嵌入式系统原理与应用 教学大纲、授课计划

PAGE《嵌入式系统原理与应用A》课程教学大纲课程编码：JS100383课程名称：嵌入式系统原理与应用A英文名称：FundamentalsandApplicationofEmbeddedSystemA适用专业：计算机科学与技术先修课程：数字电路与逻辑设计、高级语言程序设计（C语言）、微机原理与接口技术学分：4总学时：64学时授课学时：48学时实验（上机）学时：16学时网络学时：0学时课程简介中文简介本课程是计算机科学与技术专业的专业基础课程，课程以Cortex-M3处理器为基础，介绍Cortex-M3处理器的组成原理，汇编语言程序设计以及基于STM32微控制器的嵌入式软硬件系统设计方法。从理论上和实践上掌握嵌入式系统的基本组成、典型硬件电路以及驱动代码编写，熟悉嵌入式系统基本概念、嵌入式系统组成原理和工作过程，掌握嵌入式系统的程序设计方法，具备接口电路分析和设计相应程序的能力。2.英文简介Thecourseisafundamentalcurriculumforthemajorofthecomputerscienceandtechnology.BasedonCortex-M3processor,itintroducesCortex-M3compositionprinciple,assemblylanguageprogramdesignandtheembeddedhardwareandsoftwaresystemdesignmethodbasedonSTM32microcontroller.Thestudentsshouldmasterthebasiccomponentofembeddedsystem,atypicalhardwarecircuitanddrivercodefromthetheoryandpractice,befamiliarwithitsbasicconcept,principleandworkingprocess,grasptheapplicationofthesystemdesignmethod,andprocesstheabilityofanalysisofinterfacecircuitanddesignofthecorrespondingprogram.3.本课程与其它课程关系嵌入式原理与应用A属于专业基础应用类课程，其先修课程有：数字电路与逻辑设计、高级语言程序设计（C语言）、微机原理与接口技术等课程。学生通过数字电路与逻辑设计课程的学习，应掌握组合与时序逻辑电路，为本课程的学习提供硬件电路基础；本课程接口部分使用C语言进行编程及应用，应熟悉C语言程序设计的方法与基本程序设计思想；学生在学习掌握微机系统原理与接口技术基础上，加深理嵌入式系统原理与接口技术，为本课程学习打下良好基础。4.支撑的毕业要求指标点指标点0.2具有正确的世界观、人生观、价值观，具有良好的思想品德、健全的人格、健康的体魄，能践行社会注意核心价值观。指标点1.3能将计算机领域相关知识及数学模型方法用于推演、分析、评价计算机领域复杂工程问题。指标点1.4能运用计算机基础理论及专业知识、数学模型方法等，进行计算机领域复杂工程问题解决方案的分析、制定和综合设计。指标点3.2能够以需求分析为基础，对计算机系统的软件或硬件部分进行分析，设计合理的解决方案。课程目标与毕业要求对应关系表通过本课程的学习和训练，使学生具备以下能力：目标1：理解嵌入式系统的概念、基本组成及设计流程；掌握ARM处理器概况、指令、结构、技术及基本原理。注重课程知识点的认知、理解能力。目标2：分析、理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，掌握嵌入式处理器编程模型与指令系统；掌握接口电路的原理，并能应用所学知识点。目标3：掌握汇编程序设计及编程过程，能够进行汇编程序综合分析与编程应用；掌握基本接口电路的硬件组成及硬件驱动程序编写方法，能够进行接口综合分析与编程应用。目标4：培养学生求真务实、实践创新、精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。引导学生掌握学习方法和途径，把学生树立正确的价值观贯穿其中，培养思辨能力、工程思维和科学精神，积极参加社会实践活动，树立正确的世界观、人生观和价值观。课程目标对应的毕业要求指标点教学内容教学方法目标1指标点1.3嵌入式系统基本概念及Cortex-M3处理器体系结构，理解嵌入式系统的概念、基本组成及设计流程；掌握Cortex-M3处理器概况、指令、结构、技术及基本原理，理解教学的全部章节内容。课堂讲述与讨论，课后作业，习题课目标2指标点1.4Cortex-M3指令集和汇编程序设计，汇编程序综合分析与编程应用。课堂讲述与讨论，课后作业，习题课。指导学生完成相关实验。目标3指标点3.2STM32常用接口电路组成原理及应用接口综合分析与编程应用。重点掌握GPIO、EINT、Timer和USART等内容。课堂讲述与讨论，实验指导，综合分析与设计指导讨论。目标4指标点0.2课程思政点1：培养探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。课程思政点2：助力学生树立正确的价值观，培养工程思维、思辨能力和科学精神。课程思政点3：培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。课程思政点4：引导学生用正确的立场观点方法去看待事物、分析问题、认识社会，树立中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信、文化自信。课程思政点5：培养学生团队精神，提升学生职业素养。课堂讲述、引导与组织讨论课程教学内容及要求（一）嵌入式基本系统及ARM处理器体系结构（14学时）教学内容：理论教学（14学时）：嵌入式系统的概念、组成、特点；嵌入式系统的开发环境和设计步骤；Cortex-M3处理器概括、结构、技术、工作状态和模式；Cortex-M3内部寄存器、存储方式以及异常处理过程和实现方法。培养探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。[课程思政点1]。基本要求：理解嵌入式系统的概念、组成、特点及Cortex-M3处理器结构和技术；掌握Cortex-M3处理器的工作状态和模式、内部寄存器及存储方式；理解异常处理过程和实现方法。重点及难点：嵌入式系统的概念、组成、特点；Cortex-M3处理器结构、技术、工作状态和模式，及内部寄存器和存储方式。教学模式：课堂讲述与讨论，课后作业。作业及课外学习要求通过学习嵌入式系统的概念、组成、特点，理解Cortex-M3处理器结构、技术、工作状态和模式；基本原理的理解，对比8086处理器与Cortex-M3处理器特点，使学生能够理解计算机体系结构，识别和判断计算机系统中的关键环节和工作过程。教学安排：授课14学时，课外自学3学时。（二）Cortex-M3指令集和汇编程序设计（22学时）教学内容：理论教学（14学时）：Cortex-M3的寻址方式和指令格式；Cortex-M3指令集和伪指令语句；汇编程序设计方法、C语言和汇编语言混合/交叉编程；程序设计举例、KEIL等工具使用。助力学生树立正确的价值观，培养工程思维、思辨能力和科学精神[课程思政点2]。实验教学（8学时）：熟悉ARM编程环境，熟悉基本指令及语句，顺序程序与分支程序设计与调试；循环程序结构与编程，基本求和运行，寻找最大/最小数，数据定义及应用，字符COPY等；两重循环编程与调试，排序的编程与调试。要求学生了解国内外嵌入式系统教学及应用方面的差距，激发学生刻苦学习专业技能的热情，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[课程思政点3]。基本要求：掌握Cortex-M3寻址方式、常用指令集和汇编程序设计方法；理解汇编指令、伪指令、宏指令、子程序用法；熟悉汇编语言程序编码、编译、链接调试等过程。重点与难点：Cortex-M3的寻址方式和指令格式；Cortex-M3指令集和伪指令语句；汇编程序设计方法与调试，C语言和汇编语言混合/交叉编程，使得学生能够进行计算机的软件开发、测试、维护及改进。教学模式：课堂讲述与讨论，课后作业，演示设计实现过程，课内实验。作业及课外学习要求掌握基本汇编指令的含义及用法，掌握Cortex-M3寻址方式的判断，基本指令的正确使用与判断；掌握汇编程序设计方法，课外要求完成编程与调试，实验课解决遇到问题并进行检查；混合程序设计与综合调试。（三）处理器片上硬件资源及接口电路技术（28学时）教学内容：理论教学（20学时）：熟悉STM32F103系列处理器芯片内部结构；理解存储器分配、控制电路以及向量中断控制器；芯片管脚定义与应用，GPIO接口原理与应用；掌握外部中断的原理与应用；掌握定时器的组成各部分的作用，掌握定时器的编程与应用；学习串口原理，USART接口构成与作用，USART查询与中断方式的编程与应用；了解SPI接口、I2C接口等电路组成及应用。通过实验板原理图分析，理解STM32F103实验板系统的基本构成及编程应用。引导学生用正确的立场观点方法去看待事物、分析问题、认识社会，树立中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信、文化自信[课程思政点4]。实验教学（8学时）STM32F103管脚定义与使用，GPIO编程与应用；外部中断概念、原理与应用编程，结合VIC编程应用；定时器初始化、VIC向量中断初始化及定时器中断程序的编程应用；USART通信编程与应用，使用FIFO提升USART效率，超时中断的判断与编程，查询与中断方式的对比，结合GPIO的综合应用。培养学生团队精神，提升学生职业素养[课程思政点5]。基本要求：通过学习和掌握STM32F103系列芯片上向量中断控制器、GPIO接口、外部中断接口、定时器接口和USART接口，使得学生能够按照需求对计算机系统的软件或硬件部分进行设计，制定合理的解决方案；；GPIO接口编程与应用；外部中断接口和定时器接口。理解接口电路中配置和状态寄存器的使用方法，熟悉接口驱动程序的设计过程。重点及难点：通过学习处理器芯片内部结构、向量中断控制器、芯片上GPIO接口、外部中断接口、定时器接口、USART接口、SPI接口、I2C接口等电路，使得学生能够进行计算机系统的硬件设计、实现、维护及改进，解决计算机软硬件协同开发问题。教学模式：课堂讲述与讨论，课后作业，演示设计实现过程，课內实验验证，随堂指导。作业及课外学习要求掌握GPIO含义及用法，掌握GPIO编程与应用；掌握外部中断概念与原理，课外要求完成编程，实验课完成调试并；结合定时器控制GPIO，对比定时器控制与延时程序的区别，要求通过定时器控制多个LED灯的不同频率闪烁。USART编程与调试。教学安排及学时分配教学环节及学时主要内容学时分配讲课习题课实验小计嵌入式系统基本及Cortex-M3处理器体系结构1414Cortex-M3指令集和汇编程序设计122820处理器片上硬件资源及接口电路技术182830合计4441664实验部分教学内容和要求：序号实验项目名称实验内容及要求学时实验类型演示验证设计综合1汇编语言程序设计工程构建2√2汇编语言程序设计汇编程序设计4√3汇编语言程序设计混合程序设计2√4GPIO实验GPIO输入和输出2√5EINT按键模拟外部中断2√6定时计数器实验定时计数器查询与中断实验，结合定时器控制LED2√7UART通讯实验掌握异步串行通讯2√合计1622102比例100%12.5%12.5%62.5%12.5%考核方式（一）考核方式与成绩评定方法1.课堂测验：主要考核各单元的学习情况，阶段性学习结束时进行课堂测验，针对典型的例题或习题进行测试。2.作业：考核内容，每次作业提交和完成质量。3.上机实验：考核内容，每个实验完成过程、实验结果和实验报告的质量。4.期末考试：主要考核学生对本课程的掌握程度，分析解决问题的能力以及课程目标的达成情况，考试形式为笔试。成绩评定方法：总成绩=平时成绩*40%+期末考试成绩*60%其中：平时成绩=课堂考核*30%+平时作业*30%+上机实验*40%课程目标达成考核与评价方式及成绩评定如下表所示：课程目标支撑毕业要求考核与评价方式及成绩比例成绩比例平时成绩（40%）期末考试(60%）Q=60%平时作业30%P1=12%课堂表现30%P2=12%上机实验考核40%P3=16%课程目标1支撑毕业要求2-3303.6%303.6%04024%30%课程目标2支撑毕业要求3-1303.6%303.6%508%4024%30%课程目标3支撑毕业要求5-3404.8%404.8%508%2012%40%合计100100100100100%注：该表中期末考试一列中的各课程目标赋分比例，教师每年命题时可适当微调。计算方法举例如下：成绩比例第一行中30%=（（30*30%+30*30%+30*40%）*40%+30*60%）/100课程目标支撑毕业要求考核与评价方式及成绩比例成绩比例平时成绩（40%）期末考试(60%）平时作业30%课堂表现30%上机实验考核40%课程目标1支撑毕业要求2-3实际得分/满分(P1)实际得分/满分(P2)0(P3)40实际得分/40(Q)30%课程目标2支撑毕业要求3课程目标3支撑毕业要求5-34040502040%合计100100100100100%考核与评价标准：1.课堂测验、作业、闭卷考试考核及评价标准课程目标评分标准优秀（0.90-1.0）良好（0.75-0.89）合格（0.60-0.74）不合格（0-0.59）1：理解嵌入式系统的概念、基本组成及设计流程；掌握ARM处理器概况、指令、结构、技术及基本原理。注重课程知识点的认知能力。熟练掌握基于ARM嵌入式系统基本概念、原理及其组成，掌握ARM处理器概况、指令、结构、技术及基本原理，对课程知识点能全面认知。掌握基于ARM嵌入式系统基本概念、原理及其组成，掌握ARM处理器概况、指令、结构、技术及基本原理，对课程知识点能很好理解。基本掌握基于ARM嵌入式系统基本概念、原理及其组成，了解ARM处理器概况、指令、结构、技术及基本原理，对课程知识点基本能理解。对基于ARM嵌入式系统基本概念、原理及其组成认识模糊，了解ARM处理器概况、指令、结构、技术及基本原理，对课程知识点理解不正确。2：理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，掌握嵌入式处理器编程模型与指令系统；掌握接口电路的原理，并能应用所学知识点。思路清晰，能准确理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，能熟练运用所学知识点进行软硬件模块设计、编程与调试。思路明确，能很好理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，能较为熟练运用所学知识点进行软硬件模块设计、编程与调试。思路基本明确，能理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，基本能运用所学知识点进行软硬件模块设计、编程与调试。思路混乱，在老师指导、同学帮助下，仍不能理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，未能独立完成单个模块编程与调试。3：掌握汇编程序设计及编程过程，能够进行汇编程序综合分析与编程应用；掌握基本接口电路的硬件组成及硬件驱动程序编写方法，能够进行接口综合分析与编程应用。能够准确理解各模块组成及系统设计的思想，提出设计方案，基于开发工具，运用所学完成嵌入式系统软硬件系统综合设计、编程与调试。能够理解各模块组成及系统设计的思想，提出设计方案，基于开发工具，运用所学完成嵌入式系统软硬件系统综合设计、编程与调试。基本能理解各模块组成及系统设计的思想，设计方案不够合理，基于开发工具，基本能运用所学实现对嵌入式系统软硬件系统综合设计、编程与调试。思路不清晰，基于开发工具，不具备软硬件设计的理念和思想，不能独立完成综合设计与调试，学习态度需要端正。2.上机实验考核及评价标准课程目标评分标准优秀（0.90-1.0）良好（0.75-0.89）合格（0.60-0.74）不合格（0-0.59）2：理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，掌握嵌入式处理器编程模型与指令系统；掌握接口电路的原理，并能应用所学知识点。思路清晰，能准确理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，能熟练运用所学知识点进行软硬件模块设计、编程与调试。思路明确，能很好理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，能较为熟练运用所学知识点进行软硬件模块设计、编程与调试。思路基本明确，能理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，基本能运用所学知识点进行软硬件模块设计、编程与调试。思路混乱，在老师指导、同学帮助下，仍不能理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，未能独立完成单个模块编程与调试。3：掌握汇编程序设计及编程过程，能够进行汇编程序综合分析与编程应用；掌握基本接口电路的硬件组成及硬件驱动程序编写方法，能够进行接口综合分析与编程应用。能够准确理解各模块组成及系统设计的思想，提出设计方案，基于开发工具，运用所学完成嵌入式系统软硬件系统综合设计、编程与调试。能够理解各模块组成及系统设计的思想，提出设计方案，基于开发工具，运用所学完成嵌入式系统软硬件系统综合设计、编程与调试。基本能理解各模块组成及系统设计的思想，设计方案不够合理，基于开发工具，基本能运用所学实现对嵌入式系统软硬件系统综合设计、编程与调试。思路不清晰，基于开发工具，不具备软硬件设计的理念和思想，不能独立完成综合设计与调试，学习态度需要端正。对课程目标的支撑：通过教学、作业以及期末考试对目标1进行考核，考核学生理解嵌入式系统概念原理及体系结构，强调概念、原理，考核对嵌入式系统基本的认知能力；通过课程教学、作业、实验及考试对目标2进行考核，理解ARM汇编指令及其常用硬件接口电路组成，掌握嵌入式处理器编程模型与指令系统；掌握接口电路的原理，并能对所学各知识点进行简单应用，能运用软件理论及开发知识，解决复杂计算机系统的软件开发、测试、维护及改进；能运用硬件理论知识，解决复杂计算机系统的硬件设计、实现、维护及改进，解决计算机软硬件协同开发问题。通过教学、作业、综合实验及考试对目标3进行考核，通过动手实验环节，基于基础实验基础上完成综合实验，使学生具有初步设计一个可编程的片上系统的能力，能按照需求对计算机系统的软件或硬件部分进行设计，制定合理的解决方案。建议教材及参考资料王忠民,贺炎.嵌入式系统原理与应用,西安电子科技大学出版社，2025（执笔人：审核人：）《嵌入式系统原理与应用A》课程教学日历（）西安邮电大学课程名称嵌入式系统原理与应用A教学周数16讲课44所在系部主讲教师教学日历周学时数4习题4授课班级辅导教师计划学时64实验16（课程起止时间：2025年3月11日至2025年6月26日）周次日期教学内容学时实验学时重点与难点教学准备（场地、设备仪器、教学手段）作业实际执行情况日／月1数字逻辑课程设计2311/3第1章ARM嵌入式系统概述1.1嵌入式系统概述1.2ARM微处理器IP核KeulMDK5安装与使用（纯汇编工程演示）2/4重点：ARM架构版本、IP核、意法半导体微控制器的发展历程与对应关系；嵌入式系统与PC系统比较（从产业模式、开发方式以及学习方法等进行比较）课程的学习方法，重点讲清楚KeulMDK5和Proteus在课程学习中的作用难点：掌握KeulMDK5和Proteus仿真软件的安装，了解其基本功能以及在嵌入式系统开发过程中如何使用，为后续学习奠定基础。XXX（下同）13/31.3STM32微控制器1.4嵌入式系统开发Proteus仿真软件安装（GPIO仿真演示）2/4418/3第2章ARMCortexM3内核体系结构2.1ARMCortexM3体系结构基本概念2.1.1冯•诺依曼结构和哈佛结构 2.1.2CISC和RISC 2.1.3操作模式和特权级别 2/10重点：准确理解CortexM3处理器支持的两种工作模式和两种特权级别，以及在嵌入式系统中的作用。了解CortexM3内核结构组成，有个整体概念。重点掌握CortexM3核中的通用寄存器和特殊功能寄存器的使用。掌握CortexM3存储器系统映射，准确理解片上外设寄存器与存储单元（对应PC机中的I/O端口）的联系，此概念对于理解后续基于寄存器或基于C指针对外设进行应用开发非常关键。掌握异常与中断的概念，掌握异常向量表的作用，结合纯汇编工程讲清工程中启动代码如何对中断向量表进行初始化的。难点：通用寄存器和特殊功能寄存器的使用；4G地址空间的映射关系（存储单元与IO端口统一编址的特点）；中断处理机制与中断向量表的使用。20/32.2CortexM3内核结构组成2.2.1Cortex‐M3处理器核2.2.2存储器保护单元MPU2.2.3内部总线接口（BusInterconnect）2.2.4调试与跟踪单元 2/10525/32.3寄存器阵列 2.3.1通用寄存器组2.3.2特殊功能寄存器2/1027/32.4存储器系统 2.4.1CortexM3存储器映射2.4.2位带操作 2.4.3存储格式 2/1061/42.5异常与中断 2.5.1NVIC 2.5.2Cortex-M3中断向量表 2/103/4第3章ARMCortexM3指令系统3.1汇编语言基础 3.1.1ARM汇编语言源程序的组成 3.1.2Thumb-2指令集的编码格式 3.1.3纯汇编工程的构建 2/8重点：掌握纯汇编工程的构建方法，以便学生在学习本章后边内容（寻址方式与指令）时，遇到问题直接到MDK中实际去测试、理解。寻址方式尽管比复杂指令系统计算机简单多了，但又遇到了立即数编码的问题，讲清通过文字池实现立即数、变量地址和标号地址寻址的处理途径。了解Thrumb-2指令集的特点（与以前的ARM和Thrumb比较）掌握常见的为数不多的汇编指令的使用，大部分不太用的指令不需深扣，学习时可上机在MDK环境中帮助理解，大部分不常用指令无需记忆，需要时查手册。难点：通过文字池如何解决立即数、变量地址和标号地址的寻址问题；熟练掌握常用的数据传输、算数运算、逻辑与位操作指令、LOAD/STORE指令、分支指令等使用；能够在MDK开发环境中通过编写简单代码来理解指令的功能。78/4实验1纯汇编工程的构建2嵌入式实验室实验报告10/43.2寻址方式 3.2.1立即数寻址方式 3.2.2寄存器(寄存器移位)寻址方式 3.2.3存储器寻址 3.2.4地址型操作数寻址方式 2/8815/43.3汇编语言指令系统 3.3.1 算数运算指令 3.3.2 逻辑与位操作指令 3.3.3 内部数据传送指令 3.3.4 存储器数据传输（Load/store）指令2/817/43.3.5 比较与测试指令 3.3.6 分支转移指令 3.3.7 系统与其他指令 2/8922/4第4章基于ARMCortexM3IP核的程序设计4.1ARM汇编语言的程序结构4.1.1一个简单的ARM汇编程序例子4.1.2汇编器伪指令4.1.3汇编语言的规范4.2ARM汇编语言程序设计4.2.1顺序程序4.2.2分支程序4.2.3循环程序 4.2.4子程序 4.2.5基于查表法的程序设计2/424/4实验2循环累加汇编程序设计2重点：熟练掌握纯汇编工程的构建方法以及开发环境相关参数和选项的设置方法。掌握面向过程的常见汇编程序结构的设计方法。掌握C与汇编混合编程技术。难点：掌握顺序结构、分支结构、循环结构、子程序调用等汇编程序设计方法；掌握混合编程的基本技术；理解工程的构建过程与文件组成，理解启动文件主要完成的工作；MDK环境中工程文件的调试，能够观察运行过程中相关寄存器、存储单元等内容的变化，学会一般的调试方法。1029/44.3C与汇编混合编程 4.3.1C语言内嵌汇编代码 4.3.2C与汇编文件变量互访4.3.3ARM过程调用标准APCS（标准好像应该放到4.3.1）4.3.4C程序调用汇编子程序4.3.5汇编程序调用C函数 2/4嵌入式实验室实验报告1/5放假116/5实验3子程序调用汇编程序设计2嵌入式实验室实验报告8/5第5章STM32F103微控制器5.1STM32F103系列微控制器概述5.2STM32F103微控制器内部结构5.2.1内部总线5.2.2功能模块5.2.3存储器组织5.2.4引脚定义2