《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：04210872課程性質(zhì)：專業(yè)方向課適合專業(yè)：電子信息工程先修課程：數(shù)字、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、C語言程序設(shè)計(jì)開設(shè)學(xué)期：第六學(xué)期考核方式：閉卷考試總學(xué)時(shí)數(shù)：36學(xué)分：2（一）課程教學(xué)目標(biāo)嵌入式系統(tǒng)具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、面向控制和價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅已成為工業(yè)控制，智能工具，領(lǐng)域普遍采用的智能化控制工具，而且已滲入到人們工作和生活的各個(gè)角落，有力地推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，應(yīng)用前景廣闊。（二）課程的目的與任務(wù)本課程通過對(duì)ARM嵌入式芯片的系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作原理，軟件、硬件的設(shè)計(jì)方法及接口技術(shù)應(yīng)用的介紹，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的基本技能。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握系統(tǒng)的的架構(gòu)、工作原理、指令系統(tǒng)、編程技術(shù)、接口技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用。為學(xué)生將來在工作中，能夠應(yīng)用嵌入式技術(shù)解決實(shí)際問題打下基礎(chǔ)。（三）理論教學(xué)的基本要求通過本課程的學(xué)習(xí)幫助學(xué)生獲得必要的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，理解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理念，掌握利用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的基本原理和方法，了解學(xué)科發(fā)展前沿，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。（四）實(shí)踐教學(xué)要求（包括但不限于以下內(nèi)容）無。（五）教學(xué)學(xué)時(shí)分配數(shù)章次各章名稱總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)課外小計(jì)第一章嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)111第二章ARM技術(shù)概述111第三章基于STM32的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)333第四章DevStm4.0開發(fā)板硬件及設(shè)計(jì)333第五章STM32基本應(yīng)用技術(shù)555第六章STM32F103的進(jìn)階設(shè)計(jì)及應(yīng)用666第七章STM32F103的通信接口及應(yīng)用666第八章μC/OS口在STM32上的應(yīng)用555第九章STM32中嵌入式應(yīng)用信號(hào)處理算法333第十章STM32開發(fā)工業(yè)級(jí)控制器應(yīng)用333總計(jì)363636（六）大綱內(nèi)容第一章嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)具體內(nèi)容：1.嵌入式開發(fā)的基本概念2.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀3.嵌入式系統(tǒng)的組成4.嵌入式系統(tǒng)相關(guān)概念5.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域基本要求：了解嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展歷史；理解嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，掌握硬件層，中間層，系統(tǒng)軟件層，三個(gè)層次的功能及關(guān)系；了解嵌入式處理器及嵌入式操作系統(tǒng)的相關(guān)概念，理解實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS；了解VxWorks，μC/OS-II，WindowsCE，嵌入式Linux，μClinux，PalmOS，QNX，DeltaOS及pSOS幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)。重點(diǎn)與難點(diǎn)：本章主要介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本概念，講解的內(nèi)容比較簡單，但是有些概念比較難以理解，重點(diǎn)理解嵌入式系統(tǒng)的組成，處理器及操作系統(tǒng)的相關(guān)概念。第二章ARM技術(shù)概述具體內(nèi)容：1.ARM體系構(gòu)架2.ARM的RISC結(jié)構(gòu)特性3.常用ARM處理器系列4.ARM體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征5.ARM的流水線6.Thumb指令集7.Thumb口2指令基本要求：了解哈弗結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)兩種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；掌握計(jì)算機(jī)相關(guān)指令及RISC指令集；理解ARM指令的基本處理過程及三級(jí)流水線的指令處理過程；了解Thumb指令集、Thumb-2指令集及ARM指令集的關(guān)系及區(qū)別；了解常用的ARM處理器。重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)理解掌握計(jì)算機(jī)相關(guān)指令及RISC指令集；理解ARM指令的基本處理過程及三級(jí)流水線的指令處理過程?；赟TM32的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)具體內(nèi)容：1.STM32F103系列MCU簡介2.低功耗版本STM32L系列3.STM32的開發(fā)工具4.STM32的固件庫文件5.STM32的啟動(dòng)文件6.JTAG簡介7.JTAG調(diào)試STM32F103過程8.SWD仿真模式9.JTAG接口及仿真器接口定義10.ISP下載器及常用工具基本要求：了解STM32F10x的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；了解STM32F103的片上資源及STM32F103的相關(guān)性能；了解STM32L1低功耗系列；熟悉KeilMDK和EWARM兩個(gè)常用的STM32開發(fā)工具，STM32的固件庫文件及啟動(dòng)文件，JTAG接口，F(xiàn)lashLoaderDemo下載工具軟件及MCUISP下載器。重點(diǎn)與難點(diǎn)：了解STM32F103的片上資源及STM32F103的相關(guān)性能，熟練掌握STM32相關(guān)開發(fā)工具。DevStm4.0開發(fā)板硬件及設(shè)計(jì)具體內(nèi)容：1.電源電路2.MCU外圍電路3.復(fù)位電路4.晶振電路5.啟動(dòng)模式設(shè)置電路6.EEPROM電路7.串口電路8.RS485接口電路9.SD卡接口電路10.JTAG電路11.按鍵檢測電路12.開關(guān)檢測電路13.網(wǎng)絡(luò)接口電路14.PWM驅(qū)動(dòng)LED電路15.片載A/D轉(zhuǎn)換電路16.AD770816位高精度A/D轉(zhuǎn)換電路17.CAN總線接口電路18.OLED顯示接口電路19.繼電器驅(qū)動(dòng)電路20.SeiSite接口21.開發(fā)板原件PCB布局及接口指示說明基本要求：了解DevStm4.0開發(fā)板基本功能；掌握DevStm4.0原理總圖，及電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MCU外圍電路，復(fù)位電路，晶振電路，啟動(dòng)模式設(shè)計(jì)電路，EEPROM電路，串口電路，RS485接口電路，SD卡接口電路，Jtag電路，按鍵檢測電路，開關(guān)量檢測電路，PWM驅(qū)動(dòng)LED電路，片載AD轉(zhuǎn)換電路，AD7708A/D轉(zhuǎn)換電路，CAN總線接口電路，OLED接口電路，繼電器驅(qū)動(dòng)電路各部分電路原理；了解SeiSite接口電路。重點(diǎn)與難點(diǎn)：為了能夠清楚的講明問題，我們專門為本書配套設(shè)計(jì)了相應(yīng)的開發(fā)板，開發(fā)板使用STM32F103RET6增強(qiáng)型芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可以通過ISP進(jìn)行程序下載也可以通過JTAG進(jìn)行程序下載，方便大家在學(xué)習(xí)的過程中間靈活的選擇調(diào)試方式。該開發(fā)板我們命名為DevStm4.0。本章需要熟練掌握DevStm4.0開發(fā)板的電源電路，MCU外圍電路，復(fù)位電路，晶振電路等相關(guān)電路的工作原理。第五章STM32基本應(yīng)用技術(shù)具體內(nèi)容：1.GPIO通用輸入/輸出接口2.系統(tǒng)滴答定時(shí)器3.復(fù)位、系統(tǒng)時(shí)鐘及實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC4.NVIC嵌套向量中斷控制器5.EXTI外部中斷6.電源控制PWR基本要求：了解STM32的啟動(dòng)模式,外設(shè)資源及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)資料；熟悉STM32的每個(gè)GPIO口的基本情況，GPIO的通用操作步驟；理解STM32系統(tǒng)時(shí)基滴答定時(shí)器工作原理，SysTicktimer端口的結(jié)構(gòu)及使用方法；掌握系統(tǒng)復(fù)位、電源復(fù)位和備份區(qū)域復(fù)位三種復(fù)位形式，由HSE/128、LSE或LSI時(shí)鐘提供的RTC時(shí)鐘源的區(qū)別，內(nèi)部高速震蕩時(shí)鐘（HSI）、外部高速震蕩時(shí)鐘（HSE）及PLL時(shí)鐘三種系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定方式；掌握STM32的5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)分組，NVIC_TypeDef具體每一位對(duì)應(yīng)的中斷關(guān)系，EXTI外部中斷原理及兩種使用方法；了解電源控制PWR的電池備份區(qū)域，電源管理器及三種低功耗模式。重點(diǎn)與難點(diǎn)：STM32基本開發(fā)技術(shù)，詳細(xì)的闡述STM32基礎(chǔ)應(yīng)用的開發(fā)過程，重點(diǎn)的講述利用3.5版本庫函數(shù)進(jìn)行STM32開發(fā)的詳細(xì)過程和示例，幫助初學(xué)者解決實(shí)際中的應(yīng)用問題。本章需要熟練掌握GPIO，SysTick操作，復(fù)位及時(shí)鐘操作，NVIC操作及EXTI操作的使用方法。第六章STM32F103的進(jìn)階設(shè)計(jì)及應(yīng)用具體內(nèi)容：1.TIMx定時(shí)器2.外設(shè)DMA技術(shù)3.備份域寄存器4.ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器5.DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器6.看門狗定時(shí)器基本要求：掌握TIM1和TIM8高級(jí)定時(shí)器，普通定時(shí)器TIMx及基本定時(shí)器TIM6和TIM7的主要功能；了解TIMx定時(shí)器相關(guān)的時(shí)鐘源；掌握TIMx定時(shí)器的計(jì)數(shù)器模式，實(shí)現(xiàn)通用定時(shí)器，PWM控制，定時(shí)器的級(jí)聯(lián)等功能；掌握直接存儲(chǔ)器存取(DMA)的主要功能及工作方式，了解DMA主要特性，DMA處理，DMA仲裁器，DMA通道，DMA1請求，DMA2請求等相關(guān)知識(shí)；掌握備份域寄存器功能及結(jié)構(gòu)，侵入檢測，RTC校準(zhǔn)BKP的工作機(jī)制，了解備份數(shù)據(jù)寄存器，RTC時(shí)鐘校準(zhǔn)寄存器，備份控制寄存器，備份控制/狀態(tài)寄存器的功能及注意事項(xiàng)；掌握ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，獨(dú)立看門狗IWDG及WWDG主要特征及功能。重點(diǎn)與難點(diǎn)：STM32進(jìn)階設(shè)計(jì)及應(yīng)用，這些應(yīng)用是建立在上一章的基礎(chǔ)之上的應(yīng)用介紹，掌握好上一章的基本知識(shí)之后，才能進(jìn)行本章知識(shí)的了解和學(xué)習(xí)。重點(diǎn)為熟練掌握定時(shí)器，DMA，BKP，ADC，DAC及看門狗等相關(guān)操作。第七章STM32F103的通信接口及應(yīng)用具體內(nèi)容：1.USART串行通信技術(shù)2.通信接口應(yīng)用3.I2C通信接口應(yīng)用4.CAN總線通信接口應(yīng)用5.SDIO接口應(yīng)用基本要求：了解USART主要特性及功能；了解SPI通信接口功能，主要特性及與SPI外部器件相連的4個(gè)引腳的主要功能，掌握配置SPI為主模式及配置SPI為從模式時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送及接送的過程；了解I2C通信接口的主要功能及特點(diǎn)，I2C總線協(xié)議，掌握I2C接口工作在從模式時(shí)從發(fā)送器的傳輸序列圖，主接收器的接收序列圖；了解SMBus應(yīng)用用途，地址解析協(xié)議(ARP)，SMBus提醒模式，超時(shí)錯(cuò)誤以及如何使用SMBus模式的接口，了解DMA請求，利用DMA發(fā)送及接收方法；了解CAN總線及bxCAN基本特點(diǎn)，bxCAN工作模式；了解SD模式，SPI模式兩種SD卡允許在兩種模式，在SD模式下STM32的SDIO適配器原理，SD命令格式，SD通用命令，SD應(yīng)用命令，響應(yīng)格式及SD上電過程。重點(diǎn)與難點(diǎn)：STM32提供非常強(qiáng)大的通信和數(shù)據(jù)交換接口，這些接口可以達(dá)到13個(gè)之多。需要重點(diǎn)掌握I2C接口，USART接口，SPI接口，CAN接口，SDIO接口的功能及使用。第八章μC/OS口在STM32上的應(yīng)用具體內(nèi)容：1.μC/OS口的發(fā)展歷史

2.μC/OS口體系結(jié)構(gòu)3.μC/OS口關(guān)鍵函數(shù)4.μC/OS口中斷編程5.μC/OS口的學(xué)習(xí)方法6.μC/OS口的使用實(shí)例解析基本要求：了解μC/OS-II在STM32上的應(yīng)用，μC/OS-II的發(fā)展歷史，μC/OS-II體系結(jié)構(gòu)，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理，通信同步等功能；熟悉μC/OS-II關(guān)鍵函數(shù)，μC/OS-II中斷編程及μC/OS-II的學(xué)習(xí)方法。重點(diǎn)與難點(diǎn)：熟練掌握μC/OS-II的基本工作機(jī)制（不是全部及細(xì)節(jié)），熟悉μC/OS-II的各種函數(shù)及它的入口出口函數(shù)，尤其常用函數(shù)。。第九章STM32中嵌入式應(yīng)用信號(hào)處理算法具體內(nèi)容：1.線性濾波算法2.常用濾波算法3.PID過程控制算法4.開關(guān)量濾波算法基本要求：理解卡爾曼濾波算法功能，應(yīng)用及機(jī)理；了解程序判數(shù)濾波，中值濾波，滑動(dòng)算術(shù)平均值濾波，滑動(dòng)加權(quán)平均值濾波，防脈沖干擾平均值濾波，低通數(shù)字濾波等常用濾波算法；了解PID過程控制算法中的模擬控制系統(tǒng)，微機(jī)過程控制系統(tǒng)及數(shù)字控制系統(tǒng)DDC等系統(tǒng)，掌握模擬PID調(diào)節(jié)器，數(shù)字PID控制器，PID算法的程序流程，標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)，數(shù)字PID控制的參數(shù)選擇，數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)及偏差處理；了解開關(guān)量濾波算法。重點(diǎn)與難點(diǎn)：STM32系統(tǒng)已經(jīng)具備了強(qiáng)大的運(yùn)算能力，那么如果我們合理運(yùn)用這些運(yùn)算性能，將起到事半功倍的效果，本章將詳細(xì)的介紹一些可以應(yīng)用在STM32系統(tǒng)上的經(jīng)典算法，需要重點(diǎn)掌握卡爾曼濾波算法，PID過程控制算法的機(jī)制與應(yīng)用。STM32開發(fā)工業(yè)級(jí)控制器應(yīng)用具體內(nèi)容：1.工業(yè)級(jí)控制器的基本要求2.基于STM32F103設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)控制器設(shè)計(jì)原理圖3.硬件關(guān)鍵設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)解析4.Modbus通信協(xié)議基本要求：了解基于STM32F103設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)控制器的基本要求；了解光耦隔離輸入檢測電路，基于達(dá)靈頓管的信號(hào)繼電器驅(qū)動(dòng)及OLED顯示驅(qū)動(dòng)接口驅(qū)動(dòng)；理解MODBUSRTU通信協(xié)議，Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，MODBUSRTU協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，ModbusRTU主站流程及ModbusRTU從站流程。重點(diǎn)與難點(diǎn)：熟練掌握支持MODBUS通信協(xié)議的通用控制器開發(fā)與應(yīng)用。五、課程考核辦法：1．實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告：20％2．課堂參與/作業(yè)：10％3．考試：70％六、教材與主