嵌入式系统设计与工程实践 教学大纲

XX大学XXXX学院《嵌入式系统设计》课程教学大纲编写人：XXX审定人：XXX编制时间：2026.4.20审定时间：2026.4.26一、课程基本信息：课程名称嵌入式系统设计英文名称Designofembeddedsystem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36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《嵌入式系统设计》面向计算机、自动化、电子信息、机电一体化、物联网等专业，是一门注重理论与实践深度融合的专业核心必修课。课程以嵌入式系统的基本概念为起点，系统阐述硬件体系与软件架构的协同关系，涵盖处理器内核、存储体系、片上外设与总线互联、启动机制与中断系统、驱动与中间件抽象、实时操作系统（RTOS）与应用框架等关键内容。课程强调从“需求—架构—实现—验证—优化”的工程闭环思维，培养学生的系统性认知与工程实现能力。在硬件部分，课程以ARMCortex-M系列为主线，结合典型芯片（如STM32F1/F4或同等架构）的时钟树、复位电路、引脚复用、供电与去耦、晶振与启动配置、最小系统板设计进行讲解；引导学生完成从原理图分析、元器件选型、接口电路匹配到PCB关键走线与电磁兼容性（EMC/EMI）基础的综合训练。围绕GPIO、EXTI、TIM、USART、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM、DMA等核心外设，课程通过分层示例阐明寄存器级配置与HAL/LL驱动的取舍关系，帮助学生建立可移植、可维护的底层驱动能力。在软件部分，课程从裸机编程入手，过渡到基于RTOS的并发任务管理、时间片与优先级、任务间通信（队列、信号量、事件标志组）、定时器与内存管理、功耗管理与低功耗模式切换等主题；同时引入设备驱动模型与抽象接口设计，讲解模块化、解耦化与层次化的软件工程方法。课程以C语言为主，适度引入C++在抽象封装与组件复用中的实践要点，兼顾代码可读性、可测试性与性能优化。实践教学采用“项目驱动+情境式案例”的组织方式：通过环境感知（温湿度、气压、光照、IMU惯性）、人机交互（按键消抖、OLED/LCD显示、蜂鸣器告警）、通信互联（UART调试、I2C/SPI传感器总线、Modbus/485、BLE/Wi-Fi网关对接）等专题，完成数据采集、信号处理、协议解析、远程监控与边缘计算的端到端闭环。进阶综合训练围绕物联网节点原型构建与能耗优化，覆盖功耗预算、采样占空比控制、睡眠/唤醒策略、故障自诊断与看门狗设计、在线升级（FOTA/Bootloader基础）等实战内容。课程坚持理论的科学性与严谨性，强调基于数据与证据的分析方法与规范化实验流程；同时突出工程问题导向与应用落地能力，倡导在约束条件下进行需求权衡与方案优化。完成课程后，学生应能够：（1）独立完成嵌入式最小系统的设计、搭建与调试；（2）编写稳定可靠的驱动与应用程序，进行多任务并发与资源管理；（3）进行软硬件协同联调、性能评测与功耗优化；（4）将嵌入式系统应用于物联网、智能制造、边缘AI等场景，并为后续课程与毕业设计提供有力支撑。通过本课程的学习，学生不仅获得扎实的技术基础与项目实践经验，还将形成面向实际问题的系统化思维与持续学习能力，显著提升专业素养与职业拓展潜力。三、教学目标本课程面向计算机、自动化、电子信息、机电一体化与物联网等相关专业，围绕“概念—体系—平台—外设—通信—应用”的渐进式主线，强调理论与实践相结合、软硬件协同与系统方法并重。课程以ARMCortex-M与STM32F103为核心载体，贯穿嵌入式系统概念、硬件架构、软件层次、实时操作系统、典型外设以及综合应用案例（GPIO、EXTI、TIM、USART、I2C、ADC、DMA及多类传感器模块）。通过项目驱动与场景化训练，学生将掌握从需求分析、方案设计、原理图与最小系统搭建，到驱动开发、协议实现、联调与优化的完整流程，形成可迁移的工程能力与可持续的学习能力，为物联网应用、边缘计算与智能制造等后续课程和毕业设计奠定坚实基础。（1）认知与趋势洞察在理解嵌入式系统的基本概念、发展历程与典型特征的基础上，能够梳理嵌入式系统的应用领域与技术生态，结合教材目录中的应用实例（智能机器人、数智工厂、自动驾驶、智能家居、国防工业等），总结行业现状与技术发展趋势，培养基于证据的分析、归纳与预测能力。（2）体系结构与设计流程理解嵌入式系统硬件架构与软件层次，包括处理器内核、存储映像、外设与总线互联、启动与中断机制，以及裸机与带操作系统的软件形态；掌握嵌入式系统设计与开发的一般流程：需求定义—架构设计—原理图与最小系统实现—驱动与中间件—应用开发—验证与优化—文档与交付。（3）ARM/STM32核心知识系统掌握ARM体系结构要点与Cortex-M3内核特性，理解STM32F103系列的时钟、复位、引脚复用、存储器映像与启动模式；能够基于数据手册与参考手册进行资源评估与架构取舍，为后续外设与系统集成奠定基础。（4）开发工具与工程实践熟练使用主流开发环境与调试工具（如KeilMDK、编译配置、下载与仿真、断点与寄存器观察、固件库/HAL/LL使用），掌握项目组织、代码规范、版本管理与基础单元测试方法，实现从样例到独立工程的迁移与复用。（5）外设驱动与接口能力理解并掌握STM32常用外设资源及其HAL/寄存器级配置与应用：GPIO/EXTI：输入输出、复用、上拉下拉、外部中断与消抖；TIM：计数、PWM、输入捕获/输出比较、定时中断；USART：串行通信时序、收发中断与回调、协议封装；I2C：主从时序、阻塞/中断/DMA传输、与EEPROM/传感器通信；ADC：采样配置、单通道/多通道、触发与数据处理；DMA：传输初始化、通道与中断配置、外设到内存的高效搬运。具备基于上述外设模块的应用与实践能力，能够完成传感器数据采集、信号处理与人机交互等任务。通过项目案例完成从芯片选型、资源预算、总体方案设计，到硬件电路实现、驱动开发、协议实现与联调优化的全流程训练；针对具体场景（如光敏、热敏、烟雾、空气质量、气压计、陀螺仪、心率血氧等模块）实现端到端系统；在此过程中显性培养以下能力：分析问题与需求澄清；系统架构与接口定义；团队协作、任务分解与进度管理；风险控制、调试方法与性能/功耗优化；工程文档撰写与结果复现。（6）质量与职业素养坚持理论的科学性与严谨性，遵循规范化实验流程与数据驱动的验证方法；形成工程伦理与质量意识，具备将嵌入式技术应用于物联网、智能制造、边缘AI等复杂场景的职业能力与持续成长动能。四、课程教学内容及学时分配第1章嵌入式系统概述 1.1嵌入式系统的概念 1.1.1嵌入式系统的发展历程 1.1.2嵌入式系统的特点 1.2嵌入式系统的组成 1.3嵌入式系统的软件 1.3.1无操作系统的嵌入式软件 1.3.2带操作系统的嵌入式软件 1.3.3嵌入式操作系统的分类 1.3.4嵌入式实时操作系统的功能 1.3.5典型嵌入式操作系统 1.4嵌入式系统的体系 1.4.1硬件架构 1.4.2软件层次 1.5嵌入式系统应用实例 1.5.1智能机器人 1.5.2智能终端 1.5.3数智工厂 1.5.4空间站 1.5.5自动驾驶 1.5.6智能家用呼吸机 1.5.7智能家居控制系统 1.5.8国防工业 1.6ARM嵌入式微处理器 1.6.1ARM概述 1.6.2ARM体系结构与特点 1.6.3Cortex-M3处理器的主要特性 习题第2章STM32F103微控制器与开发平台 2.1STM32微控制器概述 2.1.1STM32微控制器系列产品 2.1.2STM32微控制器的命名规则 2.2STM32F1系列产品系统构架和STM32F103内部架构 2.2.1STM32F1系列产品系统架构 2.2.2STM32F103的内部架构 2.3STM32F103的存储器映像 2.3.1STM32F103内置外设的地址范围 2.3.2嵌入式SRAM 2.5.1STM32F103C8T6引脚定义 2.5.2STM32F103C8T6片内资源 2.6.1电源电路 2.6.2复位电路 2.6.3时钟电路 2.6.4启动模式设置电路 2.6.5编程接口电路 2.6.6STM32F103C8T6最小系统核心电路 2.7.1STM32F103C8T6开发板 2.7.2STM32F103C8T6仿真器 2.9.1KeilMDK集成开发环境介绍 2.9.2KeilMDK集成开发环境的开发优势 习题第3章GPIO与应用实例 3.1通用输入输出接口概述 3.1.1STM32F103的输入通道 3.1.2STM32F103的输出通道 3.2STM32F103的GPIO功能 3.2.1STM32F103普通I/O功能 3.2.2STM32F103单独的位设置或位清除 3.2.3STM32F103外部中断/唤醒线 3.2.4STM32F103复用功能（AF） 3.2.5STM32F103软件重新映射I/O复用功能 3.2.6STM32F103的GPIO锁定机制 3.2.7STM32F103输入配置 3.2.8STM32F103输出配置 3.2.9STM32F103复用功能配置 3.2.10STM32F103模拟输入配置 3.2.11STM32F103的GPIO操作 3.4.1普通GPIO配置 3.4.2IO复用功能AFIO配置 3.5STM32F103的GPIO配置方法 3.5.1STM32F103的普通GPIO配置 3.5.2STM32F103的GPIO复用功能配置 3.6STM32F103的跑马灯应用实例 3.6.1跑马灯应用实例硬件设计 3.6.2跑马灯应用实例软件设计 3.7STM32F103的按键输入应用实例 3.7.1STM32F103的按键输入应用实例硬件设计 3.7.2STM32F103的按键输入应用实例软件设计 习题第4章外部中断与应用实例 4.1STM32F103中断系统 4.1.1嵌套向量中断控制器NVIC 4.1.2STM32F103中断优先级 4.1.3STM32F103中断向量表 4.1.4STM32F103中断服务函数 4.2STM32F103外部中断/事件控制器EXTI 4.2.1STM32F103的EXTI内部结构 4.2.2STM32F103的EXTI工作原理 4.2.3EXTI主要特性 4.3外部中断的HAL驱动函数 4.3.1中断设置相关HAL驱动函数 4.3.2外部中断相关HAL函数 4.4STM32F103外部中断设计流程 4.5STM32F103的外部中断应用实例 4.5.1STM32F103的外部中断应用实例硬件设计 4.5.2STM32F103的外部中断应用实例软件设计 习题第5章通用定时器与应用实例 5.1STM32F103定时器概述 5.2STM32F103通用定时器 5.2.1STM32F103通用定时器概述 5.2.2STM32F103通用定时器的主要功能 5.2.3STM32F103通用定时器的功能描述 5.2.4STM32F103通用定时器的工作模式 5.2.5STM32F103通用定时器的寄存器 5.3定时器的HAL库函数 5.3.1基础定时器HAL驱动函数 5.3.2外设中断处理与HAL驱动程序宏函数解析 5.4STM32F103通用定时器应用实例 5.4.1STM32的通用定时器配置流程 5.4.2STM32F103通用定时器应用实例硬件设计 5.4.3STM32F103通用定时器应用实例软件设计 习题第6章USART与应用实例 6.1STM32的USART工作原理 6.1.1STM32的USART概述 6.1.2STM32的USART功能 6.1.3STM32的USART串行通信时序 6.1.4STM32的USART中断 6.1.5STM32的USART相关寄存器 6.2USART的HAL驱动函数 6.2.1STM32的USART常用功能函数 6.2.2STM32的USART常用宏函数 6.2.3STM32的中断事件与回调函数 6.3STM32的USART串行通信应用实例 6.3.1STM32的USART基本配置流程 6.3.2USART串行通信应用实例的硬件设计 6.3.3USART串行通信应用实例的软件设计 习题第7章I2C接口与串行EEPROM应用实例 7.1STM32的I2C通信原理 7.1.1I2C控制器介绍 7.1.2I2C总线的数据传送 7.2STM32F103的I2C接口 7.2.1STM32F103的I2C主要特性 7.2.2STM32F103的I2C内部结构 7.2.3STM32F103的模式选择 7.3I2C的HAL驱动函数 7.3.1I2C接口的初始化 7.3.2I2C阻塞式数据传输 7.3.3I2C中断方式数据传输 7.3.4I2C的DMA方式数据传输 7.4I2C串行EEPRM应用实例 7.4.1STM32的I2C配置 7.4.2I2C串行EEPRM应用实例的硬件设计 7.4.3I2C串行EEPRM应用实例的软件设计 习题第8章ADC与应用实例 8.1STM32F103的内部集成ADC 8.1.1STM32F103的ADC的主要特征 8.1.2STM32F103的ADC模块结构 8.1.3STM32F103的ADC配置 8.1.4STM32F1的ADC应用特征 8.2ADC的HAL驱动函数 8.2.1ADC的常规通道驱动函数 8.2.2ADC的注入通道驱动函数 8.3STM32的ADC单通道转换应用实例 8.3.1STM32的ADC配置流程 8.3.2STM32的ADC单通道转换应用实例硬件设计 8.3.3STM32的ADC单通道转换应用实例软件设计 习题第9章DMA与应用实例 9.1STM32DMA的结构和主要特征 9.2STM32的DMA功能 9.2.1STM32的DMA处理 9.2.2STM32的仲裁器 9.2.3STM32的DMA通道 9.2.4STM32的DMA中断 9.3DMA的HAL驱动函数 9.3.1DMA的HAL函数概述 9.3.2DMA传输初始化配置 9.3.3启动DMA数据传输 9.3.4DMA的中断 9.4STM32的DMA应用实例 9.4.1STM32的DMA配置流程 9.4.2STM32的DMA应用实例硬件设计 9.4.3STM32的DMA应用实例软件设计 习题第10章STM32F103与传感器模块应用设计案例 10.1STM32F103和光敏传感器模块应用设计案例 10.1.1ATK-MB001光敏传感器模块概述 10.1.2ATK-MB001光敏传感器模块使用 10.1.3ATK-MB001光敏传感器模块的功能测试 10.2STM32F103和热敏传感器模块应用设计案例 10.2.1ATK-MB002热敏传感器模块概述 10.2.2ATK-MB002热敏传感器模块使用 10.2.3ATK-MB002热敏传感器模块的功能测试 10.3STM32F103和蜂鸣器模块应用设计案例 10.3.1ATK-MB003蜂鸣器模块概述 10.3.2ATK-MB003蜂鸣器模块的使用 10.3.3ATK-MB003蜂鸣器模块的功能测试 10.4STM32F103和循迹模块应用设计案例 10.4.1ATK-MB04循迹模块概述 10.4.2ATK-MB04循迹模块的使用 10.4.3ATK-MB004循迹模块的功能测试 10.5STM32F103和烟雾传感器模块应用设计案例 10.5.1ATK-MB05烟雾传感器模块概述 10.5.2ATK-MB05烟雾传感器模块使用 10.5.3ATK-MB005烟雾传感器模块的功能测试 10.6STM32F103和空气质量传感器模块应用设计案例 10.6.1ATK-MB006空气质量传感器模块概述 10.6.2ATK-MB006空气质量传感器模块的使用 10.6.3ATK-MB006空气质量传感器模块的功能测试 10.7STM32F103和雨量传感器模块应用设计案例 10.7.1ATK-MB009雨量传感器模块概述 10.7.2ATK-MB009雨量传感器模块的使用 10.7.3ATK-MB009雨量传感器模块的功能测试 10.8STM32F103和ATK-MB017气压计模块应用设计案例 10.8.1ATK-MB017气压计模块概述 10.8.2ATK-MB017气压计模块的使用 10.8.3ATK-MB017气压计模块的功能测试 10.9STM32F103和ATK-MB018六轴陀螺仪模块应用设计案例 10.9.1ATK-MB018六轴陀螺仪模块概述 10.9.2ATK-MB018六轴陀螺仪模块的使用 10.9.3ATK-MB018六轴陀螺仪模块的功能测试 10.10STM32F103和ATK-MB020心率血氧模块应用设计案例 10.10.1ATK-MB020心率血氧模块概述 10.10.2ATK-MB020