嵌入式系统-教学大纲

PAGEPAGE6《嵌入式系统设计与应用》教学大纲课程名称：嵌入式系统设计与应用EmbeddedSystem:ProgrammingandApplications学分：4.5分总学时：72学时，其中，理论学时：58学时；实验学时：14学时适用专业：计算机科学与技术，物联网，网络工程等先修课程：程序设计基础（C语言）、汇编语言与微型计算机技术、操作系统原理执笔人：王剑审订人：刘鹏一、课程的性质、目的与任务《嵌入式系统设计与应用》是一门计算机科学与技术，物联网等专业的专业必修课程。本课程的主要任务是学习嵌入式系统基本理论及其应用，学习嵌入式系统的组成及应用的知识；培养分析与设计嵌入式系统的基本能力；培养自学、分析问题和解决问题的能力，以及认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。二、理论教学基本要求学生学完本课程后，应达到如下要求：1．熟悉嵌入式系统的基本概念；掌握ARM微处理器体系结构的基础知识。2．掌握嵌入式系统的基本分析与设计方法，能进行典型嵌入式系统的分析与设计。3．熟悉实时操作系统的基础知识，4．掌握嵌入式编程技术，能进行典型嵌入式系统环境下程序设计。初步了解先进嵌入式系统的原理与方法。三、理论教学内容与学时分配第一章嵌入式系统概述（4学时）本章重点和难点：嵌入式的选型原则和设计工具第一节嵌入式系统简介；第二节嵌入式微处理器概述；第三节嵌入式操作系统简介；第四节嵌入式系统的应用领域和发展趋势；第五节嵌入式系统的选型原则和设计工具；第二章ARM处理器体系结构(6学时)本章重点和难点：Cortex-A8处理器架构和异常处理ARM处理器概述；Cortex-A8处理器架构；Cortex-A8存储器管理；Cortex-A8异常处理；第三章ARM指令集(8学时)本章重点和难点：ARM指令ARM指令集概述ARM指令的寻址方式ARM指令简介Thumb指令简介Thumb-2指令简介ARM汇编语言编程简介C语言与汇编语言的混合编程。第四章嵌入式系统硬件平台与接口设计(8学时)本章重点和难点：嵌入式硬件接口设计嵌入式硬件平台体系结构存储系统设计串行通信接口设计时钟系统设计GPIO接口设计以太网接口设计IIC总线设计LCD接口设计第五章ARM-Linux内核（6学时)本章重点和难点：ARM-Linux内核进程管理、内存管理和中断管理ARM-Linux概述ARM-Linux进程管理ARM-Linux内存管理ARM-Linux模块ARM-Linux中断管理ARM-Linux系统调用；第六章Linux文件系统(6学时)本章重点和难点：嵌入式文件系统框架和根文件设计Linux文件系统概述；EXT2文件系统；EXT3和EXT4文件系统；嵌入式文件系统JFFS2；YAFFS与YAFSS2文件系统简介根文件系统第七章Linux系统移植及调试(8学时)本章重点和难点：Linux系统移植过程和调试方法BootLoader基本概念与典型结构U-boot简介Linux系统移植过程交叉编译工具链gdb调试器远程调试内核调试；第八章设备驱动程序设计(6学时)本章重点和难点：内核设备模型和字符设备驱动程序设计框架第一节设备驱动程序开发概述；第二节内核设备模型；第三节字符设备驱动设计框架；第四节GPIO驱动概述；I2C总线驱动设计；块设备驱动程序设计概述；嵌入式网络设备驱动设计第九章嵌入式系统的开发设计案例(6学时)本章重点和难点：嵌入式系统设计方法第一节嵌入式系统设计方法第二节嵌入式系统设计案例四、实验1．实验目的与任务掌握ARM体系结构与编程方法后，通过本实验环节，有助于学生深入理解课程内容，有利于提高学生的实践能力，提高分析和解决问题的能力，创造独立思维的氛围，培养创新能力，激发学习兴趣。通过实验，要求学生掌握嵌入式系统的基础概念、基本原理、开发流程和步骤、工程设计的方法和解决技术问题的方法。为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。2．实验教学基本要求通过实验教学，加深对基础理论知识的理解，培养学生实验动手能力。通过实验课学生应掌握下列基本技能：嵌入式实验开发平台的操作，程序编写及调试、测试结果的分析，写出实验报告。3．实验项目与类型序号实验项目学时实验类型备注演示验证综合设计必做选做1linux开发环境使用与linux常用命令2√√2“helloworld!”嵌入式linux程序2√√3LED灯的控制2√√4蜂鸣器的控制2√√5数码管实验2√√6键盘驱动实验2√√7步进电机实验2√√4．实验教学内容及学时分配实验一linux开发环境使用与linux常用命令（2学时）（1）目的要求熟悉ARM处理器linux系统下应用程序开发环境和开发模式，了解嵌入式开发的基本思想和过程。（2）方法原理系统上电后，Boot程序引导操作系统导入，建立Linux开发环境。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点嵌入式Linux开发环境的建立和常用命令。（5）实验内容：实验使用的操作系统环境。新建一个目录，编写几个源文件，使用makefile管理项目。学习在linux下的编程和编译过程，在linux上运行。实验二“helloworld!”嵌入式linux程序（2学时）（1）目的要求进行最简单的嵌入式linux程序开发，熟悉linux下嵌入式开发模式以及在板上运行的嵌入式程序的方法。（2）方法原理使用编辑器在嵌入式Linux环境下进行源码编辑，通过ARM-LINUX-GCC实现交叉编译并将生成的可执行程序在目标机运行。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点嵌入式Linux程序的开发过程。（5）实验内容：本次实验使用UltraEdit或者其它编辑环境编辑最通用简单的“helloworld!”程序，然后使用交叉编译器(arm-linux-gcc)编译生成可以在实验箱的嵌入式环境中运行的可执行文件，熟悉使用交叉编译器编译程序的方法，为后面编译复杂程序做准备。实验三LED灯的控制（2学时）（1）目的要求了解LED灯的控制方法，掌握I/O编程方法（2）方法原理系统通过使用GPIO控制LED灯这样的外设。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点GPIO控制方法的实现。（5）实验内容：通过I/O控制发光二极管的亮灭。使用UltraEditC代码文本编辑器，编写一段程序控制LED灯。利用uboot与tftp将程序下载到ARM板。。实验四蜂鸣器的控制（2学时）（1）目的要求了解嵌入式系统中的蜂鸣器，掌握I/O编程方法。（2）方法原理ARM处理器通过配置相关寄存器实现蜂鸣器的控制。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点ARM处理器寄存器配置方法。（5）实验内容：使用UltraEditC代码文本编辑器，编写一段程序控制蜂鸣器。利用tftp将程序下载到ARM板。实验五数码管实验（2学时）（1）目的要求使用UltraEditC代码文本编辑器；了解数码管动态显示的原理；了解74LS164扩展端口的方法。（2）方法原理ARM处理器通过串口实现数据通信。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点ARM处理器串口驱动程序的特点。（5）实验内容：使用UltraEdit文本编辑器，编写一段程序，控制八个数码管的显示。利用tftp将程序下载到ARM板。编写程序并编译、下载、调试及结果分析。实验六键盘驱动实验（2学时）（1）目的要求了解键盘驱动原理，掌握通过CPU的I/O扩展键盘的方法。（2）方法原理ARM处理器通过配置寄存器实现键盘控制。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点ARM处理器的寄存器设置实现对外设的管理控制。（5）实验内容：通过ARM的rPDATC（低四位）和EINT4567四个中断口扩展4×4的键盘，编程实现键盘的驱动，通过按键可以在超级终端上显示相应的键值。实验七步进电机（2学时）（1）目的要求了解步进电机的应用原理，掌握嵌入式系统GPIO的控制方法，PWM模拟脉冲信号产生方法（2）方法原理ARM处理器通过GPIO口使用PWM模拟脉冲信号驱动步进电机。（3）主要实验仪器及材料硬件：嵌入式系统开发平台、微型计算机及电源。软件：PC机操作系统WindowsXP及以上、UltraEdit或其它编辑器（4）掌握要点ARM处理器产生PWM模拟脉冲信号的方法。（5）实验内容：分析步进电机工作原理及控制方式，PWM模拟脉冲信号产生方法。分析实验平台步进电机电路，相关寄存器使用与配置。设计步进电机控制程序并编