《硬件技術基礎》課程教學大綱

《硬件技術基礎》教學大綱一、課程基本信息課程名稱硬件技術基礎FundamentalsofHardwareTechnology課程編碼CST422521030開課院部計算機科學與技術學院課程團隊硬件技術基礎課程教學團隊學分3.0課內學時56講授32實驗24上機0實踐0課外學時0適用專業(yè)材料成型及控制工程授課語言中文先修課程程序設計（Python）、大學計算機、電工電子學課程簡介（限選）《硬件技術基礎》是材料成型及控制工程專業(yè)和材料科學與工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課。課程以MCS-51單片機為例，學習微型計算機的硬件結構、工作原理和編程技術，學生掌握微型計算機中CPU、中斷、定時/計數(shù)器、存儲器、串口、鍵盤、顯示器、數(shù)/模和模/數(shù)轉換等功能部件的接口技術和使用方法。課程使學生掌握必要的計算機硬件基礎知識、接口技術及其運用，培養(yǎng)學生利用計算機軟、硬件的開發(fā)環(huán)境和工具解決工程問題的能力，為嵌入式系統(tǒng)的設計和開發(fā)，特別是計算機檢測、控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)打下基礎。同時，在課程中培養(yǎng)學生精益求精、憂國憂民的大國工匠精神，激發(fā)學生科技報國的家國情懷。"FoundationsofHardwareTechnology"isaspecialelectivecourseoftheMaterialForming&ControlEngineeringandMaterialScience&Engineering.Inthiscourse,Thestudentslearnthearchitecture,principlesandprogrammingtechnologyandgrasptheinterfacetechnologyandusageofCPU,interrupt,timer/counter,memorysystem,serialcommunication,LED/LCDapplication,D/AandA/DconversionbasedontheMCS-51single-chipmicrocomputer(SCM).Thecoursehelpthestudentstomasterthebasicknowledge,technologyandapplicationofthecomputerinterfaces,andthen,thestudentshavetheabilitytodesignanddeveloptheapplicationssystembasedonmicrocomputer.Thiscourselaysthefoundationforthedesignanddevelopmentofembeddedsystem,especiallythedesignanddevelopmentofthecomputerdetectionandcontrolsystem.Atthesametime,thecoursecancultivatethecraftsmanshipspiritofthegreatcountryandarousethestudents'nationalfeelingsandinspirethemtoservethecountry.負責人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務自選1M1目標1：掌握微型計算機，尤其是單片機的基本結構及工作原理、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行通信原理、LED/LCD顯示器、模/數(shù)與數(shù)/模轉換及其接口技術，為使用計算機進行檢測和控制打下基礎。通過國產(chǎn)單片機現(xiàn)狀和發(fā)展過程、軟硬件開發(fā)工具現(xiàn)狀激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。是1.21.22M2目標2：能夠根據(jù)研究方案和具體功能要求，選用合適的器件，搭建特定功能的硬件電路，并編寫相關程序；使用單片機技術安全開展實驗，采集實驗數(shù)據(jù)。增強學生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的能力，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神。是4.34.33M3目標3：了解單片機技術及其在檢測與控制系統(tǒng)中的使用原理、開發(fā)過程和開發(fā)工具，并理解其局限性。是5.15.1三、課程內容序號章節(jié)號標題課程內容/重難點支撐課程目標課內學時教學方式課外學時課外環(huán)節(jié)1第1章第1章微型計算機基礎本章重點難點：微型計算機系統(tǒng)的概念；微型計算機的組成和工作原理；數(shù)據(jù)在計算機中的表示；不同進制數(shù)的相互轉換。////21.11.1微型計算機基礎計算機的概念，存儲程序原理；微型計算機的組成，微型計算機的特點和應用；CPU的結構，微型計算機的工作過程。通過國產(chǎn)單片機現(xiàn)狀和發(fā)展過程激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。M1////31.21.2單片微型計算機的概念和應用單片機的概念、特點，單片機的分類和應用；常用主流單片機簡介。M21講授//4第2章第2章MCS-51單片機的結構和工作原理本章重點難點：8051單片機內部結構和功能；8051單片機存儲器結構；8051單片機并行I/O端口的結構和應用；MCS-51單片機的工作方式和工作時序。////52.12.1MCS-51單片機的內部組成和引腳80C51單片機的內部組成；運算器和控制器；堆棧及其應用；8051單片機的封裝方式和引腳功能。M11講授//62.22.2單片機的存儲器程序存儲空間，片內、片外數(shù)據(jù)存儲空間；通用寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、SFR區(qū)的劃分、特點及其應用。M11講授//72.32.3并行輸入／輸出端口并行I/O端口P0、P1、P2、P3的結構、功能及其應用。M11講授//82.42.4工作方式和時序時鐘電路的內部時鐘和外部時鐘方式，振蕩周期、狀態(tài)周期、機器周期和指令周期的概念及其相互關系，典型的指令時序。M11講授//92.52.5復位電路MCS-51單片機的對復位信號的要求，復位電路，復位后單片機的狀態(tài)和執(zhí)行過程；單片機的節(jié)電工作方式及其應用。M11講授//10第3章第3章C51語言編程本章重點難點：C51語言常用的頭文件及其作用；C51的基本數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)存儲類型和存儲模式。////113.13.1C51基本結構和數(shù)據(jù)類型KeilC51語言編程的優(yōu)缺點；C51源程序的基本結構；常用的頭文件及其作用。C51的常量和變量及其取值范圍，C51內部RAM、外部RAM和ROM的數(shù)據(jù)存儲類型及其特點；C51數(shù)據(jù)的small、compact和large存儲模式及其應用。M1////123.23.2C51的運算符和函數(shù)算術運算符，關系運算符，邏輯運算符，移位，按位與、或、非、異或等運算符；C51函數(shù)的定義及參數(shù)傳遞；中斷函數(shù)。M11講授//133.33.3單片機的C51語言編程單片機的C51語言編程實例分析。M11講授//14第4章第4章輸入輸出與存儲器擴展本章重點難點：接口和端口的概念、地址譯碼方式，CPU和外設之間的數(shù)據(jù)傳送方式；存儲器的分類，并行數(shù)據(jù)存儲器擴展，串行數(shù)據(jù)存儲器擴展。////154.14.1單片機系統(tǒng)擴展接口的概念和作用，端口的概念和地址譯碼方式；單片機的三總線結構；CPU與I/O設備的連接的方式。M11講授//164.24.2數(shù)據(jù)輸入/輸出方式無條件傳送方式，查詢方式，中斷方式。M11講授//174.34.3存儲器及其擴展RAM、ROM、EPROM存儲器及應用，并行EEPROM、NORFlash、NANDFlash存儲器，串口EEPROM、NORFlash、NANDFlash存儲器。M11講授//18第5章第5章中斷及其應用本章重點難點：中斷系統(tǒng)和中斷的概念、中斷處理過程、MCS-51的中斷系統(tǒng)。////195.15.1中斷概述中斷、中斷源、中斷控制、中斷矢量、中斷響應、中斷屏蔽和中斷嵌套。M11講授//205.25.2單片機的中斷系統(tǒng)結構和工作原理MCS-51單片機中斷系統(tǒng)結構和工作原理；中斷相關寄存器設置方式。M11講授//215.35.3中斷系統(tǒng)應用外中斷應用舉例。M11講授//22第6章第6章計數(shù)/定時器及其應用本章重點難點：MCS-51單片機定時/計數(shù)器的結構和工作原理；定時器/計數(shù)器工作方式0，3及其寄存器設置。////236.16.1定時/計數(shù)器的結構和工作原理定時和計數(shù)的概念，單片機定時和計數(shù)器的結構和工作原理M11講授//246.26.2定時/計數(shù)器的工作方式工作方式0、1、2、3的工作原理及使用場合。M11講授//256.36.3定時/計數(shù)器應用定時應用，計數(shù)應用，門控位應用。M11講授//26第7章第7章并行接口及其應用本章重點難點：8255可編程并行接口的擴展方式；矩陣式鍵盤的結構和讀取方法；動態(tài)LED顯示的結構和顯示方法。////277.17.1并行接口擴展簡單的并行I/O擴展；可編程并行I/O接口芯片8255A的結構、工作方式及其應用。M12講授//287.27.2鍵盤接口按鍵的抖動和消抖方法；獨立式非編碼鍵盤的結構和按鍵讀取方式；矩陣式鍵盤的結構，掃描式、行列反轉式讀取按鍵的方法。M12講授//297.37.3LED顯示接口段式和點陣式LED的顯示原理；靜態(tài)LED顯示電路和顯示驅動程序；動態(tài)LED顯示電路和顯示驅動程序。M11講授//307.47.4LCD顯示接口點陣式LCD顯示器的顯示原理；LCD顯示接口電路和驅動程序。M1////31第8章第8章串行接口及其應用本章重點難點：MCS-51的串行口的結構和工作原理；MCS-51串行口的工作方式。////328.18.1串行通信概述串行通信的概念，串行通信的分類，異步通信和同步通信的通信方式。M11講授//338.28.2單片機串行口結構和工作原理MCS-51單片機串行口的結構和工作原理，串行口相關寄存器，四種工作方式M11講授//348.38.3單片機串行口應用MCS-51單片機串行口的；方式0擴展I/O端口，方式1應用，多機通訊。M11講授//358.48.4其他串行接口RS232和USART、RS485和RS422、I2C和SPI簡介。M11講授//36第9章第9章A/D轉換和D/A轉換及其應用本章重點難點：D/A轉換的基本原理，DAC0832的單極性輸出和雙極性輸出方式，MCS-51單片機與DAC0832的單緩沖和雙緩沖連接方式；A/D轉換的原理，MCS-51單片機與ADC0809轉換器的連接電路和編程。////379.19.1D/A轉換器及其應用D/A轉換的基本原理；DAC0832的單極性輸出和雙極性輸出方式，MCS-51單片機與DAC0832的單緩沖和雙緩沖連接方式，DAC0832應用。M12講授//389.29.2A/D轉換器及其應用采樣、量化和編碼的概念；A/D轉換的原理，ADC0809轉換器的連接電路和編程。M21講授//399.39.3串行D/A和A/D轉換器串行D/A轉換器MAX517的結構和編程；串行A/D轉換器TLC548的結構和編程。M21講授//40第10章第10章單片機應用系統(tǒng)設計本章重點難點：單片機應用系統(tǒng)設計過程；軟件、硬件抗干擾設計。////4110.110.1單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程硬件設計與開發(fā)過程；軟件設計與開發(fā)過程；單片機系統(tǒng)仿真、ISP編程。通過單片機軟硬件開發(fā)工具現(xiàn)狀激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。M21講授//4210.210.2軟件、硬件抗干擾設計干擾的來源；硬件抗干擾技術概述；軟件抗干擾技術概述；看門狗及其應用。M21講授//4310.310.3單片機應用系統(tǒng)設計實例溫度控制器的要求，硬件電路，軟件結構。M2////44實驗1實驗1：單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)使用和編程實驗通過單片機的編程練習，熟悉KeilC51集成開發(fā)環(huán)境及MCS-51單片機匯報語言程序設計及調試方法。M1,M34實驗//45實驗2實驗2：基本輸入輸出實驗設計和實現(xiàn)交通燈控制，熟悉單片機端口作為輸入輸出方式使用注意事項。M2,M34實驗//46實驗3實驗3：存儲器與I/O擴展實驗編寫實驗程序，將單片機程序存儲器的數(shù)據(jù)搬運到內部數(shù)據(jù)存儲器，再由內部數(shù)據(jù)存儲器搬運到外部數(shù)據(jù)存儲器，掌握單片機系統(tǒng)中存儲器擴展和使用方法。M1,M34實驗//47實驗4實驗4：定時器與中斷實驗分為兩部分內容：（1）單片機集成的定時器可以產(chǎn)生定時中斷，輸出0.1s和1秒的方波信號；（2）擴展外部中斷INT0、INT1，編程是單片機響應各中斷并以LED燈的不同顯示方式驗證。M2,M34實驗//48實驗5實驗5：數(shù)碼顯示與鍵盤實驗將8255單元與鍵盤及數(shù)碼管顯示單元連接，編寫實驗程序，掃描鍵盤輸入，并將掃描結果送數(shù)碼管顯示。M2,M34實驗//49實驗6實驗6：A/D和D/A轉換實驗分為兩部分內容：（1）設計電路和程序，由實驗箱ADC0809芯片采集模擬輸入量，進行A/D轉換，顯示轉換結果；（2）設計電路和程序，由實驗箱DAC0832芯片輸出模擬輸入量，進行D/A轉換，產(chǎn)生鋸齒波、三角波等，并用示波器觀察電壓波形。M2,M34實驗//四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1作業(yè)1.每章布置1～2次作業(yè)。2.成績采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學生對微型計算機和單片機基礎知識的掌握能力，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力。題型主要有基礎知識、分析、設計和編程題。20%2實驗1.本課程24個學時實驗，共6次實驗。2.成績采用百分制，根據(jù)實驗完成過程及實驗報告情況評分。3.考核學生單片機及其外圍部件硬件結構掌握情況和編程應用能力，針對單片機應用系統(tǒng)中的具體問題，能夠根據(jù)用戶需求，設計和優(yōu)選解決方案，正確安全開展實驗并獲得有效數(shù)據(jù)。4.學生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題實踐能力。40%3期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學生對單片機系統(tǒng)軟硬件知識的掌握能力，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力。題型主要有填空題、簡答題、編程與設計題等。40%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1作業(yè)40%A-按時完成作業(yè)，對單片機軟、硬件知識點理解無誤。B-按時完成作業(yè)，對上述知識點理解存在少量錯誤。C-按時完成作業(yè)，對上述知識點理解存在一定量錯誤。D-沒有按時完成作業(yè)，或對上述知識點理解存在大量錯誤。2M1實驗10%A-按時提交實驗報告，電路和程序設計正確，實驗過程熟練，實驗結論無誤，實驗報告規(guī)范。B-按時提交實驗報告，電路和程序設計正確，實驗過程基本熟練，實驗結論無誤，實驗報告基本規(guī)范。C-按時提交實驗報告，電路和程序設計有少量錯誤，實驗過程不太熟練，不能全部完成實驗，實驗報告不規(guī)范。D-發(fā)生安全事故，或不能按時提交實驗報告，電路和程序設計存在嚴重錯誤，不能獨立完全完成實驗。3M1期末考試50%（見試卷評分標準）4M2作業(yè)10%A-按時完成作業(yè)，能夠根據(jù)設計方案，正確、優(yōu)選地選擇使用單片機相關知識和技術。B-按時完成作業(yè)，能夠根據(jù)設計方案，正確地選擇使用單片機相關知識和技術。C-按時完成作業(yè)，基本能夠根據(jù)設計方案，合理地選擇使用單片機相關知識和技術。D-不能按時完成作業(yè)，或在選擇、使用單片機相關知識和技術中存在嚴重錯誤。5M2實驗60%A-按時提交實驗報告，能夠根據(jù)實驗方案，使用單片機相關知識和技術正確、優(yōu)選地構建實驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，能夠勇于探索和創(chuàng)新、善于解決問題。B-按時提交實驗報告，能夠根據(jù)實驗方案，使用單片機相關知識和技術正確地構建實驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，能夠探索和創(chuàng)新、善于解決問題。C-按時提交實驗報告，基本能夠根據(jù)實驗方案，使用單片機相關知識和技術構建實驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，基本能夠探索和創(chuàng)新、解決實踐問題。D-發(fā)生安全事故，或不能按時提交實驗報告，或構建的實驗存在嚴重錯誤，或不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，或不能解決實踐基本問題。6M2期末考試30%（見試卷評分標準）7M3作業(yè)10%A-按時完成作業(yè)，能夠正確使用芯片、工具搭建單片機檢測與控制系統(tǒng)，對其優(yōu)點和局限性理解正確。B-按時完成作業(yè)，能夠使用芯片、實驗裝置、工具搭建單片機檢測與控制系統(tǒng)，了解其優(yōu)點和局限性。C-按時完成作業(yè)，基本能夠使用芯片、實驗裝置、工具搭建單片機檢測與控制系統(tǒng)，了解其優(yōu)點和局限性。D-不能按時完成作業(yè)；或使用芯片、實驗裝置、工具搭建單片