器时，由于大多数引脚都是可复用的，因此需要对每个引脚进行配置。CortexA8架构的S5PV210微处理器有4种GPIO寄存器，它们是控制寄存器GPxnCON、数据寄存器GPxnDAT、上拉/下拉寄存器GPxnPUD、掉电模式上拉/下拉寄存器GPxnPUDPDN。（3）GPIO寄存器功能设置应用示例【例2-1】设在CortexA8微处理器GPIO端口的GPC0[2]引脚连接一个LED发光二极管，如图2.21所示。现对该端口的控制寄存器GPC0CON和数据寄存器GPC0DAT进行设置，使LED发光二极管点亮或熄灭。（对于本例，上拉/下拉寄存器不需要设置）。（1）问题分析若要使一个LED发光二极管点亮，必须有一个正向电压，即寄存器引脚端必须是低电平。反之，若要使LED发光二极管熄灭，则寄存器引脚端必须为高电平。也就是说，寄存器引脚输出低电平时，LED发光二极管点亮，寄存器引脚输出高电平时，LED发光二极管熄灭。（2）GPC0的端口控制寄存器GPC0CON的设置经上述分析，需要把GPC0[2]引脚设置为输出模式，也就是GPC0CON[2]引脚设为输出模式。按表2-3可知，GPC0CON[2]=（0001）2。GPC0CON的设置如图2.22所示。图2.22GPC0CON寄存器的设置所以，设置GPC0CON[2]为输出模式的值用二进制表示为：00000000000100000000也可以表示为：（1<<12）即：GPC0CON=（1<<12）（3）端口数据寄存器GPC0DAT的设置GPC0DAT有5位([4：0])，每一位对应一个GPIO端口引脚，当该寄存器的某位设置为1时，则对应引脚输出高电平，该寄存器的某位设置为0时，对应引脚输出低电平。所以，在GPC0CON[2]已经设置为输出模式的前提下，GPC0DAT设置为0x01时，GPC0[2]引脚输出高电平，GPC0DAT设置为0x00时，GPC0[2]引脚输出低电平。即：GPC0DAT=0x01时，GPC0[2]引脚输出高电平，LED发光二极管熄灭；GPC0DAT=0x00时，GPC0[2]引脚输出低电平，LED发光二极管点亮。作业布置习题2-6在例2-1中，若把连接LED发光二极管的GPIO引脚更改为GPC0[1]，要控制LED发光二极管点亮或熄灭，则应怎样对该端口的控制寄存器GPC0CON和数据寄存器GPC0DAT进行设置?主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第3次课授课对象授课主题（三）嵌入式Linux操作系统3.1Linux基本概念3.2嵌入式Linux文件系统（简单介绍）3.3Linux常用操作命令3.4Linux的文本编辑教学目的与要求了解Linux的基本概念了解Linux文件系统的概念掌握嵌入式Linux系统中常用的命令教学重、难点嵌入式Linux系统中常用的命令主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（三）嵌入式Linux操作系统理论教学（1学时）1.Linux基本概念；（0.25学时）（1）进程管理（2）内存管理（3）文件管理（4）设备控制（5）网络功能2.嵌入式Linux文件系统；（0.25学时）（重点、难点）图3.1Linux文件系统的目录结构3.Linux常用操作命令；（0.10学时）（重点）3.2.1文件目录相关命令命令命令含义程序所在目录ls显示文件名（相当于DOS的dir命令）/bincd切换目录（相当于DOS的cd命令）Shell内部提供cp复制文件（相当于DOS的copy命令）/binmkdir创建新目录（相当于DOS的md命令）/binrm删除文件（相当于DOS的del命令）/binrmdir删除空目录（相当于DOS的rd命令）/binmv移动文件，另兼有更换文件名的作用/binpwd显示目前所在目录/bincat显示文本文件内容/binenv查看环境设置/usr/binfind查找文件/usr/bingrep寻找某字串内容/binmore分屏显示文本文件内容或输出结果/binmtools与MS-DOS兼容的操作命令集/usr/binsu用于切换用户/bindf查看磁盘使用情况/binuname查看当前Linux版本信息，使用时要带参数-r/bin3.2.2磁盘及系统操作命令命令含义程序所在目录fdisk硬盘分区及显示分区状态的工具程序/sbindf检查硬盘所剩（所用）空间/binfree查看当前系统内存的使用情况/usr/binmount挂载某一设备成为某个目录名称/binumount取消挂载的设备/binpwd显示目前所在目录/bindu检查目录所用的空间/usr/binmkbootdisk制作启动盘/sbinshutdown整个系统关机/sbinreboot重启系统/sbinlogin用户登录/binlogout用户注销Shell内部提供3.2.3打包压缩相关命令压缩工具解压工具压缩文件扩展名gzipgunzip.gzzipunzip.zipcompressuncompress.Ztartar.tar3.2.4网络相关命令（1）ifconfig（2）ping4.Linux的文件编辑器；（0.25学时）（重点）3.3.1Vi文本编辑器3.3.2gedit文本编辑器5.Linux启动过程。（0.15学时）实践教学（1学时）1.Linux常用命令测试；2.tar命令的使用。3.数据共享与数据传输（1）Windows系统主机传输文件到Linux系统开发板（2）Linux系统主机传输数据到Linux系统开发板（minicom超级终端窗口）（3）在VMware虚拟机中设置Windows—Linux的数据共享作业布置主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第4次课授课对象授课主题（四）嵌入式Linux程序开发基础4.1嵌入式Linux编译器4.2“文件包含”处理4.3Make命令和Makefile工程管理4.4嵌入式Linux汇编语言程序设计4.5嵌入式Linuxshell编程4.6位运算教学目的与要求掌握Gcc编译器的使用掌握make和makefile（会写简单的Makefile）掌握shell编程（可以写一个像书上那样的shell程序）教学重、难点make和makefileshell编程主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（四）嵌入式Linux程序开发基础理论教学（1学时）1.嵌入式Linux编译器；（0.10学时）2.“文件包含”处理；（0.10学时）（重点）3.Make命令和Makefile工程管理；（0.25学时）（重点、难点）4.嵌入式Linux汇编语言程序设计；（0.15学时）（重点）5.嵌入式Linuxshell编程；（0.15学时）（重点）6.位运算。（0.25学时）（重点、难点）（实践教学（1学时）1.Makefile应用；（重点、难点）2.shell命令实验。作业布置使用makefile重新交叉编译helloworld程序。主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第5次课授课对象授课主题（五）嵌入式系统开发环境的建立5.1建立主机开发环境5.2配置超级终端minicom5.3建立数据共享服务5.4编译嵌入式Linux内核5.5文件系统的制作5.6嵌入式系统开发板的烧写方法教学目的与要求掌握交叉编译掌握数据共享服务的建立了解内核、文件系统的制作教学重、难点交叉编译数据共享服务的建立主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（五）嵌入式系统开发环境的建立理论教学（1学时）1.建立主机开发环境；（0.10学时）（重点、难点）2.配置超级终端minicom；（0.15学时）3.建立数据共享服务；（0.25学时）（重点、难点）4.编译嵌入式Linux内核；（0.25学时）5.文件系统的制作；（0.15学时）6.嵌入式系统开发板的烧写方法。（0.10学时）实践教学（1学时）位运算实验。（1学时）（重点、难点）作业布置主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注授课时间第6次课授课对象授课主题（六）文件处理与进程控制16.1嵌入式Linux的文件处理6.2进程与进程控制教学目的与要求掌握嵌入式Linux的文件处理掌握进程与进程控制教学重、难点进程与进程控制主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（六）文件处理与进程控制1.嵌入式Linux的文件处理；（1学时）；文件的标识符、文件的处理函数：openclosereadwritelseek2.进程与进程控制（1学时）（重点、难点）。进程的概念、进程的标识、进程的创建、进程控制函数作业布置打开一个空文件，将你的姓名、学号等信息写进去。然后读取这个文件的内容，将内容写入到另一个文件中。主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第7次课授课对象授课主题（六）文件处理与进程控制26.3进程间通信6.4嵌入式Linux串口通信技术教学目的与要求掌握进程间通信掌握串口通信教学重、难点进程间通信串口通信主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（六）文件处理与进程控制3.进程间通信；（1学时）（重点、难点）进程间的通信方式管道通信共享内存通信4.嵌入式Linux串口通信技术。（1学时）（重点、难点）嵌入式Linux串口通信基础嵌入式Linux串口设置嵌入式Linux串口通信程序编写作业布置将课本6.11-6.14，写成一个程序，实现某进程开共享，写内容到共享里，读出共享内存里的数据。主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第8次课授课对象授课主题文件操作实验多进程及其通信实验教学目的与要求掌握在设备上实现文件操作掌握在开发板上实现进程的通信管理教学重、难点进程通信主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计实践教学（2学时）1.文件操作实验:（1学时）（重点、难点）要求：编写程序，包含2个功能：(1)输入10个学生的2门课程的信息，包括学号、姓名、课程名和成绩；将这些信息存入文件中。(2)成绩查询：以姓名、学号和课程名称为条件，查询课程成绩。2.多进程及其通信实验。（1学时）（重点、难点）作业布置主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第9次课授课对象授课主题串口通讯实验教学目的与要求掌握串口通讯教学重、难点串口通讯原理与实现主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计3.串口通讯实验。（重点、难点）要求：(1)编写一个通过串口发送信息的程序;(2)编写一个通过串口接收信息的程序.分别在虚拟机和实验箱上运行。作业布置编译串口代码，在开发板上运行，并研究串口代码（主要是主函数）主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第10次课授课对象授课主题（七）嵌入式Linux网络应用开发17.1网络编程基础知识7.2.Socket网络通信教学目的与要求掌握网络编程的一些基本概念掌握socket通信教学重、难点Socket通信主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计（七）嵌入式Linux网络应用开发1.网络编程的基础知识；（重点）；IP地址、端口TCP、UDPSocket2.Socket网络编程；（重点、难点）Socket函数、bind函数、listen函数、Structsockaddr的结构、connect函数、accept函数、send和recv函数、sendto（）和recvfrom（）函数作业布置主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第11次课授课对象授课主题（七）嵌入式Linux网络应用开发2Socket网络通信实验教学目的与要求掌握Socket网络通信编程教学重、难点Socket网络通信主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计实践教学1.Socket网络通信实验。（重点、难点）要求：(1)编写一个通过Socket发送信息的程序；(2)编写一个通过Socket接收信息的程序。作业布置主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第12次课授课对象授课主题（七）嵌入式Linux网络应用开发37.3嵌入式系统的Web服务器程序设计7.4开发新的TCP通信协议教学目的与要求掌握嵌入式系统的Web服务器程序设计了解新的TCP通信协议开发教学重、难点嵌入式系统的Web服务器程序设计主要教学方法嵌入式实验室、多媒体教学教学内容的组织与设计3.嵌入式系统的Web服务器程序设计HTTP协议Web服务器的工作原理建立Web服务器4.开发新的TCP通信协议复制TCP协议代码；修改头文件和一些关键函数；编写测试程序，测试MTCP新协议。作业布置主要参考资料《嵌入式系统设计与应用》，张思民编著，清华大学出版社。备注

授课时间第13次课授课对象授课主题（八）嵌入式设备驱动程序设计18.1嵌入式设备驱动程序基础8.2字符设备驱动程序设计教学目的与要求了解设备驱动程序所需要的一些基本概念掌握设备驱动程序的基本结构框架掌握设备驱动程序创建、加载及