《嵌入式系統(tǒng)原理》課程教學(xué)大綱

嵌入式系統(tǒng)原理（PrinciplesofEmbeddedSystems）課程基本信息課程編號：04021161課程總學(xué)時：48實驗學(xué)時：8學(xué)時課程性質(zhì)：必修課程屬性:專業(yè)類開設(shè)學(xué)期：第5學(xué)期適用專業(yè)：農(nóng)業(yè)智能裝備工程對先修的要求：學(xué)習(xí)本課程應(yīng)具備C語言、電工電子方面的知識。先修課程：C語言程序設(shè)計、電子技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)。對后續(xù)的支撐：畢業(yè)設(shè)計一、課程的教學(xué)理念、性質(zhì)、目標(biāo)和任務(wù)《嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用》是智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)的一門專業(yè)選修課程，本課程針對智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)的特點，結(jié)合單片機原理、電子技術(shù)和控制工程等，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)字控制技術(shù)解決實際工程問題的能力。目前，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、信息家電、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器、智能儀器儀表等眾多領(lǐng)域。通過嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的基本知識和原理，掌握嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)技術(shù)以及接口開發(fā)技術(shù)。同時使學(xué)生了解系統(tǒng)設(shè)計流程與方法，學(xué)會利用計算機輔助設(shè)計軟件進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的分析、仿真與設(shè)計，鍛煉學(xué)生的動手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，初步具備工程思想。二、課程教學(xué)的基本要求1.理論知識方面：本課程要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的概念、體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成及設(shè)計方法，對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和分析。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解嵌入式系統(tǒng)的具體含義，從嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件兩個方面能都進(jìn)行實際系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。2.實驗技能方面：通過實例學(xué)習(xí)，掌握嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。三、課程的教學(xué)設(shè)計1.教學(xué)設(shè)計說明《嵌入式系統(tǒng)原理》主要講授針對智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)的特點，結(jié)合單片機原理、電子技術(shù)和控制工程等，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)字控制技術(shù)解決實際工程問題的能力?？傉n時40學(xué)時，理論教學(xué)32學(xué)時，實驗8學(xué)時。課堂教學(xué)嚴(yán)格按教學(xué)大綱要求執(zhí)行教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，教學(xué)內(nèi)容清楚，概念準(zhǔn)確，重點突出。對待學(xué)生循序漸進(jìn)，循循善誘。能夠利用多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段開展教學(xué)活動提高教學(xué)質(zhì)量。在教學(xué)活動中善于運用啟發(fā)式教學(xué)手段，調(diào)動學(xué)生的積極性，同時注重學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)。教學(xué)能夠做到課前有教案，課后有作業(yè)，每章有作業(yè)有批改；同時兩周開展一次討論，線上和線下教學(xué)資源能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)用。2.課程目標(biāo)及對畢業(yè)要求的支撐序號課程目標(biāo)畢業(yè)要求1目標(biāo)1：通過嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的基本知識和原理，掌握嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)技術(shù)以及接口開發(fā)技術(shù)。12目標(biāo)2：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解系統(tǒng)設(shè)計流程與方法，學(xué)會利用計算機輔助設(shè)計軟件進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的分析、仿真與設(shè)計，鍛煉學(xué)生的動手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，初步具備工程思想;23四、理論教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配（40學(xué)時）緒論學(xué)時數(shù)：2教學(xué)目標(biāo)：掌握嵌入式系統(tǒng)簡介，嵌入式硬件基礎(chǔ)，ARM體系結(jié)構(gòu)，STM32芯片解讀。教學(xué)重點：嵌入式系統(tǒng)簡介，STM32芯片解讀。教學(xué)難點:理解嵌入式系統(tǒng)簡介，STM32芯片解讀。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：讓學(xué)生掌握（1）嵌入式系統(tǒng)定義；（2）嵌入式系統(tǒng)組成；（3）CISC和RISC；（4）馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)與哈佛體系結(jié)構(gòu)；（5）流水線技術(shù)；（6）ARM簡介；（7）STM32簡介；（8）Cortex-M內(nèi)核優(yōu)點；（9）STM32最具競爭力的優(yōu)勢。教學(xué)組織與實施：通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第一章MDK5軟件入門學(xué)時數(shù)：4教學(xué)目標(biāo)：掌握MDK5軟件使用，MDK下C語言基礎(chǔ)，STM32官方固件庫，新建MDK5工程模板，程序調(diào)試。教學(xué)重點和難點：MDK下C語言基礎(chǔ)，STM32官方固件庫，新建MDK5工程模板。STM32官方固件庫，MDK下C語言程序設(shè)計。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：掌握（1）STM32官方固件庫的使用；（2）基于固件庫的MDK5工程建立；（3）KIELC選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計；（4）KIELC循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計；（5）用函數(shù)實現(xiàn)模塊化程序設(shè)計；（6）指針和結(jié)構(gòu)體。教學(xué)組織與實施：通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第二章STM32基礎(chǔ)知識學(xué)時數(shù)：6教學(xué)目標(biāo)：掌握STM32系統(tǒng)構(gòu)架，STM32時鐘系統(tǒng)，IO口知識，端口復(fù)用，端口重映射，MDK中寄存器地址名稱映射。STM32串行通信基礎(chǔ)，串行通信初始化流程。理解和掌握STM32中斷和中斷處理過程；了解和掌握定時器的基本功能；理解和掌握STM32定時器及ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作模式和主要特性。教學(xué)重點和難點：STM32時鐘系統(tǒng)，STM32NVIC中斷優(yōu)先級管理，IO口知識，STM32NVIC中斷優(yōu)先級管理，STM32定時器及ADC工作原理。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：了解（1）STM32系統(tǒng)構(gòu)架；（2）STM32時鐘系統(tǒng)；（3）端口復(fù)用和中斷優(yōu)先級；（4）Systick嘀嗒定時器；（5）delay文件夾代碼介紹；（6）GPIO工作原理；（7）STM32中斷（8）傳感器項目開發(fā)。教學(xué)組織與實施：通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第三章嵌入式軟件系統(tǒng)學(xué)時數(shù)：6教學(xué)目標(biāo)：1.了解當(dāng)今幾款主流的嵌入式操作系統(tǒng)：Linux、Vxworks、WinCE、ucos-ii的基礎(chǔ)知識；2.掌握嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和運行流程；3.掌握嵌入式軟件系統(tǒng)的功能和特點；4.掌握嵌入式軟件開發(fā)工具的特點和軟件開發(fā)的過程；5.了解嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。教學(xué)重點和難點：嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)、運行流程、交叉環(huán)境、交叉調(diào)試；教學(xué)難點：客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)、交叉調(diào)試與非交叉調(diào)試的區(qū)別；JTAG技術(shù)。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：1.嵌入式軟件系統(tǒng)的分類、組成、特點；2.嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)、運行流程；3.嵌入式操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能、特點及發(fā)展趨勢；4.嵌入式軟件開發(fā)工具的分類，交叉開發(fā)環(huán)境，現(xiàn)階段的開發(fā)過程及開發(fā)工具的發(fā)展趨勢。教學(xué)組織與實施：通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第四章嵌入式實時內(nèi)核基礎(chǔ)學(xué)時數(shù)：6教學(xué)目標(biāo)：1.掌握嵌入式實時內(nèi)核的實時性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性的具體含義和影響因素；2.了解實時內(nèi)核的任務(wù)管理、中斷管理、時間管理、共享資源的互斥管理、同步與通信管理、內(nèi)存管理、IO管理、出錯管理、用戶擴展管理和電源管理的主要內(nèi)容；3.掌握嵌入式實時內(nèi)核的重要性能指標(biāo)。教學(xué)重點和難點：教學(xué)重點：不同的調(diào)度算法對系統(tǒng)實時性的影響；差分時間鏈的特點和常見操作；教學(xué)難點：嵌入式實時操作系統(tǒng)中斷的特點與過程。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：掌握1.嵌入式實時內(nèi)核的關(guān)鍵設(shè)計問題；2.嵌入式實時內(nèi)核的主要功能3.嵌入式實時內(nèi)核的重要性能指標(biāo)。教學(xué)組織與實施：老師提前布置課堂作業(yè)，針對當(dāng)前植物病蟲害發(fā)生的背景、成因、危害、解決措施進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，然后課堂發(fā)言，老師進(jìn)行點評，最后進(jìn)行相關(guān)知識的串講。第五章任務(wù)管理及調(diào)度學(xué)時數(shù)：4教學(xué)目標(biāo)：1.了解任務(wù)的定義、分類、參數(shù)、內(nèi)容及主要特征；2.了解任務(wù)的狀態(tài)與變遷、任務(wù)控制塊的內(nèi)容；3.掌握任務(wù)切換過程及任務(wù)切換時間對實時系統(tǒng)的影響、任務(wù)隊列的管理方法；4.掌握優(yōu)先級可搶占調(diào)度機制、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的定義；5.掌握優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的兩種解決方法、時序圖和多處理器調(diào)度算法。教學(xué)重點和難點：教學(xué)重點：任務(wù)管理機制；為提高系統(tǒng)的實時性在任務(wù)調(diào)度、隊列管理采用的特殊方法；優(yōu)先級反轉(zhuǎn)及解決；教學(xué)難點：任務(wù)切換與優(yōu)先級位圖相關(guān)算法；優(yōu)先級繼承與優(yōu)先級天花板協(xié)議的對比。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：1.任務(wù)的定義、分類、參數(shù)、內(nèi)容及主要特性；2.任務(wù)管理；3.任務(wù)調(diào)度；4.優(yōu)先級反轉(zhuǎn)；5.多處理器調(diào)度。教學(xué)組織與實施：通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第六章同步、互斥與通信學(xué)時數(shù)：4教學(xué)目標(biāo)：1.掌握三種常見信號量機制的分類及其基本用法；2.掌握用PV操作來實現(xiàn)任務(wù)之間的同步；3.了解嵌入式系統(tǒng)中的郵箱、消息隊列、事件和異步信號機制。教學(xué)重點和難點：常見的谷物收獲方法。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：1.概述信號量；2.信號量；3.郵箱和消息隊列；4.事件機制的作用、特點和使用方法；5.異步信號。教學(xué)組織與實施：本章以課堂教學(xué)為主，結(jié)合實例代碼演示。老師通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第七章中斷和時間管理學(xué)時數(shù)：4教學(xué)目標(biāo)：1.掌握中斷的概念、分類、中斷的處理過程；2.了解實時內(nèi)核的中斷管理和用戶中斷服務(wù)程序；3.了解時間管理的基本功能、差分時間鏈在時間管理中的應(yīng)用。教學(xué)重點和難點：教學(xué)重點：實時內(nèi)核的中斷管理機制、編寫用戶中斷服務(wù)程序；實時時鐘的產(chǎn)生；教學(xué)難點：實時內(nèi)核的中斷接管程序。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：1.系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)；2.文件操作；3.進(jìn)程控制；4.進(jìn)程通信；5.內(nèi)存管理。教學(xué)組織與實施：通過多媒體課堂教學(xué)，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發(fā)引入新知識，提問、討論，反轉(zhuǎn)課堂，微課多種形式教學(xué)，線上學(xué)習(xí)等教學(xué)方法使學(xué)生掌握重點和難點。第八章內(nèi)存管理學(xué)時數(shù)：4教學(xué)目標(biāo)：1.掌握在嵌入式操作系統(tǒng)中內(nèi)存管理的基本方法；2.了解內(nèi)存管理機制。教學(xué)重點和難點：教學(xué)重點：嵌入式內(nèi)存管理機制；教學(xué)難點：MMU（內(nèi)存管理單元）機制。主要教學(xué)內(nèi)容及要求：1.內(nèi)存管理的概述；2.嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)存管理機制及特點；3.I/O系統(tǒng)實現(xiàn)方法。教學(xué)組織與實施：本章以課堂教學(xué)為主，結(jié)合課堂演示以加深嵌入式內(nèi)存管理的理解。五、實驗教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配（8學(xué)時）（無實驗的課程該項不列，序號順延）（一）實驗課程簡介本課程以嵌入式系統(tǒng)工程思想為指導(dǎo)，學(xué)生通過嵌入式系統(tǒng)軟硬件的使用，幫助他們理解符合嵌入式系統(tǒng)特色的各種原理和方法，培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品方案規(guī)劃、體系架構(gòu)選擇、處理器和芯片選型、操作系統(tǒng)應(yīng)用、總體及詳細(xì)設(shè)計、可靠性測試評估等方面的綜合能力，為將來的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。（二）實驗教學(xué)目的和基本要求1.掌握嵌入式軟件的交叉開發(fā)環(huán)境的定義、嵌入式軟件的開發(fā)過程、嵌入式軟件分析設(shè)計方法；2.了解嵌入式軟件開發(fā)中軟硬件平臺的選定，常見的嵌入式軟件開發(fā)工具。（三）實驗安全操作規(guī)范1)各種電器設(shè)備及電線應(yīng)始終保持干燥，不得浸濕，以防短路引起火災(zāi)或燒壞電器設(shè)備。2)各類電器設(shè)備發(fā)生異?；蚬收蠒r，應(yīng)及時斷電，由專業(yè)人員檢修。3)不準(zhǔn)穿有礙安全操作的服裝參加實驗（四）實驗項目名稱與學(xué)時分配序號實驗名稱學(xué)時類型實驗要求每組人數(shù)04021161＋01任務(wù)的實例2程序設(shè)計必做504021161＋02內(nèi)存動態(tài)分配的實例3程序設(shè)計必做504021161＋03移植的實例3程序設(shè)計必做5（五）實驗方式及基本要求現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的實驗課程重點放在計算機上進(jìn)行，會進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)框架的搭建，編寫實驗要求的應(yīng)用程序，會使用常用的嵌入式操作系統(tǒng)。（六）實驗內(nèi)容安排【實驗一】任務(wù)的實例1.實驗學(xué)時：2學(xué)時2.實驗?zāi)康模赫莆杖蝿?wù)調(diào)度，任務(wù)管理，任務(wù)通信中的幾個主要函數(shù)，理解它們的含義3.實驗內(nèi)容：做一個任務(wù)管理實例、做一個時鐘和中斷的實例。4.實驗要求：利用ucos-ii系統(tǒng)做一個任務(wù)管理實例、做一個時鐘和中斷的實例，并按照實驗指導(dǎo)書的要求撰寫實驗報告。實驗設(shè)備及器材：PC機?！緦嶒灦績?nèi)存動態(tài)分配的實例1.實驗學(xué)時：3學(xué)時。2.實驗?zāi)康模毫私鈨?nèi)存的基本原理，內(nèi)存的管理函數(shù)，內(nèi)存控制塊的定義，內(nèi)存分配理論。3.實驗內(nèi)容：在PC機上做一個內(nèi)存動態(tài)分配的實例。4.實驗要求：利用ucos-ii系統(tǒng)做一個任務(wù)管理實例、做一個時鐘和中斷的實例，并按照實驗指導(dǎo)書的要求撰寫實驗報告。5.實驗設(shè)備及器材：PC機?！緦嶒炄恳浦驳膶嵗?.實驗學(xué)時：3學(xué)時。2.實驗?zāi)康模赫莆找浦驳母拍?、要求和基本方法，移植代碼的測試，掌握移植的函數(shù)代碼、會基于STM32單片機進(jìn)行代碼移植。3.實驗內(nèi)容：基于STM32單片機做三個移植的實例。4.實驗要求：利用ucos-ii系統(tǒng)做移植的實例，掌握在STM32單片機上移植的方法，并按照實驗指導(dǎo)書的要求撰寫實驗報告。5.實驗設(shè)備及器材：PC機，STM32單片機。(七)考核方式及成績評定評分采用“5級”評分制，即“優(yōu)”、“良”、“中”、“及格”、“不及格”。實驗課占總課程總分的20%。評分工作由指導(dǎo)教師和學(xué)生代表組成的小組共同完成。評價指標(biāo)所占比例1）實驗?zāi)康呐c實驗內(nèi)容的合理性20%；2）實驗設(shè)計的可行性20%；3）實驗操作的規(guī)范性20%；4）實驗數(shù)據(jù)處理和分析的科學(xué)性20%；5）實驗報告格式規(guī)范20%。根據(jù)學(xué)生在實驗中的表現(xiàn)及實驗完成操作完成情況打分，結(jié)合實驗報告情況綜合評分。六、課程思政經(jīng)過對嵌入式系統(tǒng)原理中思政重要基本元素的挖掘與整理，根據(jù)專業(yè)課教學(xué)的重要戰(zhàn)略地位和內(nèi)涵，科學(xué)合理系統(tǒng)的設(shè)計嵌入式系統(tǒng)原理教材中的思政的具體內(nèi)容和教學(xué)方式，寓思政文化教育于嵌入式系統(tǒng)原理課程教學(xué)中，達(dá)到思政文化教育與專業(yè)的有機結(jié)合滲透、互補。利用文化教育授課工作主要環(huán)節(jié)所蘊含的思想道德要求、科研革新思想精神、愛國主義情感、傳統(tǒng)思想文化精神、性格養(yǎng)成等內(nèi)涵