基于STM32Cube的嵌入式系统应用 教学大纲

XX大学XXXX学院《嵌入式系统设计》课程教学大纲编写人：XXX审定人：XXX编制时间：2022.12.20审定时间：2022.12.26一、课程基本信息：课程名称嵌入式系统设计英文名称Designofembeddedsystem课程编码sd01730800开课单位XX所课程类别□通识教育必修课程□通识教育核心课程□通识教育选修课程□学科基础平台课程□专业基础课程√专业必修课程□专业选修课程课程性质√必修□选修学分2学时36适用专业自动化、自动检测、电气工程及其自动化、电子信息、机电一体化、物联网等专业先修课程数字电子技术、模拟电子技术、微机原理与应用、C语言程序设计后续课程物联网应用、智能控制、人工智能课程网站教学团队XXX等课程负责人XXX二、课程描述《嵌入式系统设计与应用》是计算机、自动化、电子信息、机电一体化、物联网等相关专业的必修课，是一门重要的专业核心课程。通过本课程学习，使学生了解嵌入式系统基本概念、硬件组成，软件架构；掌握各基本模块功能和典型应用方法。使学生能够进行嵌入式系统硬件电路分析、设计，并应用高级程序设计语言为嵌入式系统开发应用程序，能够完成嵌入式系统的组装、调试任务。培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生专业综合素质，增强职业拓展能力，为物联网应用，人工智能，智能制造等后续课程学习打下坚实基础。本课程既要保持与强调理论上的科学性与严密性，培养学生实事求是的严谨细致的科学态度和分析问题的逻辑性与条理性，又要具有分析工程技术问题的观点和方法，培养学生从实际出发、在理论指导下灵活处理问题的观点和方法。本课程既要保持与强调理论上的科学性与严密性，培养学生实事求是的严谨细致的科学态度和分析问题的逻辑性与条理性，又要具有分析工程技术问题的观点和方法，培养学生从实际出发、在理论指导下灵活处理问题的观点和方法。三、教学目标（1）能够在理解嵌入式系统的基本概念、发展历史的内涵以及外延的基础上，总结和预测嵌入式系统行业的发展现状与发展趋势，培养学生分析和总结问题的能力；（2）能够在理解嵌入式系统组成原理的基础上，掌握嵌入式系统设计与开发的一般流程；（3）理解和掌握ARM体系结构及STM32微控制器内核架构；（4）能够熟练使用嵌入式主流的开发工具，掌握工程的代码编辑、程序编译、仿真和调试等能力。（5）理解和掌握嵌入式微控制器STM32的硬件外设资源（GPIO、EXTI、USART、TIM、ADC等）及嵌入式操作系统，能够基于STM32的外设模块进行外设的应用与实践；（6）通过项目案例，重点掌握嵌入式系统的应用开发，能够根据系统要求，进行系统的芯片选型，采用合适的开发工具，针对实际项目需求，进行系统方案的总体设计、硬件设计以及软件设计，并在设计过程中体现分析问题、项目设计与实施、团队协作、项目管理等能力。四、课程教学内容及学时分配第1章绪论 1.1嵌入式系统 1.1.1嵌入式系统概述 1.1.2嵌入式系统和通用计算机系统比较 1.1.3嵌入式系统的特点 1.2嵌入式系统的组成 1.3嵌入式系统的软件 1.3.1无操作系统的嵌入式软件 1.3.2带操作系统的嵌入式软件 1.3.3嵌入式操作系统的分类 1.3.4嵌入式实时操作系统的功能 1.3.5典型嵌入式操作系统 1.3.6软件架构选择建议 1.4嵌入式系统的应用领域 1.5嵌入式系统的体系 1.5.1硬件架构 1.5.2软件层次 1.6Arm嵌入式微处理器 1.6.1Arm处理器的特点 1.6.2Arm体系结构的版本和系列 1.6.3Arm的RISC结构特性 1.7存储器系统 1.7.1嵌入式微处理器存储器系统概述 1.7.2嵌入式系统存储器的分类 1.8嵌入式微处理器分类和特点 1.8.1嵌入式微处理器 1.8.2嵌入式微控制器 1.8.3嵌入式DSP 1.8.4嵌入式SoC 1.8.5嵌入式微处理器的特点 习题第2章STM32系列微控制器 2.1STM32微控制器概述 2.1.1STM32微控制器产品介绍 2.1.2STM32系统性能分析 2.1.3Cortex-M4的三级流水线 2.1.4STM32微控制器的命名规则 2.1.5STM32F1和STM32F4的区别 2.1.6STM32微控制器的选型 2.2STM32F407ZGT6概述 2.2.1STM32F407的主要特性 2.2.2STM32F407的主要功能 2.3STM32F407ZGT6芯片内部结构 2.4STM32F407VGT6芯片引脚和功能 2.5STM32F407VGT6最小系统设计 习题第3章STM32CubeMX和HAL库 3.1安装STM32CubeMX 3.2安装MCU固件包 3.2.1软件库文件夹设置 2.2.2管理嵌入式软件包 3.3软件功能与基本使用 3.3.1软件界面 3.3.2新建项目 3.3.3MCU图形化配置界面总览 3.3.4MCU配置 3.3.5时钟配置 3.3.6项目管理 3.3.7生成报告和代码 3.4HAL库 3.4.1HAL库简介 3.4.2HAL库和标准外设库及LL库的区别 3.4.3回调函数 3.4.4MSP的作用 3.4.5HAL库的基本问题 习题第4章STM32CubeIDE开发平台 4.1安装STM32CubeIDE 4.2STM32CubeIDE的操作 4.2.1新建和导入工程 4.2.2项目管理 4.2.3打开/关闭/删除/切换/导出工程 4.2.4固件库管理 4.2.5代码编译 4.2.6调试及运行配置 4.2.7启动调试 4.3STM32CubeProgrammer软件 4.4STM32CubeMonitor软件 4.5STM32F407开发板的选择 4.6STM32仿真器的选择 习题第5章STM32GPIO 5.1STM32GPIO接口概述 5.2.1输入通道 5.2.2输出通道 5.2STM32的GPIO功能 5.2.1普通I/O功能 5.2.2单独的位设置或位清除 5.2.3外部中断/唤醒线 5.2.4复用功能（AF） 5.2.5软件重新映射I/O复用功能 5.2.6GPIO锁定机制 5.2.7输入配置 5.2.8输出配置 5.2.9复用功能配置 5.2.10模拟输入配置 5.2.11STM32的GPIO操作 5.2.12外部中断映射和事件输出 5.2.13GPIO的主要特性 5.3GPIO的HAL驱动程序 5.4STM32的GPIO使用流程 5.4.1普通GPIO配置 5.4.2IO复用功能AFIO配置 5.5采用STM32Cube和HAL库的GPIO输出应用实例 5.5.1STM32的GPIO输出应用硬件设计 5.5.2STM32的GPIO输出应用软件设计 5.6采用STM32CubeMX和HAL库的GPIO输入应用实例 5.6.1STM32的GPIO输入应用硬件设计 5.6.2STM32的GPIO输入应用软件设计 习题第6章STM32中断 6.1中断概述 6.1.1中断 6.1.2中断的功能 6.1.3中断源与中断屏蔽 6.1.4中断处理过程 6.1.5中断优先级与中断嵌套 6.2STM32F4中断系统 6.2.1STM32F4嵌套向量中断控制器NVIC 6.2.2STM32F4中断优先级 6.2.3STM32F4中断向量表 6.2.4STM32F4中断服务函数 6.3STM32F4外部中断／事件控制器EXTI 6.3.1STM32F4的EXTI内部结构 6.3.2STM32F4的EXTI主要特性 6.4STM32F4中断HAL驱动程序 6.4.1中断设置相关HAL驱动程序 6.4.2外部中断相关HAL函数 6.5STM32F4外部中断设计流程 6.5.1NVIC设置 6.5.2中断端口配置 6.5.3中断处理 6.6采用STM32CubeMX和HAL库的外部中断设计实例 6.6.1STM32F4的外部中断硬件设计 6.6.2STM32F4的外部中断软件设计 习题第7章STM32定时器 7.1STM32定时器概述 7.2STM32基本定时器 7.2.1基本定时器介绍 7.2.2基本定时器的功能 7.2.3基本定时器的寄存器 7.3STM32通用定时器 7.3.1通用定时器介绍 7.3.2通用定时器的功能描述 7.3.3通用定时器的工作模式 7.3.4通用定时器的寄存器 7.4STM32定时器HAL库函数 7.4.1基础定时器HAL驱动程序 7.4.2外设的中断处理概念小结 7.5采用STM32CubeMX和HAL库的定时器应用实例 7.5.1STM32的通用定时器配置流程 7.5.2STM32的定时器应用硬件设计 7.5.3STM32的定时器应用软件设计 习题第8章STM32通用同步/异步收发器 8.1串行通信基础 8.1.1串行异步通信数据格式 8.1.2串行同步通信数据格式 8.2STM32的USART工作原理 8.2.1USART介绍 8.2.2USART的主要特性 8.2.3USART的功能 8.2.4USART的通信时序 8.2.5USART的中断 8.2.6USART的相关寄存器 8.3USART的HAL驱动程序 8.3.1常用功能函数 8.3.2常用的宏函数 8.3.3中断事件与回调函数 8.4采用STM32CubeMX和HAL库的USART串行通信应用实例 8.4.1STM32的USART的基本配置流程 8.4.2STM32的USART串行通信应用硬件设计 8.4.3STM32的USART串行通信应用软件设计 习题第9章STM32SPI串行总线 9.1STM32的SPI通信原理 9.1.1SPI串行总线概述 9.1.2SPI串行总线互连方式 9.2STM32F4SPI串行总线的工作原理 9.2.1SPI串行总线的特征 9.2.2SPI串行总线的内部结构 9.2.3SPI串行总线时钟信号的相位和极性 9.2.4STM32的SPI接口配置 9.2.5STM32的SPI接口数据发送与接收过程 9.3SPI的HAL驱动程序 9.3.1SPI寄存器操作的宏函数 9.3.2SPI初始化和阻塞式数据传输 9.3.3SPI中断方式数据传输 9.3.4SPI的DMA方式数据传输 9.4采用STM32CubeMX和HAL库的SPI应用实例 9.4.1STM32的SPI配置流程 9.4.2STM32SPI与Flash存储器接口的硬件设计 9.4.3STM32SPI与Flash存储器接口的软件设计 第10章STM32I2C串行总线 10.1STM32I2C串行总线的通信原理 10.1.1STM32I2C串行总线概述 10.1.2STM32I2C串行总线的数据传送 10.2STM32I2C串行总线接口 10.2.1STM32I2C串行总线的主要特性 10.2.2STM32I2C串行总线的内部结构 10.2.3STM32I2C串行总线的功能描述 10.3I2C的HAL驱动程序 10.3.1I2C接口的初始化 10.3.2I2C阻塞式数据传输 10.3.3I2C中断方式数据传输 10.3.4I2C的DMA方式数据传输 10.4采用STM32CubeMX和HAL库的I2C应用实例 10.4.1STM32的I2C配置 10.4.2STM32I2C与EEPROM存储器接口的硬件设计 10.4.3STM32I2C与EEPROM存储器接口的软件设计 习题第11章STM32A/D转换器 11.1模拟量输入通道 11.1.1模拟量输入通道的组成 11.1.2A/D转换器简介 11.2模拟量输入信号类型与量程自动转换 11.2.1模拟量输入信号类型 11.2.2量程自动转换 11.3STM32F407微控制器的ADC结构 11.4STM32F407微控制器的ADC功能 11.4.1ADC使能和启动 11.4.2时钟配置 11.4.3转换模式 11.4.4DMA控制 11.4.5STM32的ADC应用特征 11.5ADC的HAL驱动程序 11.5.1常规通道 11.5.2注入通道 11.5.3多重ADC 11.6采用STM32CubeMX和HAL库的模数转换器应用实例 11.5.1STM32的ADC配置流程 11.5.2STM32的模数转换器应用硬件设计 11.5.3STM32的模/数转换器应用软件设计 习题第12章STM32DMA控制器 12.1STM32DMA的基本概念 12.1.1DMA的定义 12.1.2DMA在嵌入式实时系统中的价值 12.1.3DMA传输的基本要素 12.1.4DMA传输过程 12.1.5DMA的优点与应用 12.2STM32DMA的结构和主要特征 12.3STM32DMA的功能描述 12.3.1DMA处理 12.3.2仲裁器 12.3.3DMA通道 12.3.4DMA中断 12.4DMA的HAL驱动程序 12.4.1DMA的HAL函数概述 12.4.2DMA传输初始化配置 12.4.3启动DMA数据传输 12.4.4DMA的中断 12.5采用STM32CubeMX和HAL库的DMA应用实例 12.5.1STM32的DMA配置流程 12.5.2STM32的DMA应用硬件设计 12.5.3STM32的DMA应用软件设计 习题第1章绪论 （3学时）1.1嵌入式系统 1.1.1嵌入式系统概述 1.1.2嵌入式系统和通用计算机系统比较 1.1.3嵌入式系统的特点 1.2嵌入式系统的组成 1.3实时操作系统 1.3.1实时系统的概念 1.3.2实时操作系统的基本特征 1.3.3实时操作系统性能的衡量指标 1.3.4实时操作系统的分类 1.4嵌入式系统的软件 1.4.1无操作系统的嵌入式软件 1.4.2带操作系统的嵌入式软件 1.4.3嵌入式操作系统的分类 1.4.4嵌入式实时操作系统的功能 1.4.5典型嵌入式操作系统 1.4.6软件架构选择建议 1.5嵌入式系统的分类 1.5.1按应用对象的分类 1.5.2按功能和性能的分类 1.5.3按结构复杂度的分类 1.6嵌入式系统的应用领域 1.7嵌入式系统的体系 1.7.1硬件架构 1.7.2软件层次 1.8嵌入式系统的设计方法 1.8.1嵌入式系统的总体结构 1.8.2嵌入式系统设计流程 1.8.3嵌入式系统的软／硬件协同设计技术 1.9嵌入式系统的发展 1.9.1嵌入式系统的发展历程 1.9.2嵌入式系统的发展趋势 习题第2章嵌入式微处理器 （2学时）2.1Arm嵌入式微处理器简介 2.1.1Arm处理器的特点 2.1.2Arm体系结构的版本和系列 2.1.3Arm处理器系列 2.1.4Arm的RISC结构特性 2.1.5ArmCortex-M处理器 2.2嵌入式微处理器分类和特点 2.2.1嵌入式微处理器 2.2.2嵌入式微控制器 2.2.3嵌入式DSP 2.2.4嵌入式SoC 2.2.5嵌入式微处理器的特点 2.3Cortex-M3嵌入式微处理器 2.3.1Arm概述 2.3.2CISC和RISC 2.3.3Arm架构的演变 2.3.4Arm体系结构与特点 2.3.5Cortex-M系列处理器 2.3.6Cortex-M3处理器的主要特性 2.3.7Cortex-M3处理器结构 2.3.8存储器系统 2.4ArmCortet-M3的调试 习题第3章STM32系列微控制器（3学时） 3.1STM32微控制器概述 3.1.1STM32微控制器产品介绍 3.1.2STM32系统性能分析 3.1.3STM32微控制器的命名规则 3.1.4STM32微控制器的选型 3.2STM32F1系列产品系统构架和STM32F103ZET6内部架构 3.2.1STM32F1系列产品系统架构 3.2.2STM32F103ZET6的内部架构 3.3STM32F103ZET6的存储器映像 3.3.1STM32F103ZET6内置外设的地址范围 3.3.2嵌入式SRAM 3.3.3嵌入式闪存 3.4STM32F103微控制器的安全特性 3.4.1STM32F103微控制器的看门狗 3.4.2电源检测 3.4.3时钟安全系统 3.5STM32F103微控制器的启动过程 3.6STM32F103ZET6的时钟结构 3.7STM32F103VET6的引脚 3.8STM32F103VET6最小系统设计 习题第4章嵌入式开发平台的搭建 （2学时）4.1KeilMDK5安装配置 4.1.1Keil简介 4.1.2Keil下载 4.1.3MDK安装 4.1.4安装库文件 4.2KeilMDK下新工程的创建 4.2.1建立文件夹 4.2.2打开KeiluVision 4.2.3新建工程 4.3Cortex-M3微控制器软件接口标准CMSIS 4.3.1CMSIS介绍 4.3.2STM32F10x标准外设库 4.4STM32F103开发板的选择 4.5STM32仿真器的选择 习题第5章STM32中断 （4学时）5.1中断概述 5.1.1中断 5.1.2中断的功能 5.1.3中断源与中断屏蔽 5.1.4中断处理过程 5.1.5中断优先级与中断嵌套 5.1.5中断的优点与缺点 5.2STM32F1中断系统 5.2.1STM32F1嵌套向量中断控制器NVIC 5.2.2STM32F1中断优先级 5.2.3STM32F1中断向量表 5.2.4STM32F1中断服务函数 5.3STM32F1外部中断／事件控制器EXTI 5.3.1STM32F1的EXTI内部结构 5.3.2STM32F1的EXTI工作原理 5.3.3STM32F1的EXTI主要特性 5.4STM32F1的中断系统库函数 5.4.1STM32F1的NVIC相关库函数 5.4.2STM32F1的EXTI相关库函数 5.4.3STM32F1的EXTI中断线GPIO引脚映射库函数 5.5STM32F1外部中断设计流程 5.5.1NVIC设置 5.5.2中断端口配置 5.5.3中断处理 5.6STM32F1的外部中断设计实例 5.6.1STM32F1的外部中断硬件设计 5.6.2STM32F1的外部中断软件设计 习题第6章STM32GPIO （3学时）6.1STM32通用输入输出接口概述 6.2.1输入通道 6.2.2输出通道 6.2STM32的GPIO功能 6.2.1普通I/O功能 6.2.2单独的位设置或位清除 6.2.3外部中断/唤醒线 6.2.4复用功能（AF） 6.2.5软件重新映射I/O复用功能 6.2.6GPIO锁定机制 6.2.7输入配置 6.2.8输出配置 6.2.9复用功能配置 6.2.10模拟输入配置 6.2.11STM32的GPIO操作 6.2.12外部中断映射和事件输出 6.2.13GPIO的主要特性 6.3STM32的GPIO常用库函数 6.4STM32的GPIO使用流程 6.4.1普通GPIO配置 6.4.2IO复用功能AFIO配置 6.5STM32的GPIO输出应用实例 6.5.1STM32的GPIO输出应用硬件设计 6.5.2STM32的GPIO输出应用软件设计 6.6STM32的GPIO输入应用实例 6.6.1STM32的GPIO输入应用硬件设计 6.6.2STM32的GPIO输入应用软件设计 习题第7章STM32定时器 （4学时）7.1STM32定时器概述 7.2STM32基本定时器 7.2.1基本定时器介绍 7.2.2基本定时器的功能 7.2.3基本定时器的寄存器 7.3STM32通用定时器 7.3.1通用定时器介绍 7.3.2通用定时器的功能描述 7.3.3通用定时器的工作模式 7.3.4通用定时器的寄存器 7.4STM32高级定时器 7.5STM32定时器库函数 7.6STM32定时器应用实例 7.6.1STM32的通用定时器配置流程 7.6.2STM32的定时器应用硬件设计 7.6.3STM32的定时器应用软件设计 7.7SysTick系统滴答定时器 7.7.1SysTick功能综述 7.7.2SysTick配置例程 7.8看门狗定时器 7.8.1看门狗应用介绍 7.8.2独立看门狗IWDG 7.8.3窗口看门狗WWDG 7.8.4看门狗操作相关的库函数 习题第8章STM32通用同步异步收发器 （3学时）8.1串行通信基础 8.1.1串行异步通信数据格式 8.1.2串行同步通信数据格式 8.1.3连接握手 8.1.4确认 8.1.5中断 8.1.6轮询 8.2STM32的USART工作原理 8.2.1USART的主要特性 8.2.2USART的功能 8.2.3USART的通信时序 8.2.4USART的中断 8.2.5USART的相关寄存器 8.3STM32的USART库函数 8.4STM32的USART串行通信应用实例 8.4.1STM32的USART的基本配置流程 8.4.2STM32的USART串行通信应用硬件设计 8.4.3STM32的USART串行通信应用软件设计 8.5USART驱动电路的设计 习题第9章STM32SPI串行总线 （3学时）9.1STM32的SPI通信原理 9.1.1SPI串行总线概述 9.1.2SPI串行总线互连方式 9.2STM32F1SPI串行总线的工作原理 9.2.1SPI串行总线的特征 9.2.2SPI串行总线的内部结构 9.2.3SPI串行总线时钟信号的相位和极性 9.2.4STM32的SPI接口配置 9.2.5STM32的SPI接口数据发送与接收过程 9.3STM32的SPI库函数 9.4STM32SPI与Flash存储器接口的应用实例 9.4.1STM32的SPI配置流程 9.4.2STM32SPI与Flash存储器接口的硬件设计 9.4.3STM32SPI与Flash存储器接口的软件设计 第10章STM32I2C串行总线 （3学时）10.1STM32I2C串行总线的通信原理 10.1.1STM32I2C串行总线概述 10.1.2STM32I2C串行总线的数据传送 10.2STM32I2C串行总线接口 10.2.1STM32I2C串行总线的主要特性 10.2.2STM32I2C串行总线的内部结构 10.2.3STM32I2C串行总线的功能描述 10.3STM32F1的I2C库函数 10.4STM32I2C与EEPROM存储器接口的应用实例 10.4.1STM32的I2C配置流程 10.4.2STM32I2C与EEPROM存储器接口的硬件设计 10.4.3STM32I2C与EEPROM存储器接口的软件设计 习题第11章STM32A/D转换器 （3学时）11.1模拟量输入通道 11.1.1模拟量输入通道的组成 11.1.2A/D转换器的工作原理 11.1.3A/D转换器的技术指标 11.2模拟量输入信号类型与量程自动转换 11.2.1模拟量输入信号类型 11.2.2量程自动转换 11.3STM32F103ZET6集成的ADC模块 11.3.1STM32的ADC的主要特征 11.3.2STM32的ADC模块结构 11.3.3STM32的ADC功能 11.3.4STM32的ADC应用特征 11.4STM32的ADC库函数 11.5STM32的模数转换器应用实例 11.5.1STM32的ADC配置流程 11.5.2STM32的模数转换器应用硬件设计 11.5.3STM32的模/数转换器应用软件设计 习题第12章