嵌入式系统设计与应用-教学大纲-2022版

《嵌入式系统设计与应用》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称(中文)嵌入式系统设计与应用(英文)DesignandApplicationofEmbeddedSystem课程代码课程性质必修开课院部物理与光电工程学院课程负责人课程团队授课学期第五学期学分/学时2学分/32学时课内学时32理论学时32实验学时实训（含上机）实习其他适用专业电子科学与技术授课语言中文对先修的要求先修《C语言程序设计》、《单片机原理及接口技术》。具备C语言程序开发能力，单片机接口程序开发能力。对后续的支撑对《专业综合设计》课程，提供ARM嵌入式程序开发与设计的基本能力。课程简介本课程是电子科学与技术专业本科学生的选修专业课程。ARM嵌入式基础是一门介绍ARM处理器原理及程序开发的课程，在内容上涉及ARM汇编程序设计、C与汇编程序混合编程、嵌入式系统启动代码分析、嵌入式系统接口及驱动程序开发、基于uC/OS-II操作系统的程序开发。本课程学生学习完本课程之后，能够了解嵌入式系统的基本概念、开发工具、处理器系统结构，掌握ARM汇编程序设计、C与汇编程序混合编程、ARM异常中断处理及程序设计、嵌入式系统启动代码分析、嵌入式系统接口及驱动程序开发、基于uC/OS-II操作系统的程序开发。理解工程应用中嵌入式系统的设计流程，识别、表达和分析应用电子系统方面的工程问题，利用嵌入式技术将自然科学基础理论和电子科学技术原理用于解决应用电子系统方面的复杂工程问题，达到学以致用的目的。ThiscourseisanelectivecourseforundergraduatestudentsmajoringinElectronicScienceandtechnology.ARMembeddedfoundationisacoursethatintroducesARMprocessorprincipleandprogramdevelopment.Inthecontent,itinvolvesarmassemblerdesign,Candassemblermixedprogramming,embeddedsystemstartupcodeanalysis,embeddedsysteminterfaceanddriverdevelopment,andprogramdevelopmentbasedonuC/OS-IIoperatingsystem.Thiscourseenablesstudentstosystematicallyunderstandthebasicconcepts,developmenttoolsandprocessorsystemstructureofembeddedsystem,masterarmassemblyprogramdesign,mixedprogrammingofCandassemblyprogram,armexceptioninterrupthandlingandprogramdesign,embeddedsystemstartupcodeanalysis,embeddedsysteminterfaceanddriverdevelopment,andprogramdevelopmentbasedonuC/OS-IIoperatingsystem。Understandthedesignprocessofembeddedsysteminengineeringapplication,identify,expressandanalyzetheengineeringproblemsintheapplicationofelectronicsystem,anduseembeddedtechnologytosolvethecomplexengineeringproblemsintheapplicationofelectronicsystembyusingthebasictheoryofnaturalscienceandtheprinciplesofElectronicScienceandtechnology,soastoachievethepurposeoflearningforapplication.二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1目标1：学生在结合电路与高等数学等知识基础上，了解各类常用指令的功能；掌握编写ARM汇编程序和ARM/C混编程序的方法；掌握常用接口的工作原理，理解嵌入式操作系统工作原理。指标点1.3能够将相关知识和数学模型方法用于推演、分析电子器件和应用电子系统方面的复杂工程问题，用于解决方案的比较与综合。毕业要求1.掌握数学、自然科学、工程基础、专业知识，并能用于解决电子器件和应用电子系统方面的复杂工程问题。2目标2：学生能够运用ARM的硬件接口知识和编程方法，编写驱动程序。能分析与解决电子系统的功能原理与问题，对已有方案提出见解，并针对功能要求与技术指标给出一定的设计方案。指标点2.3能够运用电子科学技术的基本原理，通过查阅文献、借助仿真软件等手段，比较并论证电子器件和应用电子系统复杂工程问题的多种解决方案，获得有效结论。毕业要求2.能够应用数学、自然科学和电子科学技术的基本原理，并通过查阅文献和借助仿真软件等手段，对电子器件和应用电子系统方面的复杂工程问题进行识别、表达和分析，以获取有效结论。3目标3：学生能够运用ARM的编程方法，能够基于嵌入式操作系统开发应用程序。能针对功能要求与技术指标给出一定的设计方案，掌握工程设计和产品开发的基本设计/开发方法和技术。指标点3.1掌握工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素。毕业要求3.设计/开发解决方案——能够针对电子器件和应用电子系统方面的复杂工程问题提出设计方法或解决方案，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。三、教学内容及进度安排章节学时教学内容学生学习预期成果教学方式支撑课程目标第一章4嵌入式系统基础知识：嵌入式系统的组成、嵌入式操作系统介绍、嵌入式系统开发概述。重点：嵌入式系统的组成难点：嵌入式操作系统介绍。（1）理解嵌入式系统的基本概念,了解嵌入式系统的发展、特点、组成和开发。（2）嵌入式操作系统的概述，嵌入式系统的组成和开发。（3）嵌入式系统的软硬件组成。讲授/作业讲授：嵌入式系统组成结构等知识点。作业：熟悉、了解、记忆嵌入式系统的软硬件组成。目标1第二章4arm技术概述：arm体系结构的技术特征；arm微处理器结构；arm920t内部功能及特点；寄存器组织；arm920t内核工作模式。重点：ARM处理器的特点、数据内型、存储格式、流水线、工作模和寄存器组。难点：程序状态寄存器每位的作用和不同模式下能使用的寄存器组。思政导入：介绍我国在处理器技术的发展历史，尤其介绍龙芯系列处理器的发展过程以及其坚持自主创新敢于突破西方技术封锁的精神，激励学生自立自强报效国家的品格。（1）熟练掌握arm微处理器的应用选型。（2）掌握arm920t内部功能及特点。（3）掌握arm920t内核工作模式。（5）arm920t内部功能及特点。讲授/作业讲授：arm技术概述，arm内核结构原理。作业：arm内核工作模式和异常响应机制。目标1第三章8arm的指令系统：arm汇编指令；arm汇编语言的语句格式和程序结构；汇编语言与c语言的混合编程。重点：arm汇编语言的语句格式和程序结构、汇编语言与c语言的混合编程。难点：汇编语言与c语言的混合编程、过程调用标准aapcs。（1）能使用ARM汇编语言语法和指令编写规范的汇编程序。（2）掌握arm处理器异常模式和异常。（3）掌握s3c2410x中断机制。（4）掌握ARM/C混编方法。讲授/作业讲授：arm汇编语言程序设计。作业：汇编语言编程练习，汇编语言与c语言的混合编程练习。目标1第四章8Arm接口驱动程序:arm异常响应和处理程序返回；arm的中断处理程序设计；串行通信接口电路与程序设计；a/d转换器应用程序设计。重点：arm处理器异常模式和异常，arm的中断处理程序设计。难点：异常中断程序设计、从异常处理程序中返回。思政导入：介绍我国近期在SOC芯片的发展趋势，以紧贴用户需求的芯片设计为基础，以服务为导向的驱动程序拓展应用市场，取得了很大成果。让学生了解我国作为电子产品的世界生产中心从下游向上游突破的奋斗过程，熟悉服务市场的意识，从技术理念和市场意识上树立产业报国的精神。（1）掌握arm异常中断处理概述，arm处理器异常模式和异常，理解ARM中断机制；掌握通过相关寄存器的配置编写中继方式的驱动程序。（2）了解ARM串口控制器接口电路、通信控制原理和相关寄存器；能掌握通过相关寄存器的配置编写串口驱动程序。（3）了解ARMa/d转换器电路连接、工作原理和相关寄存器，能掌握通过相关寄存器的配置编写驱动程序。讲授/作业讲授：ARM接口电路控制原理和相关寄存器；通过相关寄存器的配置编写串口驱动程序。作业：ARM接口驱动程序的编写。目标2第五章8uC/OS-II操作系统编程：嵌入式系统操作系统架构；嵌入式系统uC/OS-II操作系统工作原理；uC/OS-II操作系统任务调度原理、任务通信和同步原理；uC/OS-II操作系统的移植；uC/OS-II操作系统应用程序的编写。重点：uC/OS-II嵌入式系统各模块移植与编译；uC/OS-II嵌入式系统工作原理。难点：uC/OS-II嵌入式系统任务调度、通信和同步机制；uC/OS-II嵌入式系统应用程序开发。思政导入：介绍我国当前较为流行的轻量级操作系统，尤其介绍华为鸿蒙的轻量操作系统及其生态建设，让学生了解突破西方打压和坚持自主创新的奋斗历程，树立学生敢于拼搏勇于斗争的意识以及为民族复兴而努力的精神。（1）了解嵌入式操作系统的工作原理。（2）掌握uC/OS-II操作系统的内核管理机制。（3）掌握uC/OS-II操作系统的任务调度机制。（4）掌握uC/OS-II操作系统在arm平台上的移植。（5）掌握uC/OS-II操作系统上的应用程序开发。讲授/作业讲授：uC/OS-II操作系统工作原理，uC/OS-II操作系统的移植。作业：uC/OS-II应用程序开发，实现多个任务的通信和同步。目标3合计32课程考核序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)作业考试1目标1：学生在结合电路与高等数学等知识基础上，了解各类常用指令的功能；掌握编写ARM汇编程序和ARM/C混编程序的方法；掌握常用接口的工作原理，理解嵌入式操作系统工作原理。（支撑毕业要求指标点1.3）能够掌握各类常用指令的功能和使用；能够编写ARM汇编程序；（3）能够编写ARM和C混合编程程序；1030402目标2：学生能够运用ARM的硬件接口知识和编程方法，编写驱动程序。能分析与解决电子系统的功能原理与问题，对已有方案提出见解，并针对功能要求与技术指标给出一定的设计方案。（支撑毕业要求指标点2.3）（1）掌握ARM处理器初始化程序的编写方法；（2）掌握ARM处理器中断处理的方法；（3）能够编写ARM常用接口的驱动程序；1020303目标3：学生能够运用ARM的编程方法，能够基于嵌入式操作系统开发应用程序。能针对功能要求与技术指标给出一定的设计方案，掌握工程设计和产品开发的基本设计/开发方法和技术。（支撑毕业要求指标点3.1）（1）掌握uC/OS-II操作系统的任务管理同步与通信机制；（2）基本掌握uC/OS-II操作系统在ARM处理器上的移植；（3）基本掌握基于uC/OS-II操作系统的应用程序开发。102030合计3070100注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料1.教材《ARM9嵌入式系统设计与开发应用》，熊茂华，杨震伦，北京：清华大学出版社，2016，97873021629882。2.主要参考书[1]《嵌入式系统开发基础：基于ARM9微处理器C语言程序设计》，侯殿有，北京:清华大学出版社，2017，第四版，9787302412496。六、教学条件多媒体教室大纲执笔人：审核人(专业负责人/系主任)：修定时间：2022年2月21日附录：各类考核评分标准表课程考核评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：学生在结合电路与高等数学等知识基础上，了解各类常用指令的功能；掌握编写ARM汇编程序和ARM/C混编程序的方法；掌握常用接口的工作原理，理解嵌入式操作系统工作原理。（支撑毕业要求指标点1.3）在考试测验和作业中，编写ARM汇编程序，编写ARM和C混合程序，基本用法正确,无误，语法合理、正确完整和清晰。在考试测验和作业中回答编写ARM汇编程序，编写ARM和C混合程序，基本用法存在少量非原则性错误，语法基本合理正确。在考试测验和作业中编写ARM汇编程序，编写ARM和C混合程序，基本用法有不少错误，程序有一些明显错误。在考试测验和作业中，编写ARM汇编程序，编写ARM和C混合程序，基本用法错误严重，语法不正确、程序错误较多。40目标2：学生能够运用ARM的硬件接口知识和编程方法，编写驱动程序。能分析与解决电子系统的功能原理与问题，对已有