《嵌入式系统应用开发》课程教案

教师教案（2025—2026学年第1学期)课程名称：嵌入式系统应用开发授课学时：64授课班级：2023级XX学院各专业任课教师：教师职称：教师所在系别：XX学院教务处课程名称嵌入式系统应用开发授课专业XX学院各专业班级2023级各专业班课程编号

D401007修课人数课程类型必修公共基础课()；学科基础课(V)；专业核心课()选修专业选修()；任选课（）；公选课()；理论课(V)；实践课(V)授课方式课堂讲授为主（V）；实验为主（V）；自学为主（）；专题讨论为主（）；其他：是否采用多媒体授课是考核方式及成绩构成考试()考查(V)成绩构成及比例：实验40%+作业10%+考试50%是否采用双语教学是学时分配讲授24学时；实验24学时；上机学时；习题学时；课程设计学时教材名称作者出版社及出版时间自编[1]嵌入式系统原理与应用—基于STM32硬件和Proteus仿真周银祥北京:电子工业出版社,2025.7参考书目[1]嵌入式系统原理与实践—基于CortexM3（STM32）（上册）.[2]嵌入式系统原理与实践—基于CortexM3（STM32）（下册）.[3]STM32F10x微控制器数据手册[4]STM32F10x微控制器参考手册周银祥武汉:华中科技大学出版社,2018.8武汉:华中科技大学出版社,2020.9授课时间第1周——第16周第1章概述（6学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）1.1 嵌入式系统概述1.1.1 嵌入式系统的定义（掌握）IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义：devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants（“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”）。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，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。通俗的说，就是将计算机的硬件和软件嵌入到应用系统如消费电子、智能仪器、网络通信、计算机外围设备、军事装备等中，构成具有智能控制的系统，即嵌入式系统。1.1.2 嵌入式系统的组成（掌握）嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。它一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。1.2ARM处理器概述1.2.1英国ARM公司ARM即AdvancedRISCMachines的缩写,既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。英国ARM公司概况如下。国家：英国（欧洲）；行业：电子半导体微处理器智能手机；总部：英国剑桥；CEO：沃伦.伊斯特；竞争对手：英特尔；市场份额：手机处理器90%的市场份额，上网本处理器30%的市场份额，平板电脑处理器80%的市场份额。1.2.2ARM微处理器1.3 STM32微控制器概述ST公司的STM32系列32位微控制器是基于ARMCortex-M的处理器，旨在为微控制器用户提供新的开发自由度。1.3.1 STM32微控制器分类STM32微控制器主要有以下4类。• STM32主流微控制器。• STM32无线微控制器。• STM32超低功耗微控制器。• STM32高性能微控制器。1.3.2 STM32主流微控制器1. STM32F0系列2. STM32G0系列3. STM32F1系列STM32F1系列，是STM32系列32位ARMCortexMCU的先锋产品，可实现高性能，通过简单架构和易用工具，使一流外设以可接受的价格高度集成。4. STM32F3系列5. STM32G4系列1.3.3 STM32F1系列微控制器该系列包含5个产品线，它们的引脚、外设和软件均兼容。• STM32F100，24MHzCPU，具有电机控制和CEC功能。• STM32F101，36MHzCPU，具有高达1MB的Flash。• STM32F102，48MHzCPU，具备USBFS。• STM32F103，72MHzCPU，具有高达1MB的Flash、电机控制、USB和CAN。• STM32F105/107，72MHzCPU，具有以太网MAC、CAN和USB2.0OTG。。1.3.4 STM32F103微控制器STM32F103按照引脚数量和内部存储器大小构成有29种规格型号，如图1-2所示。1.4 STM32F103的内部结构图1-3是该系列产品的内部框图。1.5 STM32F103的时钟STM32的时钟是很复杂的，其时钟树如图1-4所示。1.6 STM32F103的外部引脚大容量STM32F103xx中以STM32F103VE为例，LQFP1001-5所示。1.7 STM32F103的存储器映像1-61.9 STM32系列产品命名规则STM32系列产品命名规则。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）嵌入式系统的定义。嵌入式系统的结构与组成。ARM处理器。STM32微控制器概述、内部结构、外部引脚，存储器映像等。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）教师理论讲授，提问学生参与。四、作业1.嵌入式的定义是什么？结合具体的产品说明一下。2.到ARM公司官方网站阅读有关ARM处理器的资料，了解ARM处理器的情况。3.查找ARMCortexM3、A8实验/开发板，看看相关的介绍。4.画出STM32F103VET6的内部框图。5.简述AMBA总线。6.简述STM32F103VET6的输入、输出的高、低电平。7.理解STM32F103xx的型号规格。五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）1.《嵌入式系统专业教育讲座》，讲座教师，周密高工，微电子技术系，2008.9。2.网络资料。六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第2章STM32开发环境（6学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）2.1STM32开发工具软件2.1.1 MDK的安装RealViewMDK，全称是RealViewMicrocontrollerDevelopmentKit，是德国Keil公司的微控制器集成开发环境，包括了编辑、编译、仿真、下载等工具，可以到keil官方网站下载该软件，或者从第三网站下载。建议安装两个版本3.8a版、4.74版，也可以安装新的版本如5.23版（需要同时安装MDKCM524.EXE），分别安装在D盘、E盘，并分别设置打开不同版本的工程文件。ST官方的STM32例程使用的库函数，典型的版本有V2.0.1和V3.5.0，建议分别使用MDK3.8a版打开V2.0.1版例程、MDK4.74版打开V3.5.0版例程。在WIN7/WIN8/WIN10下，最好用administrator登录，使用MDK3.8a或者4.74版。2.1.2 STM32CubeMX的安装STM32CubeMX是一个图形工具，通过一步一步的过程，简单容易地配置STM32微控制器和微处理器的相应初始化C代码和建立工程。2.1.3 Proteus软件的安装Proteus提供原理图设计、单片机编程、系统仿真和PCB设计功能。2.1.4 STM32硬件仿真器驱动程序的安装ST-LINK/V2调试器和编程器的驱动程序stsw-link009到ST官网下载，双击dpinst_amd64.exe开始安装，如图2-14所示。也可以在D:\Keil_v5\ARM\STLink\USBDriver中双击dpinst_amd64.exe开始安装2.1.5 USB转串口驱动的安装使用专用集成电路如PL-2303、CP2102、CH340等，通过USB接口来虚拟出UART实现串行通信。2.2STM32实验板STM32最小开发系统板，与教材配套的AS-07型实验板以及ST官方的Nucleo实验板和STM3210E-EVAL评估板。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）RealViewMDK、STM32CubeMX、Proteus软件的安装和使用。使用Proteus设计STM32最小开发系统。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）讲授和演示。四、作业1.下载并安装MDK5.36。2.下载并安装STM32CubeMX6.5.0。3.下载并安装Proteus8.13。五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第3章STM32基础入门（26学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）3.1GPIO的结构及编程应用1．GPIO概述每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。2.GPIO库函数库函数：GPIO_DeInit函数。GPIO_AFIODeInit函数。GPIO_Init函数。3.通用I/O接口的编程方法通用I/O接口的编程方法，可以只直接寄存器操作，最好采用库函数的编程方法。【实验3-1】点亮或熄灭LED（标准库）硬件设计STM32F103xx驱动LED电路的原理图见图3-6。2.软件设计（编程）（1）设计分析I/O特性见本书的2.4节的内容。PC6输出高电平1点亮LED，输出低电平0熄灭LED。（2）程序源码 （省略）实验过程与现象见本书的3.2节。【实验3-2】点亮或熄灭LED（HAL库）1.硬件设计STM32F103xx驱动LED电路的原理图见图3-6。2.软件设计（编程）（1）设计分析I/O特性见本书的2.4节的内容。PC6输出高电平1点亮，输出低电平0熄灭LED。使用库函数GPIO编程步骤：使能GPIO的时钟；设置GPIO的方向；GPIO输出0或者1，输入0或者1。（2）程序源码（省略）实验过程与现象见本书的3.2节。3.2STM32的实验过程STM32开发或实验过程，分两大部分，即硬件设计和软件设计。这里假设已经完成STM32实验板的硬件设计，只介绍软件设计，重点是MDK的使用、程序的下载和运行等。使用MDK集成开发环境自建MDK工程进行STM32的实验过程，分为以下4大步骤。1. 关闭原工程，新建工程，选择相应的MCU。2. 编写源程序并添加到该工程中。3. 编译、链接、调试源程序。4. 仿真、调试程序，下载并运行验证程序。推荐使用STM32标准库V3.5.0和HAL库STM32Cube_FW_F1_V1.8.5的工程模板，不需要自建工程，也可以使用STM32CubeMX创建工程并初始化。3.3STM32的复位和时钟控制（RCC）STM32F10xxx系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz时钟。3.3.5 RCC编程应用RCC编程应用，主要就是按照时钟树来配置需要的时钟，通常按照图3-73所示;RCC编程应用，主要就是按照时钟树来配置需要的时钟。实验3-3 LED流水灯（标准库）使用STM32的V3.5.0版库函数和完整RCC配置，范例IOToggle。实验3-4 Proteus仿真STM32：LED流水灯（标准库）使用Proteus仿真STM32F103R6实现。实验演示PC6、PC7、PA5驱动外接的LED实现流水灯。3.4STM32的中断和事件1.STM32F103xx增强型产品内置NVIC（Nestedvectoredinterruptcontroller,嵌套向量中断控制器），能够处理多达68个可屏蔽中断通道(不包括16个Cortex™-M3的中断线)和16个优先级。该模块以最小的中断延迟提供灵活的中断管理功能。EXTI(Externalinterrupt/eventcontroller，外部中断/事件控制器)包含19个边沿检测器，用于产生中断/事件请求。多达80个通用I/O口连接到16个外部中断线。NVIC的优先级中断的优先级与判优判断中断是否会被响应的依据：首先是占先式优先级，其次是副优先级；占先式优先级决定是否会有中断嵌套；注意：Reset、NMI、HardFault优先级为负(高于普通中断优先级)且不可调整。 2．优先级组别每一个中断都有一个专门的寄存器IPR(InterruptPriorityRegisters，中断优先级寄存器)来描述该中断的占先式优先级及副优先级。在这个寄存器中STM32使用4个二进制位描述优先级（Cortex-M3定义了8位，但STM32只使用了4位）图4-74NVIC优先级组别中断编程应用实验3-5 EXTI_Config（标准库）按下后松开KEY1按键，上升沿触发中断EXTI_Line5，LED1指示中断发生；按下KEY2按键，下降沿触发中断EXTI_Line6，LED2指示中断发生，使用ST的V3.5.0函数库编程。1．硬件设计2.软件设计（编程）（1）设计分析在main函数里，使用EXTI_Init库函数初始化EXTI，设置EXTI中断线EXTI_Line5，上升沿触发中断；设置EXTI中断线EXTI_Line6，下降沿触发中断。在stm32f10x_it.c里，写出中断函数EXTI9_5_IRQHandler，按下按键KEY1后再松开时，产生中断EXTI5，LED1的亮灭状态改变指示中断的发生；按下按键KEY2时，产生中断EXTI6，LED2的亮灭状态改变指示中断的发生。（2）程序源码与分析…：实验过程与现象实验过程见本书的3.2节。实验现象：上电程序运行后，由于产生了一次软件中断，所以LED1和LED2点亮；按下KEY1或KEY2发生中断，执行EXTI9_5_IRQHandler中断处理程序，LED1或LED2亮灭状态的改变指示发生了中断，见图3-78。3.5STM32的串口通信通用同步/异步收发器(Universalsynchronous/asynchronousreceivertransmitter,USART)，也称为串行通信口或简称为串口，提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIRENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。USART配置 例：/*ThefollowingexampleillustrateshowtoconfiguretheUSART1*/USART_InitTypeDefUSART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600;USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_Odd;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS;USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;USART_InitStructure.USART_Clock=USART_Clock_Disable;USART_InitStructure.USART_CPOL=USART_CPOL_High;USART_InitStructure.USART_CPHA=USART_CPHA_1Edge;USART_InitStructure.USART_LastBit=USART_LastBit_Enable;USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);USART编程应用：实验3-7 printf函数输出到USART1（标准库）硬件设计AS-07开发/实验板的USART电路的原理图见图3-82所示。软件设计（编程）（1）设计分析使能GPIOA的时钟，原因是USART1的数据发送线（引脚）和接收线（引脚）是PA9和PA10；使能USART1的时钟。 设置PA9为复用功能推拉输出（GPIO_Mode_AF_PP）模式，设置PA10为PA10为浮空输入模式。使用库函数USART_Init初始化USART1，设置USART的工作参数。使能USART1。使用USART1发送或者接收数据。（2）程序源码 （省略）3.实验过程和实验观察实验过程见本书的3.2节，本实验需要将AS-07实验板使用USB线与电脑PC连接起来，在PC上运行超级终端或者串口助手，下载程序后或者按下AS-07的复位键后，观察实验现象见图3-85、图3-86。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）GPIO的结构；通用I/O接口的编程方法；STM32开发或实验过程。STM32的复位；STM32的时钟；RCC编程应用。嵌套向量中断控制器(NVIC)；外部中断/事件控制器(EXTI)；EXTI编程应用。USART主要特性;USART功能概述;USART特性描述.USART寄存器结构;USART配置;USART编程应用。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）演示创建工程，编译调试，仿真、运行。四、作业（1） 练习使用MDK、STM32CubeMX、STM32CubeIDE。（2） 编程练习，使用直接操作寄存器的方法，点亮或者熄灭LED，使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（3） 编程练习，使用STM32的标准库V3.5.0库函数的方法，点亮或者熄灭LED，使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（4） 编程练习，使用STM32的STM32CubeMX、HAL库函数的方法，点亮或者熄灭实验板上的LED，使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（5） 使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Project\STM32F10x_StdPeriph_Examples\GPIO\IOToggle下的程序，建立工程后修改程序；使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（6） 使用STM32CubeMX、HAL库建立工程后，编写程序，实现LED流水灯；使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（7） ）使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Project\STM32F10x_StdPeriph_Examples\EXTI\EXTI_Config下的程序，建立工程后，修改程序，使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（8） 使用STM32CubeMX、HAL库建立工程后，编写程序，实现EXTI_Line5；使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（9） 使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Project\STM32F10x_StdPeriph_Examples\USART\Printf下的程序，建立工程后，修改程序，使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。（10） 使用STM32CubeMX、HAL库建立工程后，编写程序，实现USART的Printf；使用MDK仿真、Proteus仿真和下载运行在实验开发板上。五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第4章STM32应用编程（12学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）（一）教学内容4.2 STM32定时器大容量（片内Flash为256K、384K和512K）的STM32F103xx系列产品如STM32F103VE包含最多2个高级控制定时器TIM1、TIM8，4个通用定时器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5和2个基本定时器TIM6、TIM7，以及2个看门狗定时器Independentwatchdog、Windowwatchdog和1个系统嘀嗒定时器SysTicktimer。实验4-7 Proteus仿真STM32：TIM1输出7个PWM（标准库）本例说明如何配置TIM1外围设备以产生7个具有4个不同占空比的PWM信号。使用示波器观察TIM1波形，需将TIM1引脚连接到示波器上；使用Protues的虚拟示波器，也可以方便观察到PWM波形和参数值。4.3 STM32的I2C总线STM32F10x多达2个IIC（Inter-integratedcircuit，因为无法准确表达所以不翻译，缩减写为IIC或者I2C）总线接口，能够工作于多主模式或从模式，支持标准和快速模式。特别说明：STM32的I2C是兼容Philips的I2C总线，因此我们先介绍Philips的I2C再学习STM32的I2C，注意区别。4-33IIC总线协议实验4-11 Proteus仿真STM32：OLED显示（模拟I2C）0.96寸OLED显示屏（SSD1306驱动器），价格便宜，有IIC接口和SPI接口2种