第1章 嵌入式控制系统简介

《嵌入式系统原理与应用》教学大纲一、课程基本信息二、课程性质、地位和任务嵌入式系统原理与应用是计算机科学技术专业的一门专业课，讲述嵌入式系统的基本理论、原理。

本课程是一门既与硬件关系紧密，又与嵌入式操作系统、嵌入式软件关系十分紧密课程。

它围绕目前流行的32位ARM处理器和源码开放的Linux操作系统，讲述嵌入式系统的概念，软、硬件组成，开发过程以及嵌入式应用程序开发设计方法。

本课程的知识将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。

三、课程基本要求通过对基于ARM嵌入式芯片的系统的基本组织结构与工作原理的学习，使学生对计算机系统的硬件部分有一个全面的了解，对嵌入式软件的开发过程有一个清楚的认识，通过对嵌入式操作系统的工作原理的学习，使学生对嵌入式操作系统有一个清晰的认识，提高学生在嵌入式软件设计设计能力及解决实际问题的动手能力，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。

四、课程内容第一章嵌入式系统导论教学内容：1.1嵌入式系统概述1.2嵌入式系统的实时性与可靠性1.3嵌入式系统的应用领域和发展趋势教学目的：掌握嵌入式系统的特点、与通用计算机系统的区别、影响嵌入式系统实时性和可靠性的主要因素、了解嵌入式系统的发展趋势教学重点：嵌入式系统的特点、与通用计算机系统的区别、影响嵌入式系统实时性和可靠性的主要因素教学难点：影响嵌入式系统实时性和可靠性的主要因素教学方法：课堂讲授为主，布置部分作业，在讲解时多举一些嵌入式系统的应用实例，使学生对嵌入式系统有更好的认识与理解。

第二章嵌入式硬件系统教学内容：2.1嵌入式微处理器概述2.2嵌入式微处理器内核原理和指令系统教学目的：掌握嵌入式系统的硬件的基本组成、了解嵌入式微处理器的基本组成和运行模式、基本了解ARM芯片的指令系统教学重点：嵌入式系统的基本组成、CISC与RISC指令系统的对比、嵌入式微处理器的特点、嵌入式微处理器的体系结构、嵌入式微处理器的分类、AMBA总线、PCI总线、ARM指令系统教学难点：嵌入式微处理器的体系结构、ARM指令系统教学方法：课堂讲授为主，结合课堂练习为辅，布置部分作业。

《嵌入式ARM教案》PPT课件第一章：嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统的定义介绍嵌入式系统的概念、特点和应用领域强调嵌入式系统与传统计算机系统的区别1.2 嵌入式系统的发展回顾嵌入式系统的发展历程探讨未来嵌入式系统的发展趋势1.3 嵌入式系统的组成部分介绍嵌入式系统的硬件和软件组成解释嵌入式系统中的核心部件：中央处理器（CPU）第二章：ARM处理器简介2.1 ARM处理器的发展历程介绍ARM公司的成立和发展历程讲解ARM处理器的命名规则和版本更新2.2 ARM处理器的特点阐述ARM处理器的架构和指令集特点强调ARM处理器的功耗、性能和成本优势2.3 ARM处理器的应用领域分析ARM处理器在不同领域的应用案例展望ARM处理器在未来的应用前景第三章：ARM指令集和编程3.1 ARM指令集概述介绍ARM指令集的分类和特点讲解ARM指令的格式和操作码3.2 ARM指令的执行过程分析ARM指令的取指、译码、执行和写回过程解释ARM指令的流水线结构和流水线优化3.3 ARM编程实例介绍ARM编程的基本方法和技巧提供简单的ARM编程实例，让学员了解编程过程第四章：嵌入式系统设计和开发流程4.1 嵌入式系统设计原则讲解嵌入式系统设计的关键原则强调嵌入式系统设计的灵活性和可扩展性4.2 嵌入式系统开发流程介绍嵌入式系统开发的各个阶段阐述各阶段的主要任务和注意事项4.3 嵌入式系统开发工具和环境讲解常用的嵌入式系统开发工具和软件介绍嵌入式系统开发环境搭建的步骤和方法第五章：嵌入式系统硬件设计5.1 嵌入式系统硬件设计概述介绍嵌入式系统硬件设计的基本要求强调嵌入式系统硬件设计的可靠性和稳定性5.2 嵌入式系统硬件模块设计讲解嵌入式系统中的主要硬件模块分析各个模块的功能和相互之间的关系5.3 嵌入式系统硬件设计实例提供嵌入式系统硬件设计实例让学员了解硬件设计过程和注意事项第六章：嵌入式系统软件开发6.1 嵌入式操作系统概述介绍嵌入式操作系统的概念和分类强调嵌入式操作系统在嵌入式系统中的重要性6.2 嵌入式操作系统原理讲解嵌入式操作系统的核心组件和工作原理解释嵌入式操作系统的任务调度和资源管理6.3 嵌入式软件开发介绍嵌入式软件开发的基本方法和技巧提供嵌入式软件开发实例，让学员了解开发过程第七章：嵌入式系统应用案例分析7.1 嵌入式系统在工业控制中的应用分析嵌入式系统在工业控制领域的应用案例强调嵌入式系统在提高工业生产效率方面的作用7.2 嵌入式系统在消费电子中的应用讲解嵌入式系统在消费电子领域的应用案例探讨嵌入式系统在智能家居、可穿戴设备等领域的应用前景7.3 嵌入式系统在其他领域的应用介绍嵌入式系统在医疗、交通、教育等领域的应用案例展望嵌入式系统在未来各个领域的发展趋势第八章：嵌入式系统安全与防护8.1 嵌入式系统安全概述讲解嵌入式系统安全的重要性介绍嵌入式系统面临的安全威胁和攻击手段8.2 嵌入式系统安全防护策略阐述嵌入式系统安全防护的技术和方法强调安全防护策略在提高嵌入式系统安全性方面的作用8.3 嵌入式系统安全案例分析分析典型的嵌入式系统安全案例让学员了解嵌入式系统安全防护的实践应用第九章：嵌入式系统发展趋势与挑战9.1 嵌入式系统技术发展趋势分析嵌入式系统技术的发展趋势强调创新技术和新兴领域对嵌入式系统的影响9.2 嵌入式系统面临的挑战讲解嵌入式系统在发展过程中面临的挑战探讨应对挑战的方法和策略9.3 我国嵌入式系统发展现状与展望介绍我国嵌入式系统发展的现状展望我国嵌入式系统未来的发展前景第十章：总结与展望10.1 课程回顾总结本课程的主要内容和知识点强调嵌入式ARM教案在实际应用中的重要性10.2 实践与思考鼓励学员在实际工作中运用嵌入式ARM教案的知识提出针对性的思考题，引导学员深入思考和探索10.3 未来展望展望嵌入式系统领域的未来发展趋势强调继续学习和不断提升自身能力的重要性重点解析本文教案主要围绕嵌入式ARM系统进行讲解，涵盖了嵌入式系统的概述、ARM 处理器简介、ARM指令集和编程、嵌入式系统设计和开发流程、嵌入式系统硬件设计、嵌入式系统软件开发、嵌入式系统应用案例分析、嵌入式系统安全与防护、嵌入式系统发展趋势与挑战以及课程总结与展望等内容。

第1章嵌入式体系基本【1 】1.什么是嵌入式体系？它由哪几部分构成？有何特点？写出你所想到的嵌入式体系.答：（1）界说：国内对嵌入式体系的一般界说是：以运用为中间,以盘算机技巧为基本,软硬件可裁剪,从而可以或许顺应现实运用中对功效.靠得住性.成本.体积.功耗等严厉请求的专用盘算机体系.（2）构成：嵌入式处理器.外围装备.嵌入式操纵体系和运用软件等几部分构成.（3）特点：a.软硬件一体化,集盘算机技巧.微电子技巧.行业技巧于一体;b.须要操纵体系支撑,代码小,履行速度快;c.专用紧凑,用处固定,成本迟钝;d.靠得住性请求高;e.多样性,运用普遍,种类繁多.（4）嵌入式体系：小我数字助理（PDA）.机顶盒（STB）.IP德律风.2.嵌入式处理器分为哪几类？答：（1）低端的微控制器（MicroController Unit,MCU）;（2）中高端的嵌入式微处理器（Embeded MicroProcessor Unit,EMPU）;（3）通讯范畴的DSP处理器（Digital Signal Processor,DSP）;（4）高度集成的片上体系（System on Chip,SoC）.3.ARM英文原意是什么？它是一个如何的公司？其处理器有何特点？答：（1）英文原意：Advanced RISC Machines.高等精简指令集机械.（2）公司简介：该公司是全球领先的16/32位RISC微处理器常识产权设计供给商,经由过程将其高机能.低成本.低功耗的RISC微处理器.外围和体系芯片设计技巧让渡给合作伙伴来临盆各具特点的芯片.ARM公司已成为移动通讯.手持装备.多媒体数字花费嵌入式解决计划的RISC尺度.（3）其处理器特点：a.小体积.低功耗.低成本而高机能;b.16/32位双指令集;c.全球的合作伙伴浩瀚.4.什么是及时体系？它有哪些特点？若何分类？答：（1）及时体系的界说：及时体系（Real Time System）是指产生体系输出的时光对体系至关重要的体系.（2）特点：及时性.并行性.多路性.自力性.可猜测性.靠得住性.（3）分类：依据响应时光的不合,及时体系可分为3种类型：强及时体系.弱及时体系.一般及时体系.依据肯定性的不合,及时体系可分为2种类型：硬及时.软及时.5.RTOS由哪几部分构成？它有哪些特点？与一般操纵体系比拟有何不合？答：（1）构成：及时内核.收集组件.文件体系.图形用户界面.（2）特点：a.支撑异步事宜的响应;b.中止和调剂义务的优先级机制;c.支撑抢占式调剂;d.肯定的义务切换时光和中止延迟时光;e.支撑同步.（3）与一般OS的不合：a.及时性：响应速度快,只有几微秒;履行时光肯定,可猜测;b.代码尺寸小：只有10~100KB,节俭内存空间,下降成本;c.运用程序开辟较难;d.须要专用开辟对象：仿真器.编译器和调试器等.6.单片机体系.嵌入式体系和SOC体系三者有何差别和接洽？答：（1）今朝嵌入式体系的主流是以32位嵌入式微处理器为焦点的硬件设计和基于及时操纵体系（RTOS）的软件设计;（2）单片机体系多为4位.8位.16位机,不合适运行操纵体系,难以进行庞杂的运算及处理功效;（3）嵌入式体系强调基于平台的设计.软硬件协同设计,单片机大多采取软硬件流水设计;（4）嵌入式体系设计的焦点是软件设计（占70%阁下的工作量）,单片机体系软硬件设计所占比例基底细同.（5）SoC是嵌入式体系的最高实现情势,它集成了很多功效模块,它的焦点技巧是IP（Intellectual Property Core,常识产权核）核.7. 无第2章嵌入式体系开辟进程1.嵌入式体系开辟进程分为哪几个阶段？每个阶段的特点是什么？答：（1）需求剖析阶段：a.对问题的辨认和剖析;b.制订例格解释文档;c.需求评审.（2）设计阶段：a.数据流剖析;b.划分义务;c.界说义务间的接口.（3）生成代码阶段：a.代码编程;b.交叉编译和链接;c.交叉调试;d.测试.（4）固化阶段2.嵌入式体系有哪几种调试方法？如今最风行的是哪种？运用什么接口？答：（1）调试方法：源程序模仿器方法.监控器方法.仿真器方法.（2）如今最风行的是仿真器方法,运用JTAG(Joint Test Action Group,结合测试行为组)接口.3.什么是板级支撑包？它一般应完成哪些工作？答：（1）界说：有些嵌入式操纵体系的内核明白分为两层,上层一般称为“内核”,而底层则称为“硬件抽象层”或“硬件适配层”,缩写为HAL,有的厂商将硬件抽象层称为BSP,即板级支撑包（BoardSupport Package）.（2）重要完成工作：a.在体系启动时,对硬件进行初始化.B.为驱动程序供给拜访硬件的手腕.（3）重要感化：清除硬件差别.第3章 ARM体系构造1.ARM的英文全名是什么？ARM处理器有什么特点？答：见第1章课后习题第3题.2.ARM7和ARM9在流水线方面有何不合？答：ARM7是3级流水线构造,ARM9是5级流水线构造.AR]M9把3级流水线中的履行阶段的操纵进行再分派,即把履行阶段中的“存放器读”插在译码阶段中完成,把“存放器写”安插在另一级（即第5级）完成,同时,在该级之前,再安插一级（存储拜访）.3.ARM处理器支撑的数据类型有哪些？答：（1）Byte 字节,8位;（2）Halfword 半字,16位;（3）Word 字,32位;4.写出ARM运用的各类工作模式和工作状况.答：（1）工作模式：详见下表：（2）工作状况：a.ARM：32位,这种状况下履行字对齐的ARM指令;b.Thumb：16位,这种状况下履行半字对齐的Thumb指令.5.ARM处理器总共有若干个存放器？个中哪个用做PC？哪个用做LR?答：（1）ARM处理器总共有37个存放器：31个通用存放器,6个状况存放器. （2）R15用做程序计数器PC,R14用做子程序链接存放器LR.6.假设R0=0x12345678,运用将R0存储到0x4000的指令存到存储器中,若存储器为大端组织,写出从存储器0x4000处加载一个字节到R2的指令履行后R2的值.答：因为0x4000是大端组织,所以R0存进后,0x4000中稀有0x56781234,从0x4000加载一个字节到R2后（由地位到高位加载）,R2的值为0x34. 7.ARM920T处理器参加了哪两个协处理器？各自的重要功效是什么？答：ARM920T处理器参加了两个协处理器:(1)CP14,许可软件拜访调试通讯通道;(2)体系控制协处理器CP15,供给了一些附加存放器用于设置装备摆设和控制Caches.MMU.呵护体系.时钟模式和其他体系选项.8.ARM920T支撑哪些时钟模式？答：快速总线模式.同步模式.异步模式.9.什么是写直达和写回Cache操纵,各有何特点？答：（1）写直达：当CPU对Cache写射中时,Cache与主存同时产生写修正.长处：一致性好;缺陷：耗时.（2）写回：当CPU对Cache写射中时,只修正Cache的内容而不立刻写入主存,只当此履行被换出时才写回主存.长处：削减拜访主存次数,进步效力.缺陷：一致性差点.10.ARM为何集成了32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集？（即它的利益）答：可供给长的转移规模.壮大的算术运算才能和大的寻址空间.11.什么是big-endian和little-endian,编写一段程序测试你所用的盘算机体系构造采取哪种存储机制？答：（1）大端存储体系（big-endian）：低地址存放高字节,高地址存放低字节.小端存储体系（little-endian）: 低地址存放低字节,高地址存放高字节.（2）int x=0x12345678;int *p=&x;if(*(char*)p=0x78)…little endianelse…big endian第4章 ARM体系硬件设计基本1．一个典范的可履行映像由哪几部分构成？答：2.汇编和C说话的互相挪用办法.答：（1）汇编程序挪用C程序的办法为：起首在汇编程序中运用IMPORT伪指令事先声明将要挪用的C说话函数;然后经由过程BL指令来挪用C函数.（2）C程序挪用汇编子程序的办法为：起首在汇编程序中运用EXPORT伪指令声明被挪用的子程序,暗示该子程序将在其他文件中被挪用;然后在C程序中运用extern症结字声明要挪用的汇编子程序为外部函数. （填补）3.基于ARM的硬件启动流程？答：（1）分派中止向量表;（2）初始化存储器体系;（3）初始化各工作模式下的客栈;（4）初始化有特别请求的硬件模块;（5）初始化用户程序的履行情况;（6）切换处理器的工作模式;（7）挪用主运用程序.第5章基于S3C2410的体系硬件设计1.温习控制：P230 I/O口编程实例.填补：2.中止的处理流程？答：（1）保管现场;（2）模式切换;（3）获取中止源;（4）中止处理;（5）中端返回,恢复现场.3.中止存放器的感化及相干的操纵？P235-237.。

第一章嵌入式系统概论1.嵌入式系统的定义是什么？答：以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件、软件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

2.简述嵌入式系统的主要特点。

答：（1）功耗低、体积小、具有专用性（2）实时性强、系统内核小（3）创新性和高可靠性（4）高效率的设计（5）需要开发环境和调试工具3. 嵌入式系统一般可以应用到那些领域？答：嵌入式系统可以应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。

4. 简述嵌入式系统的发展趋势答：（1）嵌入式应用的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持（2）连网成为必然趋势（3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本（4）提供精巧的多媒体人机界面（5）嵌入式软件开发走向标准化5.嵌入式系统基本架构主要包括那几部分？答：嵌入式系统的组织架构是由嵌入式处理器、存储器等硬件、嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。

嵌入式系统一般由硬件系统和软件系统两大部分组成，其中，硬件系统包括嵌入式处理器、存储器、I/O系统和配置必要的外围接口部件；软件系统包括操作系统和应用软件。

6.嵌入式操作系统按实时性分为几种类型，各自特点是什么？答：（1）具有强实时特点的嵌入式操作系统。

（2）具有弱实时特点的嵌入式操作系统。

（3）没有实时特点的嵌入式操作系统。

第二章嵌入式系统的基础知识1.嵌入式系统体系结构有哪两种基本形式？各自特点是什么？答：冯诺依曼体系和哈佛体系。

冯诺依曼体系结构的特点之一是系统内部的数据与指令都存储在同一存储器中，其二是典型指令的执行周期包含取指令TF，指令译码TD，执行指令TE，存储TS四部分，目前应用的低端嵌入式处理器。

哈佛体系结构的特点是程序存储器与数据存储器分开，提供了较大的数据存储器带宽，适用于数据信号处理及高速数据处理的计算机。

2.在嵌入式系统中采用了哪些先进技术？答：（1）流水线技术（2）超标量执行（3）总线和总线桥3.简述基于ARM架构的总线形式答：ARM架构总线具有支持32位数据传输和32位寻址的能力，通过先进微控制器总线架构AMBA支持将CPU、存储器和外围都制作在同一个系统板中。

《嵌入式系统》课程教学大纲学分：3学时：64适用专业：电子信息、通信技术前导课程：电路分析基础、模拟电路、数字电路、高频电路、单片机原理、C语言后续课程：一、课程的性质和任务本课程围绕目前流行的32位ARM处理器和嵌入操作系统，讲述嵌入式系统的概念、软硬件组成、开发过程以及嵌入式应用程序和驱动程序的开发设计方法。

《嵌入式系统》是培养学生具有嵌入式系统的应用知识、嵌入式系统的初步分析能力和具有使用RTOS （实时操作系统）构成嵌入式系统的应用能力等方面的学科，是电子信息与计算机类或相关工科专业的一门专业课。

二、课程的教学基本要求本课程是一门综合性、实践性、应用性很强的专业课。

课程教学所要达到的目的是：使学生掌握嵌入式系统体系结构，嵌入式处理器结构（ARM架构为主），异常处理、系统控制过程、存储处理、ARM内部资源、各种I/O接口；嵌入式系统开发应用方法；实时多任务操作系统。

本课程将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。

三、教学内容和要求（一）理论教学内容和要求第一章：嵌入式系统的概况1、讲授内容：主要讲解嵌入式系统的定义、嵌入式系统的分类、嵌入式系统的组成及嵌入式系统的应用领域和发展趋势。

2、基本要求：使学生明确学习本课程的目的。

第二章：嵌入式系统的硬件基本知识1、讲授内容：1、ARM体系的硬件架构2、冯.诺依曼体系结构和哈佛体系结构3、RISC体系结构4、流水线技术2、基本要求：了解嵌入式系统的硬件基础。

第三章：嵌入式操作系统1、讲授内容：1、嵌入式操作系统的分类2、嵌入式操作系统的特点3、实时操作系统4、目前市场上流行的嵌入式操作系统2、基本要求：掌握嵌入式操作系统的分类和特点，明确实时操作系统的内核特点第四章：ARM架构的嵌入式微处理器1、讲授内容：目前基于ARM架构的嵌入式微处理器：I44B0，2410，LPC2000的架构及特点。

2、基本要求：要求掌握不同处理的的特点及使用场合。

第一章VLS知识点VLS（Very Large Scale integration）是指非常大规模集成电路技术，是现代集成电路技术的重要分支。

VLS技术的发展使得集成电路的规模大大增加，功能更加强大，性能更加优越。

本章将介绍VLS知识点的基础知识、设计原理、工艺和应用等方面的内容。

一、基础知识1.集成电路：将多个电子元件（如电晶体、电阻、电容等）集成到单个半导体晶片上的电路。

其主要特点是占用空间小、功耗低、可重复使用。

2.VLSI：非常大规模集成电路，是将成百上千个晶体管集成到一个微小的硅晶片上，使电路规模大大增加。

二、设计原理1.逻辑门电路：是通过逻辑门（与门、或门、非门等）来实现不同逻辑功能的电路。

逻辑门的输出结果仅与输入信号的逻辑关系有关。

2. 布尔代数：在逻辑门电路中，常用布尔代数来描述逻辑关系。

布尔代数是由数学家乔治·布尔（George Boole）创立的一种数学运算方法，用于描述逻辑关系和逻辑运算。

3.时序逻辑：逻辑电路的输出是由输入信号和时钟信号共同决定的。

时钟信号用于控制逻辑电路的工作时序。

三、工艺1.MOSFET：金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是VLSI集成电路中常用的基本元件。

其主要特点是体积小、功耗低、噪声低、可靠性高。

2.CMOS：互补金属-氧化物-半导体技术，是一种集成电路制造工艺。

CMOS技术结合了NMOS（n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管）和PMOS （p型金属-氧化物-半导体场效应晶体管）技术，具有功耗低、可靠性高的特点。

3.焊接技术：用于将船到的芯片和印刷电路板进行连接的一种技术。

常用的焊接技术有手工焊接、自动焊接、贴片焊接等。

4.接触孔技术：用于在不同层次的芯片之间进行电连接的一种技术。

接触孔技术将不同层次的芯片通过金属导线进行连接，实现不同层次之间的信号传输。

四、应用1.通信领域：VLSI技术的快速发展使得通信设备的功能大大增强。

在通信领域中，VLSI技术被广泛应用于芯片设计、信号处理、调制解调器等方面。