嵌入式系统及应用080723_银川

1、嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用课程建设课程建设电子科技大学桑楠 2008年7月23日2 计算机学院/软件学院 嵌入式系统课程概述 教学改革与教学实践 成果总结与教材介绍 课程重点与难点3 计算机学院/软件学院嵌入式系统课程概述教学改革与教学实践成果总结与教材介绍课程重点与难点4 计算机学院/软件学院课程发展历史最热门的计算机专业课程之一，介绍嵌入式系统应用开发所涉及的相关思想和方法。 第一阶段2000年以前课程：51单片机、DSP、CAN、地位：计算机专业的基础课、选修课涉及知识：处理器、现场总线、编程语言等实践教学：“纸上谈兵” 实验课（从属） 第二阶段2000年之后：嵌入式系统5 计算机

2、学院/软件学院问题与对策 存在的问题 重理论轻实践 纸上谈兵 围绕特定体系展开教学，忽略了对整体能力的培养 对学生个性化学习的需求关注不够 需要重点解决的两个问题 如何提高学生的对嵌入式系统的整体把握能力？ 如何考虑学生基础差异性？软件硬件 解决方法 体系结构思想、软件工程过程 分类强化实践，培养软硬件综合能力 教学重点使学生掌握嵌入式实时系统设计方法、培养实践能力。6 计算机学院/软件学院嵌入式系统课程概述教学改革与教学实践成果总结与教材介绍课程重点与难点7 计算机学院/软件学院电子科技大学成立于1956年，座落在具有几千年历史文明的巴蜀古都成都，由当时的交通大学、南京工学院、华南工学院三所

3、院校的电讯工程专业合并创建，为我国最早的七所重点国防院校之一；现为国家“211工程”和“985工程”重点大学；是国内唯一完整覆盖整个电子类学科，以电子信息科学技术为核心，以工为主，理工渗透，理、工、管、文协调发展的多科性大学，被江泽民同志誉为“我国电子类院校的排头兵”。 8 计算机学院/软件学院嵌入式方向培养目标面向电子与信息产业，通过课堂教学、专题讲座、综合实验、企业实训等多种形式，培养具备嵌入式系统，特别是嵌入式软件系统工程管理、技术开发所需要的基础知识，熟悉本行业IT应用特点、了解行业动态、适应市场需求、具备团队精神的高层次研发型、应用型和管理型人才计算机学院、软件学院9 计算机学院/软

4、件学院 电子科技大学“嵌入式系统及应用”课程的教学改革 基础软件为核心 嵌入式软件工程思想为指导 以实践强化软硬件综合能力 经过多年的探索与建设，已经基本形成一套比较完整的体系，2007年获国家精品课程10 计算机学院/软件学院计算机/软件学院的嵌入式系统课程 发展历程 早期：单片机、DSP、微机原理、编程语言、 科研：1990年，32位处理器，嵌入式实时操作系统研究 研究生： 1997年，嵌入式实时操作系统、实时系统 本科生： 2002年，嵌入式系统及应用11 计算机学院/软件学院 教材变更 1997年：国外资料，VRTXsa x86/fpm 2001年：讲义，DeltaOS x86/fpm

5、嵌入式实时操作系统及应用开发 2002年：嵌入式系统原理及应用开发技术，北航出版社 2005年：嵌入式实时操作系统及应用开发，北航出版社 2008年：嵌入式系统原理及应用开发技术（第2版），高教出版社12 计算机学院/软件学院 嵌入式系统系课程体系 嵌入式系统与应用（导论） 嵌入式处理器 嵌入式操作系统及应用 嵌入式实时软件设计 嵌入式计算机网络 嵌入式软件测试技术 嵌入式应用专题（应用解决方案）13 计算机学院/软件学院本课程建设的主要内容n教学内容的组织方式: 理论联系实际，理论为基础，应用为目的，实验为重点。n教学方法： 以嵌入式软件工程思想做为贯穿各主题的主线。 启发式、范例式、互动式

6、；学教并重 实践训练体系：基础实验；选做实验；创新实验 考核方式: 笔试(55%)课程实验(25%)平时练习(20%) 辅助方式：嵌入式系统课程设计14 计算机学院/软件学院教学内容的组织与教学方法 以嵌入式系统开发过程为主线 嵌入式系统基础及应用领域 嵌入式硬件及其选择 嵌入式软件体系结构 嵌入式实时操作系统 嵌入式实时软件设计实时设计模式 嵌入式软件开发交叉、仿真开发技术 嵌入式软件测试时间相关测试 重点 嵌入式系统与通用系统的差异 特殊基础算法、技术交叉；时间相关15 计算机学院/软件学院示例主题1：应用领域16 计算机学院/软件学院示例主题2：典型应用框架采样控制系统17 计算机学院/

7、软件学院示例主题3：体系架构18 计算机学院/软件学院示例重点1：嵌入式与通用的差异 应用的差异性 面向领域、专用、环境相关、 操作系统的差异性 调度、存储、中断、共享资源、系统重入、 开发方法的差异性 交叉开发、远程开发、仿真开发、软硬件协同 嵌入式软件工程 功能、性能的差异性 面向领域、专用、环境相关 .19 计算机学院/软件学院示例重点1 ：存储管理的差异通用操作系统一般采用虚拟存储管理机制，内存使用有很强的不可预测性。 RTOS中大多采用静态内存划分的方式，可预测性强。即使使用虚存，也要在原有虚存管理机制的基础上增加页面锁功能，将关键页面锁定在内存中，从而不会被swap程序将该页面交换

8、出内存。 20 计算机学院/软件学院示例重点2：嵌入式任务创建与结构硬实时：初始化创建所有任务21 计算机学院/软件学院示例重点3：实时、可靠、可裁剪按实时系统的广义定义：绝大多数嵌入式系统都是实时系统，有实时性要求。一个嵌入式系统就是一个IT产品，环境相关，对可靠性有极高要求。嵌入式系统的功能性能够用即可，可以随应用环境的变化而增减。22 计算机学院/软件学院实践能力的培养 主要途径基本编程训练：结合其他课程课程实验教学：基本实践能力嵌入式课程设计：较大的综合应用系统课外实践活动：竞赛、创新团队 主要方法多层次、多方位的实践训练多种手段激发学生学习兴趣给不同程度的学生以不同的发展空间网络化辅

9、助教学：精品课程网站23 计算机学院/软件学院基本实践能力培养围绕教学主线，配合基本实践 基本原理的复习：课下/在线作业 算法推演基本的验证实验：交叉开发环境，设备驱动、内核调度、面向应用的综合实践课程设计：无线传感器网络、嵌入式中间件产学研结合：企业实训鼓励个性化、自主学习学生根据自身水平和兴趣，选择适合的训练方式提供丰富的资源供学生自学24 计算机学院/软件学院创新实践能力培养各种类型的嵌入式应用竞赛国内：大学生嵌入式系统设计大赛企业：Motorola嵌入式系统设计大赛校内：校庆杯、通讯杯、自动化杯、学生创新工作组、团队微软俱乐部：微软嵌入式技术IBM俱乐部：基于嵌入式Linux的开发梦飞

10、工作组：移动通信加入科研项目组数字流媒体技术无线网络技术嵌入式操作操作系统技术25 计算机学院/软件学院实验示例：基本原理实验实验环境硬件：WS905实验箱，PXA255 CPUOS：WinCE 4.2工具：EVC，WinCE 4.2 BSP & SDK，Bootloader，实验重点利用EVC开发和调试WinCE平台应用软件的方法WinCE嵌入式操作系统 实验内容WinCE开发环境搭建WinCE 应用程序界面开发WinCE线程与内核调度、功耗管理WinCE进程间通信、同步26 计算机学院/软件学院精品课程网站：辅助教学的重要途径27 计算机学院/软件学院精品课程网站：案例教学28 计

11、算机学院/软件学院精品课程网站：在线测试29 计算机学院/软件学院嵌入式系统课程概述教学改革与教学实践成果总结与教材介绍课程重点与难点30 计算机学院/软件学院 科研成果嵌入式实时操作系统嵌入式软件开发平台构件、中间件嵌入式实时网络嵌入式系统应用 相关教材嵌入式系统原理及应用开发技术桑楠嵌入式实时操作系统及应用开发罗蕾嵌入式系统的微模块化程序设计敬万均好的教材源于科研成果、教学改革和教学实践，能体现该领域的技术发展。31 计算机学院/软件学院最初的设想：以开发过程所涉及知识为线索 嵌入式系统概论嵌入式系统定义；嵌入式系统特点；嵌入式系统基本结构 嵌入式系统硬件嵌入式处理器；FPGA与CPLD；

12、常用芯片与外设；嵌入式硬件开发技术 嵌入式系统软件嵌入式软件体系结构；嵌入式操作系统；BSP及Boot Loader；嵌入式应用软件设计方法；嵌入式软件编程 嵌入式应用开发嵌入式系统开发工具；嵌入式系统测试 前沿技术介绍 典型应用案例嵌入式系统原理及应用开发技术（第2版）32 计算机学院/软件学院教材的编写目标：全过程覆盖，导论 融合多种知识计算机组成原理、编程语言、编译原理、操作系统、软件工程、 突出嵌入式特色嵌入式软件工程思想；嵌入式系统软硬件依赖、实时、可靠、低功耗等特性；嵌入式软件程序开发 培养嵌入式系统设计师嵌入式系统产品方案规划、体系架构选择、处理器和芯片选型、操作系统应用、总体及

13、详细设计、可靠性测试评估等方面的综合能力33 计算机学院/软件学院教材的特点 软硬件结合即使是嵌入式软件分析设计，也需要考虑硬件依赖关系 嵌入式与实时相互包容 软硬件体系架构嵌入式系统可信性的基本保障 软件工程思想规范化；高效；设计 开发方式的转化交叉与仿真并重34 计算机学院/软件学院第一章 引言从无所不在的嵌入式系统开始，全面概述嵌入式系统的方方面面。1.1 无所不在的嵌入式系统 1.2 嵌入式系统定义实时系统1.3 嵌入式系统的特征 1.4 嵌入式系统的发展历程1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统基本结构 1.7 嵌入式系统的设计要求 1.8 嵌入式应用开发 35 计算机学院/软

14、件学院第二章 ARM嵌入式处理器 从嵌入式处理器的基本概念入门，以ARM920T微处理器为例详细介绍处理器的体系结构、寄存器组织、工作状态、运行模式、指令系统、片内周边电路等，帮助用户理解嵌入式处理器及其使用。2.1 嵌入式处理器概述硬件基本构成；处理器体系结构、分类、相关技术2.2 ARM嵌入式微处理器体系结构2.3 ARM指令系统 2.4 基于ARM9的S3C2410X处理器片内电路：存储、时钟、电源、I/O、LCD、36 计算机学院/软件学院强调片内周边资源周边资源的基本原理、功能、设计电路2.4.1 存储控制器 2.4.2 Nand Flash控制器2.4.3 时钟和电源管理USB时钟

15、、功耗2.4.4 I/O端口2.4.5 PWM定时器2.4.6 通用异步收发器2.4.7 中断控制器2.4.8 直接存储器存取2.4.9 LCD控制器 37 计算机学院/软件学院第三章基于ARM的嵌入式系统外围硬件设计 基于S3C2410X处理器的硬件系统设计3.1 嵌入式处理器系统硬件设计 3.1.1 芯片选型原则3.1.2 电源模块设计3.1.3 时钟模块设计3.1.4 复位电路设计 3.2 嵌入式存储器系统设计 3.2.1 Flash接口电路设计3.2.2 SDRAM接口电路设计3.3 其他接口设计 3.3.1 UART串行接口3.3.2 USB接口电路的设计3.3.3 JTAG电路以及

16、调试方式38 计算机学院/软件学院第四章嵌入式软件体系结构从软件体系结构的基本概念出发，讨论嵌入式软件所采用的基本体系结构模型，提倡基于体系结构的设计。4.1 软件体系结构的基本概念 4.2 软件体系结构的基本概念 4.3 软件体系结构的发展历程 4.4 通用软件体系结构4.5 轮询系统 4.6 前后台系统 4.7 实时多任务系统4.8 多处理器系统 39 计算机学院/软件学院第五章嵌入式实时操作系统探讨嵌入式操作系统的特点、体系结构和重要组成部分，分析典型的嵌入式实时操作系统实例。5.1 什么是嵌入式操作系统 5.2 关键术语 5.3 RTOS的特点 5.4 RTOS的体系结构 5.5 RT

17、OS的分类 5.6 实时内核 5.7 RTOS扩展组件 5.8 典型的RTOS 5.9 RTOS发展趋势 40 计算机学院/软件学院实时内核最关键的部分，以系统调用形式提交用户5.6.1 任务管理5.6.2 任务间的通信 5.6.3 中断 5.6.4 时钟管理 5.6.5 内存管理 微内核的思想；实时体现41 计算机学院/软件学院RTOS扩展组件公共资源扩展，面向应用的服务5.7.1 嵌入式GUI 5.7.2 嵌入式网络 5.7.3 嵌入式文件系统 5.7.4 嵌入式数据库 5.7.5 流媒体支持 5.7.6 功耗管理 5.7.7 用户接口 42 计算机学院/软件学院第六章板级支持包与系统引导

18、嵌入式系统非常重要的组成部分。正确的BSP软件，是嵌入式系统正常启动和可靠运行的保证。6.1 嵌入式软件运行过程 6.2 板级支持包 6.2.1 BSP的概念6.2.2 BSP中驱动程序6.2.3 BSP和BIOS的区别6.2.4 RTOS的BSP6.3 RTOS的引导模式需要不需要Boot Loader；实例 6.4 Boot Loader概念；开发43 计算机学院/软件学院第七章嵌入式软件设计方法从嵌入式软件工程的基本概念、嵌入式软件体系结构出发，介绍嵌入式软件的设计特点、可用于嵌入式应用开发的分析设计方法。7.1 嵌入式软件工程概述 7.1.1 嵌入式软件的生命周期 7.1.2 并发任务

19、 7.1.3 信息隐藏 7.2 嵌入式软件的分类 7.3 嵌入式软件的特点 7.4 嵌入式软件设计方法 7.5 嵌入式软件设计的一些基本原则 44 计算机学院/软件学院嵌入式软件设计方法嵌入式软件质量已逐渐成为制约嵌入式系统的最大问题。如何在软件设计过程中提供更高的实时性、可靠性和可用性保障，降低系统成本，缩短系统开发周期，是嵌入式软件系统开发需要解决的首要问题 7.4.1 嵌入式软件开发过程 7.4.2 常规设计方法结构、模块、数据流图、Petri网、状态图7.4.3 实时多任务设计方法RTSAD、DARTS、OO7.4.4 新的设计方法软硬件协同、构件、中间件45 计算机学院/软件学院第八

20、章嵌入式软件编程高性能的汇编；高效的C、C+、Java；面向应用的选择。8.2 嵌入式程序设计语言8.3 汇编语言GAS；AT&T8.4 C语言gcc；C51；浮点运算8.5 C与汇编混合编程8.6 嵌入式Java8.7 编程规范46 计算机学院/软件学院第九章嵌入式软件开发环境“工欲善其事，必先利其器” 。嵌入式软件特性的挑战 9.2 交叉开发技术9.3 仿真开发技术9.4 开发环境提供的主要工具 9.5 GNU的嵌入式开发环境9.6 Windriver的集成开发环境 9.7 仿真开发工具ARMulator 47 计算机学院/软件学院交叉开发与仿真开发48 计算机学院/软件学院第十章

21、嵌入式系统可靠性测试与评估软件可靠性的问题逐渐突出起来，成为系统可靠性的一个瓶颈。10.1 软件测试与可靠性评估10.2 嵌入式软件测试10.3 软件可靠性测试10.4 嵌入式软件的可靠性测试与评估10.5 嵌入式系统可靠性评价10.6 嵌入式系统可靠性相关技术的进展49 计算机学院/软件学院第十一章前沿技术简介 越来越多的新技术被引入嵌入式领域，引领着嵌入式应用的发展方向。10.1 SoC技术10.1.1 SoC的产生及定义10.1.2 IP Core 10.1.3 SoC的设计验证方法10.2 嵌入式高可信计算技术10.2.1 可信的特征10.2.2 防危、安全、可靠 10.2.3 典型的

22、可信保障技术50 计算机学院/软件学院可信的特征、方法、损害51 计算机学院/软件学院嵌入式系统课程概述教学改革与教学实践成果总结与教材介绍课程重点与难点52 计算机学院/软件学院 作为嵌入式系统的入门课程，如何引导学生突破传统学科的思维方式，建立嵌入式系统开发的新思维 如何及时帮助学生掌握嵌入、实时、软硬件结合、体系结构、交叉、仿真等重要概念及应用 如何引导学生以嵌入式软件工程的思想去分析解决问题 如何指导学生编写合格的嵌入式应用软件课程目标53 计算机学院/软件学院重点：嵌入式概念嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用系

23、统。面向应用多种技术融合环境适应专用54 计算机学院/软件学院重点：嵌入式与通用的异同 相同处：总体的结构思想、大框架 相异处：嵌入式概念、实时理念、环境关联程度 关联处：通用基础上的扩展限制嵌入式嵌入式OS通用通用OS内存管理内存管理主要使用静态内存划分采用虚拟存储机制中断管理中断管理多数中断处理转化为周期性查询任务；执行次序由统一考虑的优先级决定中断处理优先于任务执行共享资源访问共享资源访问存在优先级逆转问题信号量机制处理互斥访问55 计算机学院/软件学院 嵌入式产品：硬件+软件 嵌入式系统开发：软硬件开发 嵌入式软件：依赖嵌入式处理器、外设 系统初始化: 板级初始化 外设使用：驱动程序 SoC设计：软硬件综合设计重点：软硬件结合56 计算机学院/软件学院 系统开发存在的问题：部分通用，部分相似 解决方法：提供一般性的、形式化的解决方案 实质: 嵌入式系统的设计模式 体系结构 体系结构体现的内涵：系统设计思路；性能（可预测、可调度、可信等）；资源使用；可移植性；功耗成本重点：软硬件体系结构57 计算机学院/软件学院 教学重点：以任务为核心的程序设计 任务结构：无限循环结构 重点：嵌入式程序结构void