嵌入式系统及应用——第4章 嵌入式软件体系结构

《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。

《嵌入式系统及应用》教学大纲课程编号：06083017 适用专业：计算机科学与技术学时数：40+16 学分：开课学期：第7学期先修课程：计算机操作系统、数据结构、计算机组成原理、高级语言程序设计执笔者：罗蕾、桂盛霖编写日期：2013一、课程性质和目标授课对象：本科课程类别：专业核心课教学目标：本课程是计算机科学与技术专业的一门专业核心课程，属必修学科专业课。

它的前续课程是计算机组成原理、数据结构、计算机操作系统、高级语言程序设计等，为学生进一步学习和实践嵌入式系统相关知识打下基础。

课程目标：本课程将理论与实践结合起来，以嵌入式硬件的核心嵌入式微处理器及嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重点，以应用为目的，从硬件、软件、系统开发过程、环境、工具及方法等方面，对嵌入式系统进行系统性的讲解，能够让学生系统性地掌握嵌入式系统的原理，具备基本的嵌入式系统软件开发能力。

配合实验课程的实践活动，加深学生对理论知识的理解和掌握，并具备实际开发的能力和经验。

二、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法本课程共56学时，其中：课堂讲授40学时，上机16学时。

第1章嵌入式系统导论（4学时，多媒体课件结合板书面授）1.主要内容：嵌入式系统基本概念及特点，嵌入式系统分类，嵌入式系统发展历程，嵌入式系统的应用领域及嵌入式系统的发展趋势2.应达到的要求：了解：嵌入式系统的发展历程、应用领域，以及发展趋势。

理解：嵌入式系统的分类、嵌入式系统组成掌握：嵌入式系统的相关基本概念及特点、嵌入式系统的软件分类；第2章嵌入式硬件系统（14学时，多媒体课件结合板书面授）1.主要内容：嵌入式硬件的组成、特点、与通用处理器的异同；嵌入式微处理器的分类，主流的嵌入式微处理器（ARM/MIPS/PPC/SH等），嵌入式微处理器的发展；总线：片内总线，片外并行总线，片外串行总线；存储系统：组成、主存、外存、典型电子盘；ARM处理器介绍：体系结构、编程模式、指令集、异常处理、ARM V4T架构的指令体系（数据处理指令、加载存储指令、分支指令、状态寄存器访问指令、协处理器指令、异常处理指令）、Thumb指令集、ARM汇编语言程序设计（ARM程序的框架结构、C语言程序对汇编程序的调用、ARM与C语言混合程序设计）2.应达到的要求：本章是全课重点之一，要求通过本章学习，建立起嵌入式硬件系统的概念。

《嵌入式系统》教学大纲注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。

（-）课程地位《嵌入式系统》是自动化专业的一门实用性很强的专业选修课程，在“计控管” 一体化课程体系中，属于控制类课程群的核心课程，是检测和优化管理的基础。

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

是目前自动化装置实现的首选技术，有广泛的应用领域。

课程的任务是使学生了解嵌入式系统的基本原理和基本组成；掌握典型的ARM嵌入式处理器的硬软件特点和开发方法。

学生通过本课程的学习，使学生掌握嵌入式系统开发的基本方法，具备嵌入式系统的初步设计能力和实践技能。

（二）课程目标1.理解嵌入式系统的基本原理和基本组成，在思政教育方面理解其在建设各领域所发挥的作用。

2.掌握典型的ARM嵌入式处理器的硬软件特点和开发方法。

3,掌握典型的ARM嵌入式开发技能，为工程中自动化仪表和系统产品的设计、开发和生产打下技术基础。

二、课程目标达成的途径与方法以课堂教学为主，学生自学和综合性实验等途径和方法达成课程目标。

课堂教学主要讲述嵌入式系统的基本概念，基本原理、典型产品的硬软件资源、开发工具、系统设计和开发方法。

并将实例融入理论教学中，使学生能够更加容易理解抽象的理论知识，提高学习的兴趣，熟悉嵌入式系统技术知识体系，形成良好的思维方式和学习方法。

在课堂教学中, 充分引入互动环节，提高教学效果。

学生自学，针对某些较为容易理解或先期讲解较为充分的知识点，列出部分内容作为学生自主学习环节，训练、形成良好的专业知识学习方法，培养学生自主学习意识和能力。

综合性实验，学生在理解和熟悉硬软件资源和开发工具基础上，设计系统方案并实施，给出数据处理、结果分析及结论。

实现基本实践技能的训练，培养理论知识的应用能力、实验数据分析和处理能力、以及团队协助能力。

三、课程目标与相关毕业要求的对应关系四、课程主要内容与基本要求第一章ARM处理器概述掌握ARM处理器的架构了解STM32系列ARM处理器的特点与性能掌握ARM处理器系统的开发要点了解如何提高ARM处理器的开发技能第二章STM32应用基础了解STM32系列处理器选型指南掌握STM32处理器的内部结构、电源管理、时钟管理、存储结构与映射第三章STM32常用固件库的使用与编程了解STM32固件库概述掌握STM32外设固件库调用基础和各类固件库第四章GPIO端口的结构与编程应用掌握GPIO的硬件结构和功能、锁定与配置机制掌握I/O端口外设的映射、GPIO寄存器了解GPIO编程应用第五章STM32处理器的中断技术掌握STM32中断通道的管理、中断优先级的设置、外部中断/事件控制器了解STM32中断编程实例第六章STM32定时/计数器的编程应用掌握通用定时器TIMx的结构、RTC的功能与操作掌握系统时钟SysTick的功能与使用、看门狗定时器的功能与使用了解定时器的编程应用实例第七章串口通信技术与编程应用掌握USART的功能和内部结构、寄存器、收发格式、波特率的设置、硬件流控制、中断请求与模式配置了解USART编程应用实例第八章A/D转换器的接口与编程应用掌握ADC的主要特征与架构、通道选择与工作模式、校准与数据对齐、寄存器与中断了解ADC应用编程实例第九章STM32处理器综合应用实例掌握各应用原理了解各应用编程五、课程学时安排六、实践环节及基本要求七、考核方式及成绩评定表1考核方式及成绩评定表考核类别考查注：试卷中，课程目标1总分C1。

《嵌入式系统原理与应用》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：230449课程名称：嵌入式系统原理与应用英文名称：Principle and Application of Embedded System课程类别：专业课学时：72（其中实验18学时）学分：3.5适用对象: 计算机科学与技术业考核方式：考试（平时成绩占总评成绩的30%，期末考试成绩占70%）先修课程：计算机组成原理、操作系统、编译原理二、课程简介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。

The principle of embedded system is an important course of computer science and technology, which introduce the principles and the theory of embedded system.T his curriculum is tied closely with not only hardware but also embedded operating system and embedded software. It introduce the conception of embedded system, components of software and hardware, developing progresses and designing methods of embedded programming which based on the 32bit arm processor and operating system of opened linux.The knowledge of this course would be solid foundation for the student who would be engaged in researching or developing about embedded system.三、课程性质与教学目的嵌入式系统原理与应用课程的性质：该课程是计算机科学与技术专业的专业课。

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。

1.嵌入式系统的定义：一般都认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功能有严格要求的专用计算机系统。

2.嵌入式系统的特征：（1）通常是面向特定应用的。

具有功耗低、体积小和集成度高等特点。

（2）硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣, 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能满足功能、可靠性和功耗的苛刻要求。

（3）实时系统操作支持。

（4 ）嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也同步进行。

（5）为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般固化在存储器芯片中。

3.ARM嵌入式微系统的应用：工业控制、网络系统、成像和安全产品、无线通信、消费类电子产品。

4. ARM嵌入式微处理器的特点：（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。

（2）支持Thumb（16 位）/ARM（ 32位）双指令集，兼容8位/16位器件。

（3）使用单周期指令，指令简洁规整。

（4）大量使用寄存器，大多数数据都在寄存器中完成，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。

（5）寻址方式简单灵活，执行效率高。

（6）固定长度的指令格式。

5.嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户软件构成。

2.哈佛体系结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间。

3.嵌入式处理器主要有四种嵌入式微处理器（EMP）嵌入式微控制器（MC）嵌入式数字信号处理器（DSP、嵌入式片上系统（SoC）4.ARM7采用3级流水线结构，采用冯•诺依曼体系结构;ARM猱用5级流水线结构，采用哈佛体系结构。

5.ARM处理器共有37个32bit寄存器，包括31个通用寄存器和6个状态寄存器。

6.ARM体系结构可以用2种方法存储字数据，即大端格式和小端格式。

7.ARM处理器既支持32位的ARM旨令集又支持16位的THCM指令集。

8.ARM处理器有7种工作模式，他们分为两大类特权模式、非特权模式。