《嵌入式系统原理和应用》教学大纲

《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。

第三章嵌入式软件系统

教学内容：

3.1嵌入式软件系统概述、分类、体系结构

3.2嵌入式操作系统简介

3.3嵌入式软件开发工具

教学目的：

了解嵌入式软件系统的体系结构、分类和运行流程、掌握嵌入式操作系统的功能和特点、基本掌握嵌入式软件开发工具的特点和软件开发的过程、了解嵌入式软件开发工具的发展趋势。

教学重点：

软件同传统的工业相比的独特性质、嵌入式软件的特点、嵌入式软件的分类、嵌入式软件体系结构、嵌入式软件运行流程、嵌入式操作系统的分类、嵌入式操作系统的体系结构、嵌入式操作系统的组成、内核的功能、嵌入式操作系统的发展趋势

教学难点：

嵌入式软件体系结构、嵌入式操作系统的体系结构、嵌入式操作系统的组成、内核的功能

教学方法：

课堂讲授为主，结合课堂练习为辅，布置部分作业。

第四章嵌入式实时内核基础

教学内容：

4.1嵌入式实时内核的关键设计问题

4.2嵌入式实时内核的主要功能

4.3嵌入式实时内核的重要性能指标

教学目的：

掌握嵌入式实时内核的实时性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性的具体含义和影响因素、了解实时内核的任务管理、中断管理、时间管理、共享资源的互斥管理、同步与通信管理、内存管理、IO管理、出错管理、用户扩展管理和电源管理的主要内容、掌握嵌入式实时内核的重要性能指标

教学重点：

实时性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性、应用编程接口、任务管理、中断管理、时间管理、共享资源的互斥管理、同步与通信管理、内存管理、

IO管理、出错管理、用户扩展管理、电源管理、中断时序图、中断延迟时间、内核最大关中断时间、中断响应时间、中断恢复时间、非屏蔽中断、中断处理时间、任务上下文切换时间、任务响应时间、系统调用的执行时间教学难点：

实时性、任务管理、中断管理、时间管理、共享资源的互斥管理、同步与通信管理、内存管理、IO管理、出错管理、用户扩展管理、电源管理、中断时序图

教学方法：

课堂讲授为主，结合课堂提问为辅，布置部分作业。

第五章任务管理与调度

教学内容：

5.1任务管理与调度概述

5.2任务的概念、任务管理、任务调度

5.3优先级反转、多处理器调度

教学目的：掌握任务的定义、任务的三种基本状态转变、掌握在嵌入式系统中各种调度算法的具体思想、掌握优先级反转解决机制，时序图和多处理器调度算法。

教学重点：

任务管理与调度概述、任务的概念、特性、内容、参数、任务管理、任务控制块、任务切换、任务队列、任务管理机制、优先级抢占调度、时间片轮转调度、静态调度、动态调度、静态调度与动态调度的比较、优先级反转、优先级继承协议、优先级天花板协议、多处理器调度。

教学难点：

任务管理机制、优先级抢占调度、时间片轮转调度、静态调度与动态调度的比较、优先级天花板协议、多处理器调度

教学方法：

课堂讲授为主，结合课堂提问为辅，布置部分作业。

第六章同步、互斥和通信

教学内容：

6.1信号量、邮箱与消息队列

6.2事件与异步信号

教学目的：

掌握信号量的分类及其基本用法、掌握用PV操作来实现任务之间的同步、了解嵌入式系统中的邮箱、消息队列、事件和异步信号机制

教学重点：

信号量的种类及用途、互斥信号量、二值信号量、计数信号量、信号量机制的主要数据结构、信号量机制的主要功能、任务间的通信方式、消息、邮箱、队列、消息队列机制的主要数据结构、消息队列机制的主要功能、事件机制、事件机制的主要数据结构、事件机制的主要功能、异步信号机制的概述、异步信号机制与中断机制的比较、异步信号机制与事件机制的比较、异步信号机制的主要数据结构、异步信号机制的主要功能

教学难点：

任务间的通信方式、消息队列机制的主要功能、事件机制的主要功能、异步信号机制的主要功能

教学方法：

课堂讲授为主，结合课堂提问为辅，布置部分作业。

第七章中断和时间管理

教学内容：

7.1中断管理

7.2时间管理

教学目的：

掌握中断的概念、分类、中断的处理过程、了解实时内核的中断管理和用户中断服务程序、了解时间管理的基本功能、差分时间链在时间管理中的应用。教学重点：

中断的分类、中断处理过程、实时内核的中断管理、硬件时钟设备、时间管理

教学难点：

中断处理过程、时间管理

教学方法：

课堂讲授为主，结合课堂提问为辅，布置部分作业。

第八章内存管理和I/O管理

教学内容：

8.1内存管理

8.2 I/O管理

教学目的：

掌握在嵌入式操作系统中内存管理的基本方法、了解内存管理机制、了解I/O 管理的基本功能

教学重点：

内存保护、内存管理机制、固定大小存储区管理、可变大小存储区管理、内存映射、I/O管理的功能、I/O系统的实现考虑

教学难点：

内存管理机制、I/O管理的功能、I/O系统的实现

教学方法：

课堂讲授为主，结合课堂提问为辅，布置部分作业。

五、学时分配表

六、课程教材及主要参考资料

[1]罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发.北京航空航天大学出版社.2011

[2]贾智平.嵌入式原理与接口技术.清华大学出版社.2009

[3]来清民、来俊鹏.ARM Cortex-M3嵌入式系统设计和典型实例：基于LM3S811.北京：北京航空航天大学出版社.2013

[4] 黄智伟.32位ARM微控制器系统设计与实践——基于Luminary Micro LM3S

系列CortexM3内核.北京：北京航空航天大学出版社.2010

七、课程考核方式及成绩评定

本门学科为考查课，平时占50%，期末占50% ，期末考试采用闭卷考试的方法。

《嵌入式系统原理与应用》实验教学大纲

一、实验教学目的：

本课程是与《嵌入式系统原理与应用》并行开设的实验课程。实验内容涉及嵌入式软硬件设计、任务调度、中断处理、内存管理等内容，帮助学生深入了解系统内核，学会用相应的编译软件进行程序调试，提高学生的独立分析问题、解决问题的能力、动手能力和创新能力，为将来从事计算机应用方面的实际工作打下牢固的基础。

二、实验教学基本要求

实验教师课前必须认真做好准备，检查仪器、设备是否完好，材料是否齐全。每次实验前，教师应认真书写教案并预做实验。实验教师应占用一定的实验课时间讲明与本实验有关的理论知识、实验方法、原理及操作注意事项。在实验中，教师应随时注意对学生进行实验指导，注意审核学生实验结果的科学性，并要求学生对实验结果能作出必要的解释。对实验操作不规范或实验结果不符合要求的，应予以认真纠正或让其重做。实验完成后，教师要认真检查学生实验结果数据，并签字认可。在整个实验中善于启发学生的创新思维，认真评判学生的实验报告，在学期末安排必要的实验考核。给出本学期学生试验的综合成绩。

三、实验内容、学时分配及主要仪器设备

主要仪器设备:嵌入式开发实验箱、PC机系统

四、实验教材、参考书

[1]罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发.北京航空航天大学出版社.2011

[2]来清民、来俊鹏.ARM Cortex-M3嵌入式系统设计和典型实例：基于

LM3S811.北京：北京航空航天大学出版社.2013

[3] 黄智伟.32位ARM微控制器系统设计与实践——基于Luminary Micro

LM3S系列CortexM3内核.北京：北京航空航天大学出版社.2010

[4] EL-EMCU-I实验指导书.北京精仪达盛科技有限公司

五、考核方式

平时做实验表现占实验课成绩的70﹪，每次实验后的实验报告成绩为平时成绩，占总成绩的30﹪。最终实验课的总评成绩按百分制给出。