嵌入原理与开发 大纲

XX大学XXXX学院《嵌入式系统原理与应用》课程教学大纲编写人：XXX审定人：XXX编制时间：2025.5.1审定时间：2025.5.1一、课程基本信息：课程名称嵌入式系统原理与应用英文名称PrinciplesandApplicationsofEmbeddedSystems课程编码sd01730800开课单位XX所课程类别□通识教育必修课程□通识教育核心课程□通识教育选修课程□学科基础平台课程□专业基础课程√专业必修课程□专业选修课程课程性质√必修□选修学分2学时32适用专业自动化、自动检测、电气工程及其自动化、电子信息、机电一体化、物联网等专业先修课程数字电子技术、模拟电子技术、微机原理与应用、C语言程序设计后续课程物联网应用、智能控制、人工智能课程网站教学团队XXX等课程负责人XXX二、课程描述《嵌入式系统原理与应用》是计算机、自动化、电子信息、机电一体化、物联网等相关专业的必修课，是一门重要的专业核心课程。通过本课程学习，使学生了解嵌入式系统基本概念、硬件组成，软件架构；掌握各基本模块功能和典型应用方法。使学生能够进行嵌入式系统硬件电路分析、设计，并应用高级程序设计语言为嵌入式系统开发应用程序，能够完成嵌入式系统的组装、调试任务。培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生专业综合素质，增强职业拓展能力，为物联网应用，人工智能，智能制造等后续课程学习打下坚实基础。本课程既要保持与强调理论上的科学性与严密性，培养学生实事求是的严谨细致的科学态度和分析问题的逻辑性与条理性，又要具有分析工程技术问题的观点和方法，培养学生从实际出发、在理论指导下灵活处理问题的观点和方法。本课程既要保持与强调理论上的科学性与严密性，培养学生实事求是的严谨细致的科学态度和分析问题的逻辑性与条理性，又要具有分析工程技术问题的观点和方法，培养学生从实际出发、在理论指导下灵活处理问题的观点和方法。三、教学目标（1）能够在理解嵌入式系统的基本概念、发展历史的内涵以及外延的基础上，总结和预测嵌入式系统行业的发展现状与发展趋势，培养学生分析和总结问题的能力；（2）能够在理解嵌入式系统组成原理的基础上，掌握嵌入式系统设计与开发的一般流程；（3）理解和掌握ARM体系结构及STM32微控制器内核架构；（4）能够熟练使用嵌入式主流的开发工具，掌握工程的代码编辑、程序编译、仿真和调试等能力。（5）理解和掌握嵌入式微控制器STM32的硬件外设资源（GPIO、EXTI、USART、TIM、ADC等）及嵌入式操作系统，能够基于STM32的外设模块进行外设的应用与实践；（6）通过项目案例，重点掌握嵌入式系统的应用开发，能够根据系统要求，进行系统的芯片选型，采用合适的开发工具，针对实际项目需求，进行系统方案的总体设计、硬件设计以及软件设计，并在设计过程中体现分析问题、项目设计与实施、团队协作、项目管理等能力。四、课程教学内容及学时分配第1章绪论 （2学时）1.1嵌入式系统 1.1.1嵌入式系统概述 1.1.2嵌入式系统和通用计算机系统比较 1.1.3嵌入式系统的特点 1.2嵌入式系统的组成 1.2.1嵌入式系统的架构 1.2.2嵌入式系统硬件组成 1.2.3嵌入式系统软件组成 1.3典型嵌入式操作系统 1.3.1FreeRTOS 1.3.2睿赛德RT-Thread 1.3.3μC/OS-II 1.3.4嵌入式Linux 1.4嵌入式系统的分类 1.4.1按应用对象的分类 1.4.2按功能和性能的分类 1.4.3按结构复杂度的分类 1.5嵌入式系统的应用领域 1.6嵌入式系统应用实例 1.6.1智能机器人 1.6.2智能终端 1.6.3VR/AR产品 1.6.4applevisionpro的功能 1.6.5老年人健康监护系统 1.6.6自动驾驶 1.6.7APAX-5580/AMAX-5580边缘智能控制器 1.6.8缝纫机机器人 1.6.9智能家用呼吸机 1.6.10智能家居控制系统 1.6.11国防工业嵌入式应用实例 1.7嵌入式微处理器分类 1.7.1嵌入式处理器分类 1.7.2嵌入式处理器内核架构 习题第2章Arm处理器体系架构 （2学时）2.1嵌入式处理器概述 2.1.1微处理器的结构 2.1.2微处理器指令执行过程 2.1.3微处理器的体系结构 2.2Arm体系架构与编程模型 2.2.1Arm处理器体系架构概述 2.2.2Arm编程模型 2.3Arm处理器内存管理 2.3.1内存映射 2.3.2集成外设寄存器访问方法 2.4Arm异常处理 2.4.1Arm处理器异常类型 2.4.2Arm处理器对异常的响应 2.5Cortex-M4的内部结构 习题第3章STM32嵌入式微控制器（2学时） 3.1STM32微控制器概述 3.1.1STM32微控制器产品线 3.1.2STM32微控制器的命名规则 3.2STM32F407ZGT6概述 3.2.1STM32F407的主要特性 3.2.2STM32F407的主要功能 3.3STM32F407ZGT6芯片内部结构 3.4STM32F407VGT6芯片引脚和功能 3.5STM32F407VGT6最小系统设计 习题第4章STM32CubeMX的应用（2学时） 4.1安装STM32CubeMX 4.2安装MCU固件包 4.2.1软件库文件夹设置 4.2.2管理嵌入式软件包 4.3软件功能与基本使用 4.3.1软件界面 4.3.2新建项目 4.3.3MCU图形化配置界面总览 4.3.4MCU配置 4.3.5时钟配置 4.3.6项目管理 4.3.7生成报告和代码 习题第5章STM32CubeIDE开发平台 （2学时）5.1安装STM32CubeIDE 5.2STM32CubeIDE的操作 5.2.1新建和导入工程 5.2.2项目管理 5.2.3打开/关闭/删除/切换/导出工程 5.2.4固件库管理 5.2.5代码编译 5.2.6调试及运行配置 5.2.7启动调试 5.3STM32CubeProgrammer软件 5.4STM32CubeMonitor软件 5.5STM32F407开发板的选择 5.6STM32仿真器的选择 习题第6章STM32通用输入输出接口 （4学时）6.1STM32通用输入输出接口概述 6.1.1输入通道 6.1.2输出通道 6.2STM32的GPIO功能 6.2.1普通I/O功能 6.2.2单独的位设置或位清除 6.2.3外部中断/唤醒线 6.2.4复用功能（AF） 6.2.5软件重新映射I/O复用功能 6.2.6GPIO锁定机制 6.2.7输入配置 6.2.8输出配置 6.2.9复用功能配置 6.2.10模拟输入配置 6.2.11STM32的GPIO操作 6.2.12外部中断映射和事件输出 6.2.13GPIO的主要特性 6.3GPIO的HAL驱动程序 6.4STM32的GPIO使用流程 6.4.1普通GPIO配置 6.4.2IO复用功能AFIO配置 6.5采用STM32Cube和HAL库的GPIO输出应用实例 6.5.1STM32的GPIO输出应用硬件设计 6.5.2STM32的GPIO输出应用软件设计 6.6采用STM32Cube和HAL库的GPIO输入应用实例 6.6.1STM32的GPIO输入应用硬件设计 6.6.2STM32的GPIO输入应用软件设计 习题第7章STM32中断系统 （3学时）7.1中断概述 7.1.1中断 7.1.2中断的功能 7.1.3中断源与中断屏蔽 7.1.4中断处理过程 7.1.5中断优先级与中断嵌套 7.2STM32F4中断系统 7.2.1STM32F4嵌套向量中断控制器NVIC 7.2.2STM32F4中断优先级 7.2.3STM32F4中断向量表 7.2.4STM32F4中断服务函数 7.3STM32F4外部中断／事件控制器EXTI 7.3.1STM32F4的EXTI内部结构 7.3.2STM32F4的EXTI主要特性 7.4STM32F4中断HAL驱动程序 7.4.1中断设置相关HAL驱动程序 7.4.2外部中断相关HAL函数 7.5STM32F4外部中断设计流程 7.5.1NVIC设置 7.5.2中断端口配置 7.5.3中断处理 7.6采用STM32Cube和HAL库的外部中断设计实例 7.6.1STM32F4的外部中断硬件设计 7.6.2STM32F4的外部中断软件设计 习题第8章STM32定时器系统 （3学时）8.1STM32定时器概述 8.2STM32基本定时器 8.2.1基本定时器介绍 8.2.2基本定时器的功能 8.2.3基本定时器的寄存器 8.3STM32通用定时器 8.3.1通用定时器介绍 8.3.2通用定时器的功能描述 8.3.3通用定时器的工作模式 8.3.4通用定时器的寄存器 8.4STM32定时器HAL库函数 8.4.1基础定时器HAL驱动程序 8.4.2外设的中断处理概念小结 8.5采用STM32Cube和HAL库的定时器应用实例 8.5.1STM32的通用定时器配置流程 8.5.2STM32的定时器应用硬件设计 8.5.3STM32的定时器应用软件设计 习题第9章STM32通用同步异步收发器 （3学时）9.1串行通信基础 9.1.1串行异步通信数据格式 9.1.2串行同步通信数据格式 9.2STM32的USART工作原理 9.2.1USART的主要特性 9.2.2USART的功能 9.2.3USART的通信时序 9.2.4USART的中断 9.2.5USART的相关寄存器 9.3USART的HAL驱动程序 9.3.1常用功能函数 9.3.2常用的宏函数 9.3.3中断事件与回调函数 9.4采用STM32Cube和HAL库的USART串行通信应用实例 9.4.1STM32的USART的基本配置流程 9.4.2STM32的USART串行通信应用硬件设计 9.4.3STM32的USART串行通信应用软件设计 习题第10章STM32模数转换器（ADC） （3学时）10.1模拟量输入通道 10.1.1模拟量输入通道的组成 10.1.2A/D转换器的工作原理 10.2模拟量输入信号类型与量程自动转换 10.2.1模拟量输入信号类型 10.2.2量程自动转换 10.3STM32F407微控制器的ADC结构 10.4STM32F407微控制器的ADC功能 10.4.1ADC使能和启动 10.4.2时钟配置 10.4.3转换模式 10.4.4DMA控制 10.4.5STM32的ADC应用特征 10.5ADC的HAL驱动程序 10.5.1常规通道 10.5.2注入通道 10.6采用STM32Cube和HAL库的模数转换器应用实例 10.5.1STM32的ADC配置流程 10.5.2STM32的模数转换器应用硬件设计 10.5.3STM32的模/数转换器应用软件设计 习题第11章STM32DMA控制器 （2学时）11.1STM32DMA的基本概念 11.1.1DMA的定义 11.1.2DMA传输的基本要素 11.1.3DMA传输过程 11.2STM32DMA的结构和主要特征 11.3STM32DMA的功能描述 11.3.1DMA处理 11.3.2仲裁器 11.3.3DMA通道 11.3.4DMA中断 11.4DMA的HAL驱动程序 11.4.1DMA的HAL函数概述 11.4.2DMA传输初始化配置 11.4.3启动DMA数据传输 11.4.4DMA的中断 11.5采用STM32Cube和HAL库的DMA应用实例 11.5.1STM32的DMA配置流程 11.5.2STM32的DMA应用硬件设计 11.5.3STM32的DMA应用软件设计 习题第12章嵌入式实时操作系统FreeRTOS （4学时）12.1FreeRTOS系统概述 12.1.1FreeRTOS的特点 12.1.2FreeRTOS的商业许可 12.1.3FreeRTOS的发展历史 12.1.4FreeRTOS的功能 12.2FreeRTOS的源码和相应官方手册获取 12.3FreeRTOS系统移植 12.4FreeRTOS的文件组成 12.5FreeRTOS的编码规则及配置和功能裁剪 12.6FreeRTOS的任务管理 12.6.1任务相关的一些概念 12.6.2FreeRTOS的任务调度 12.6.3任务管理相关函数 12.7进程间通信与消息队列 12.7.1进程间通信 12.7.2队列的特点和基本操作 12.8信号量 12.8.1二值信号量 12.8.2计数信号量 12.8.3互斥量 12.8.4递归互斥量 12.8.5相关函数概述 12.19FreeRTOS任务管理应用实例 习题五、教学方法在教学方式上，以目前的授课资源为基础，不断丰富教学内容，积极采用启发和研讨式教学方法，促进课堂的生动性，提高学生的学习的主动性和应用的积极性，从而提高教学的质量。课堂教学中对难点与重点内容采用循序渐进的方法，将基础理论知识和实际工程应用相结合，通过实际案例的分析、介绍，让学生掌握计算机控制系统的硬件电路及软件分析和综合设计的方法。此外，本课程的教学内容将不断更新，充分结合自动化学院的科研课题，引入一些理论和应用的最新研究成果，拓宽学生的视野，从理论知识、分析能力、应用能力和解决问题的能力方面不断丰富教学内容。（1）理论讲解：通过课堂讲授，向学生介绍嵌入式系统的基本概念、工作原理、设计方法和开发流程等基础知识。理论讲解是打下坚实基础的重要环节。（2）案例分析：选择一些典型的嵌入式系统设计案例，如智能家居、自动驾驶汽车、无人机等，分析它们的设计思路、实现技术和面临的挑战。通过案例分析，学生可以更好地理解理论知识在实际中的应用。（3）实验实践：设置与课程内容相关的实验，让学生亲手操作嵌入式开发板、编写嵌入式软件，进行系统的设计、开发和测试。实验实践是提高学生动手能力和解决实际问题能力的关键环节。（4）项目设计：鼓励学生团队合作，完成一个完整的嵌入式系统设计项目。项目设计不仅能够让学生综合运用所学知识，还能培养他们的团队合作能力和项目管理能力。（5）翻转课堂：通过让学生在课前观看视频、阅读资料等方式自学，然后在课堂上进行讨论、提问和解决问题。翻转课堂能够激发学生的主动学习兴趣，提高课堂效率。（6）讲座和研讨会：邀请嵌入式系统设计领域的专家和工程师来学校做讲座，分享他们的经验和见解。通过参加研讨会，学生可以了解行业的最新动态和技术发展趋势。（7）在线资源和工具：利用在线教学平台和模拟软件等工具，为学生提供更多