“嵌入式系统设计与应用”课程思政内容

“嵌入式系统设计与应用”课程思政内容《嵌入式系统设计与应用》是一门计算机科学与技术专业的专业必修课程。课程内容包括四部分：嵌入式系统基础知识、嵌入式硬件、嵌入式软件和嵌入式系统设计方法。本课程的主要任务是学习嵌入式系统基本理论及其应用，学习嵌入式系统的组成及应用的知识；培养学生分析与设计嵌入式系统的基本能力；培养学生自学、分析和解决嵌入式系统设计中出现的问题的能力，培养学生的科学精神和系统观，以及培养学生认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。树立正确的价值观、人生观和世界观。保证学生达成专业的相应毕业要求。通过本课程的学习使学生掌握嵌入式系统的基本原理、方法、过程和设计技术，培养针对具体应用问题开展嵌入式系统开发的能力，树立正确的价值观、人生观和世界观。价值目标：（1）树立正确的世界观、价值观和人生观；（2）培养学生的爱国精神。2．知识和能力目标：（1）掌握嵌入式系统的基本概念以及ARM微处理器体系结构的基础知识。 （毕业要求1.5）；（2）掌握嵌入式系统的基本分析与设计方法，能进行典型嵌入式系统的分析。（毕业要求3.2）；（3）掌握嵌入式编程技术，能进行典型嵌入式系统环境下程序设计。（毕业要求3.2）；（4）了解先进嵌入式系统的原理与方法。 （毕业要求1.5）；课程教学包括课堂教学、课堂研讨、课堂及课后习题、实验四部分，包括9章的理论教学和7次实验。课内理论教学58学时、实验14学时。课堂理论教学内容、要求及学时分配如下：支撑毕业要求指标点理解掌握分析与应用第一章思政案例：系统观系统观是指以系统的观点看自然界。系统是自然界物质的普遍存在形式，提出了系统和要素，结构与功能等新的范畴，揭示了自然界物质系统的整体性、关联性、层次性、开放性和动态性、自组织性。系统的一般定义为：由相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体。可以从以下三方面理解系统的概念。（1)系统是由若干要素（部分)组成的。这些要素可能是一些个体、元件、零件，也可能其本身就是一个系统（或称为子系统）。（2）系统有一定的结构。一个系统是其构成要素的集合，这些要素相互联系、相互制约。系统内部各要素之间相对稳定的联系方式、组织秩序及失控关系的内在表现形式，就是系统的结构。（3）系统有一定的功能。系统的功能是指系统在与外部环境的相互联系和相互作用中表现出来的性质和能力。系统观是马克思主义基本原理的重要内容，强调系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机体；要从事物的总体与全局上、从要素的联系与结合上研究事物的运动与发展，找出规律、建立秩序，实现整个系统的优化；要用开放的复杂系统的观点、用从定性到定量的综合集成方法研究问题。嵌入式系统现在已经广泛应用于各个领域的控制和自动化系统中，例如电子仪器、医疗设备、军事工业等行业。在这些领域中，嵌入式系统和软件通常发挥着关键的作用。本小节将从系统观的角度探讨嵌入式系统的设计和实现。首先，嵌入式系统的设计始终贯穿于实际应用的需求。这意味着系统设计人员必须对应用场景充分了解，从而确定系统的功能和性能需求。例如，许多嵌入式系统在设计之初就需要考虑功耗、温度、噪声等因素。另外，嵌入式系统通常需要具备实时性能，即必须在硬实时或软实时的时间限制内对传感器数据、运动控制等进行处理。因此，嵌入式系统的设计必须严格遵循这些实时性能的需求。其次，嵌入式系统需要面向硬件平台和软件平台的协同设计。嵌入式系统通常是基于特定的硬件平台构建的，因此其具体开发方法和技术也有很大不同。这些技术可以极大地提高硬件平台和软件平台的效率和稳定性，从而带来更高的系统性能和可靠性。第三，嵌入式系统的设计需要兼顾系统的可维护性。随着嵌入式系统设计的不断发展，系统规模不断增大，软件版本也不断迭代。这就要求设计人员必须在系统的调试、测试和维护方面做好充分准备，使得系统的问题能够及时进行排查和解决。在这个过程中，设计人员必须采用一些现代化的维修方法，如远程监控、升级和修复程序，以提高系统的可靠性和使用寿命。最后，嵌入式系统的设计需要注重安全性和保密性。由于嵌入式系统往往控制着重要的系统组件，例如交通、能源等等，因此这些系统的安全性和保密性至关重要。在设计过程中必须考虑系统在不可靠环境下的部署问题，确保系统能够抵御外部攻击，同时保护重要数据的安全性和保密性。综上所述，嵌入式系统设计必须遵循系统观的原则，注重实际应用需求、硬件平台和软件平台的协同设计、系统的可维护性和稳定性、安全性和保密性等方面的实际问题，从而为工程实践提供更高效、稳定、安全和可靠的技术支持。第二章思政案例：原理精神科学是发现规律，揭示事物最本质、最普遍的原理。科学不仅要回答是什么，还要回答为什么。同时，普遍性是规律的基本特征，不具有普遍性的不是规律。科学就是根据事物的普遍性去处理事物的特殊性。在理性社会，人类的行为模式已经从生产-技术-科学转向科学-技术-生产，也就是先通过科学研究，弄清事物的原理，再以科学理论指导自己的行为，这是理性社会的重要特性。通过RISC和CISC的分类即可以发现针对不同的“通用计算”和“专用计算”的目标必须采用不同的客观的原理去分析。按指令系统进行分类，嵌入式微处理器可分为精简指令集系统RISC（ReducedInstructionSetComputer）和复杂指令集系统CISC（ComplexInstructionSetComputer）两大类。精简指令集系统RISC，是计算机中央处理器的一种设计模式。这种设计思路对指令数目和寻址方式都做了精简，使其更容易实现，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。常用的精简指令集微处理器包括DECAlpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、、RISC-V和SPARC等。RISC结构一般具有如下特点：（1）单周期的执行。它统一用单周期指令，从根本上克服了CISC指令周期的数目有长有短造成的运行中偶发性不确定，运行失常的问题。（2）采用高效的流水线操作。指令在流水线中并行地操作，提高了处理数据和指令的速度。（3）无微代码的硬连线控制。微代码的使用会增加复杂性和每条指令的执行周期。（4）指令格式的规格化和简单化。为与流水线结构相适应且提高流水线的效率，指令的格式必须趋于简单和固定的规式。此外，尽量减少寻址方式，从而使硬件逻辑部件简化且缩短译码时间，同时也提高了机器执行效率和可靠性。（5）采用面向寄存器组的指令。RISC结构采用大量的寄存器—寄存器操作指令，使指令系统更为精简。控制部件更为简化，指令执行速度大大提高。（6）采用Load/Store（装载/存储）指令结构。在CISC结构中。大量设置存储器操作指令，频繁地访问内存，将会使执行速度降低。RISC结构的指令系统中，只有装载/存储指令可以访问内存，而其他指令均在寄存器之间对数据进行处理。（7）注重编译的优化，力求有效地支撑高级语言程序。综上所述，要更好的掌握嵌入式系统的知识，必须从原理出发，结合实践，与时俱进，实事求是，这样才能秉持科学精神的核心价值，不断进步。第三章思政案例：怀疑精神怀疑精神是由求实精神引申而来，它要求人们凡事都要问一个为什么，追问它究竟有什么根据，而决不轻易相信一切结论，不迷信权威。合理怀疑是科学理性的天性，科学的历史就是通过怀疑，提出问题并解答问题的历史。在科学理性面前，不存在终极真理，不存在认识上的独断和绝对权威。怀疑精神是破除轻信和迷信，冲破旧传统观念束缚的一把利剑。缺乏怀疑精神，容易导致盲目轻信。怀疑精神是批判精神的前导，批判精神是怀疑精神的延伸。没有合理的怀疑，就没有科学的批判；而没有科学的批判，就没有科学的建树。新思想是在对旧思想的否定中诞生的，真理是在同谬误的斗争中发展的。当然，科学的批判精神并不是形而上学的绝对否定，而是辩证的扬弃。科学精神体现了科学性与革命性、建设性与批判性的统一。本章介绍一个CPU支持的指令和指令的字节级编码就是这个CPU的指令集（ISA），指令集在计算机软件和硬件之间搭起了桥梁。不同的CPU家族（如X86、PowerPC和ARM）都有不同的ISA。ARM主要采用32位指令集，占据了32位RISC处理器80%的市场。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定。1991年成立于英国剑桥的ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商主要出售ARM芯片的设计许可（IPcore），本身不直接从事芯片生产。从ARM公司购买了IP核的半导体生产商再根据各自不同应用领域，加入合适的外围设备和电路，生产出基于ARM处理器核的各种微控制器和中央处理器投入市场。全世界有几十家大的半导体公司包括高通、三星、华为等都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。过去二十年，ARM在移动和嵌入式领域成果丰硕，在物联网领域正逐渐确定其市场地位，其他商用架构（如MIPS）逐渐消亡。不仅如此，ARM还在进军Intel所在的x86市场，已经对传统PC和服务器领域造成一定压力。RISC-V开源指令集的出现，迅速引起了产业界的广泛关注，科技巨头很看重指令集架构（CPUISA）的开放性，各大公司正在积极寻找ARM之外的第二选择，RISC-V是当前的最佳选择。RISC-V是一种开源的指令集架构，它不是一款CPU芯片，甚至不是一个完整的指令集，它是指令集规范和标准。RISC-V的指令集使用模块化方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示。RISC-V最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是由Ｉ字母表示整数指令子集。综合来看，虽然在嵌入式微处理器领域目前ARM仍处于领导者地位，但是在自力更生和国产替代的指导思想下，秉持科学精神中的重要表现-------怀疑精神，是发展我国开源指令集架构的重要抓手，这也是为避免我国在微处理器领域被“卡脖子”的重要源泉。第四章思政案例：探索精神探索精神是由作为科学研究对象的客观世界的无限性和复杂性决定的。研究对象永无止境，科学永无止境，科学探索永无止境，思想解放亦永无止境。科学的最基本态度之一就是探索，科学的最基本精神之一就是批判。科学精神是顽强执着、锲而不舍的探索精神，古往今来，任何一项科学发现和发明，都不是凭空出现的，都经历过实践、认识、再实践、再认识这样一个完整过程；都不是一帆风顺的，都要经历不断探索真理、不断追求真理、不断坚持真理这样一个艰难过程。科学家们正是凭着锲而不舍、不畏艰难险阻的精神，以非凡的勇气和毅力，孜孜不倦地探索着科学的奥秘，在科学的各个领域做出了杰出的贡献。EXYNOS4412是一款由三星公司研发的嵌入式应用处理器。该芯片采用了ARMCortex-A9核心，具有高性能、低功耗等特点，并且适用于多种领域的应用，例如智能手机、平板电脑、数字电视、工业自动化等。在EXYNOS4412的设计和应用过程中，工程师们需要对硬件和软件技术领域进行深入的研究和探索，以求找到最佳方案。例如，在开发过程中遇到了芯片温度过高、功耗过大等问题。但是，面对这些挑战，设计者并没有退缩或放弃，而是勇于拥抱挑战，不断尝试、探索和创新，最终成功地克服了这些技术难题。EXYNOS4412的开发过程中，工程师们深入了解市场需求和客户需求，根据用户反馈和实际应用场景进行不断的调整和优化。例如，在汽车导航领域，工程师们需要考虑到不同车型、不同地域的导航需求，以实现满足不同用户的需求。在智能手机领域，工程师们需要及时跟进市场变化，推出更加符合消费者需求的产品。在EXYNOS4412的实践过程中，工程师们需要面对各种各样的技术和问题，并积极尝试解决。例如，在硬件设计方面，工程师们需要考虑到电路板上的信号干扰、电源电压等问题。在软件编程方面，工程师们需要解决程序的复杂性、可靠性等问题，在测试验证阶段，工程师们需要积极排查各种可能的问题，确保产品质量。EXYNOS4412的设计和应用过程中展现了探索精神的重要作用。只有不断改进和创新，才能推动技术和市场的发展，并提升产品的品质和竞争力。第五章思政案例：科学精神自从ARM架构成为全球各种智能设备的主流处理器之一，ARM-Linux内核的开发就变得愈加重要。在ARM-Linux内核的开发过程中，科学精神起着至关重要的作用。科学精神是人们在长期的科学实践活动中形成的共同信念、价值标准和行为规范的总称，是指由科学性质所决定并贯穿于科学活动之中的基本的精神状态和思维方式，是体现在科学知识中的思想或理念。它一方面约束科学家的行为，是科学家在科学领域内取得成功的保证；另一方面，又逐渐地渗入大众的意识深层。首先，科学精神是科学本质特征的重要体现。科学精神是贯穿于整个科学发展历史过程中以及全部科学活动过程中具有普遍意义的思想意识。科学精神的内涵非常深广，其内容是随着社会实践的变化而不断地发展变化的。其次，科学精神是一种人类社会中带有共通性价值的精神。对科学精神的理解要从多视角、多元化的角度去认识，对其内涵的界定必须考虑其广泛的适应性。科学精神是科学的灵魂，以求实和创新为核心诉求，是现实可能性和主观能动性的结合。其中，现实可能性来自对客观性的追求，主观能动性则体现为强烈的创新意识。科学精神强调的是理性、求真和严谨的态度，这也是软件开发所需的必要素质。科学精神不仅意味着对事实和证据的真正关注，而且意味着经验性知识和假设性想法是不断受到挑战和改进的，随着时间的推移，知识总量会增长。在ARM-Linux内核的开发过程中，科学精神是推动技术前沿发展的关键力量。首先，在ARM-Linux内核开发中，开发者需要以一种开放思维的方式来处理问题，提高自己对于计算机体系结构和底层硬件运行的了解。ARM-Linux内核的开发需要进行严谨的探索和实验。通过实践和试验，不断寻求改进和优化的方法，从而充分发挥硬件的性能优势，并为用户带来更好的体验。为了创建一个高质量、高度优化的硬件和操作系统集成，内核开发人员需要深入了解所有与ARMCPU和Linux操作系统相关的信息，并将其转化为可验证和测试的代码。例如，他们会测试内核的无符号数缩放算法，用来满足需要灵活查找的文件索引查找过程中的高效性；或验证内核的标准结构体中每个字段的大小、强制对齐大小和其他特性是否符合ARM架构的规范。其次，在开发时充分遵循科学原则和规律，是确保代码质量和操作系统性能的必要条件。妥善处理计算机中多并发进程之间的共享资源问题，优化内存管理、CPU调度等，都需要经过严密的测试和实验。为了保证内核稳定性和安全性，内核开发人员还应该严格遵循开发流程的规定，包括设计、编写可重用的代码组件、进行版本控制、录制历史记录等。最后，在ARM-Linux内核的开发中，开发者需要不断学习和改进，要时刻保持理性和客观的态度，不能因为个人喜好或偏见而影响决策。尽管ARM-Linux已经是一个成熟的操作系统，但内核开发人员仍然需要持续了解现代CPU的技术迭代，以及如何更好地利用硬件进行高效的数据处理。因此，教育和训练在这里扮演重要角色。开发人员还应该与同行交互，并共享他们所学习到的设备和开发技巧。总之，ARM-Linux内核的开发展示出了科学精神的核心价值，并为软件开发领域树立了榜样，它透过以实践为基础的探索，不断追求改进并为我们带来更多价值。第六章思政案例：实证精神嵌入式Linux文件系统是一种可以运行于嵌入式系统中的文件系统，它与嵌入式操作系统紧密结合，为嵌入式系统提供了稳定可靠的数据管理服务。嵌入式Linux文件系统的应用环境非常复杂多样，需要设计者具备严谨的设计态度和精益求精的实证精神，才能够保证系统的可靠性和稳定性。实证精神要求一切科学认识必须建立在充分可靠的经验基础上，以可检验的科学事堂为出发点，运用公认为正确的研究方法完成科学理论的构建。实证精神是一种客观的态度要求在思考和研究中尽力地排除主观因素的影响，尽可能精确地揭示出事物的本来面目同时，这种客观性又必须满足普遍性的要求，即客观知识必须是能够重复检验的公共知识.而不是个体的体验。实证精神，就是尊重事实、诚实正直，并进行符合逻辑的思维，是科学的重要品质。以存储介质为例，在文件系统框架底层，Flash和RAM都在嵌入式系统中得到广泛应用。由于具有高可靠性、高存储密度、低价格、非易失、擦写方便等优点，Flash存储器取代了传统的EPROM和EEPROM，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。根据所采用的制造技术不同，Flash存储器主要分为NorFlash和NandFlash两种。NorFlash通常容量较小，其主要特点是程序代码可以直接在Flash内运行。NorFlash具有RAM接口，易于访问，缺点是擦除电路复杂，写速度和擦除速度都比较慢，最大擦写次数约10万次，典型的块大小是128k字节。NandFlash通常容量较大，具有很高的存储密度，从而降低了单位价格。NandFlash的块尺寸较小，典型大小为8k字节，擦除速度快，使用寿命也更长，最大擦写次数可以达到100万次，但是其访问接口是复杂的I/O口，并且坏块和位反转现象较多，对驱动程序的要求较高。由于NorFlash和NandFlash各具特色，因此它们的用途也各不相同，NorFlash一般用来存储体积较小的代码，而NandFlash则用来存放大体积的数据。综上所述，只有通过反复的实验证明和严谨的科学构建，才能选择正确的存储介质。第七章思政案例：求实精神科学认为世界是不以人们主观意志为转移的客观存在，科学活动要求人们从事各种物质创造活动时应该遵循实事求是的态度，要求正确认识客观世界的运动，因此，客观唯实、追求真理是科学精神的首要要求。科学精神就是彻底的唯物主义精神，也即实事求是精神解放思想，客观唯实，追求真理是科学精神的实质。科学要追求真理，不盲从潮流，不迷信机威，不把偶然性当必然性，不把局部看作全体。嵌入式系统发的移植工作必须要有求实精神的指导。移植就是把程序从一个运行环境转移到另一个运行环境。在主机-开发机的交叉模式下，即是把主机上的程序下载到目标机上运行。嵌入式Linux系统的移植主要针对BootLoader（最常用的是U-Boot）、Linux内核、文件系统这三部分展开工作。U-Boot是在系统上电时开始执行，初始化硬件设备，准备好软件环境，然后才调用Linux操作系统内核。文件系统是Linux操作系统中用来管理用户文件的内核软件层。文件系统包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上文件系统。根文件系统包括系统使用的软件和库，以及所有用来为用户提供支持架构和用户使用的应用软件，并作为存储数据读/写结果的区域。嵌入式Linux系统移植的一般流程是：首先构建嵌入式Linux开发环境，包括硬件环境和软件环境；。其次，移植引导加载程序BootLoader；。然后，移植Linux内核和构建根文件系统；。最后，一般还要移植或开发设备驱动程序。这几个步骤完成之后，嵌入式Linux已经可以在目标板上运行起来，开发人员能够在串口控制台进行命令行操作。如果需要图形界面支持，还需要移植位于用户应用程序层次的GUI(GraphicalUserInterface)，比如Qtopia、MiniGUI等。可见，嵌入式Linux系统移植的过程中，开发者必须针对目标板的实际情况制定移植的架构和细节，选择合适的环境和配置及参考板有利于整体项目的推进，必须实事求是的根据软硬件平台的需求展开设计工作，这样才符合科学精神的核心价值观。第八章思政案例：理性精神理性精神是对理智的崇尚，是科学认识主体通过概念、判断、推理、分析、综合、归纳、演绎等逻辑性的思维活动所体现出来的。理性精神把自然界视为人的认识和改造的对象，它坚信客观世界是可以认识的，人可以凭借智慧和知识把握自然对象，甚至控制自然过程。要求人们尊重客观规律，探索客观规律，并把对客观规律的科学认识作为人们行动的指南。提倡科学的理性，就要反对盲从和迷信。崇尚理性思考，绝非简单拒绝或否认人的非理性的精神世界。人具有丰富的精神世界，不仅追求理性和真，而且追求情感、信仰，追求美和善、意义和价值。本章介绍的驱动程序开发相关知识无一不秉持理性精神。设备驱动程序是应用程序和硬件设备之间的一个软件层，它向下负责和硬件设备的交互，向上通过一个通用的接口挂接到文件系统上，从而使用户或应用程序访问硬件时可以无须考虑具体的硬件实现环节。由于设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件细节，在用户或者应用程序看来，硬件设备只是一个透明的设备文件，应用程序对该硬件进行操作就像是对普通的文件进行访问（如打开、关闭、读和写等）。由于设备种类繁多,相应的设备驱动程序也非常多。尽管设备驱动程序是内核的一部分，但设备驱动程序的开发往往由很多不同团队的人来完成，如业余编程人员、设备厂商等。为了让设备驱动程序的开发建立在规范的基础上，就必须在驱动程序和内核之间有一个严格定义和管理的接口，通过这个规范可以规范设备驱动程序与内核之间的接口。Linux的设备驱动程序可以分为以下部分。：（1）驱动程序与内核的接口，这是通过关键数据结构file_operations来完成的。（2）驱动程序与系统引导的接口，这部分利用驱动程序对设备进行初始化。（3）驱动程序与设备的接口，这部分描述了驱动程序如何与设备进行交互,这与具体设备密切相关。综合看来，驱动程序的开发就好比“建桥”，“建桥”需要明确桥的走向和支持，这就要求开发者需要明确硬件、内核、引导程序这几方面的关系，掌握细节的设计方法，用理性的精神作为指导，更好的开展工作。第九章思政案例：创新精神科学精神是科学研究者进行科学研究、获得真理所需用的精神素质的总和。它具有丰富的内涵和多方面的特征。概言之，主要表现为求实精神、实证精神、探索精神、理性精神、创新精神、怀疑精神、独立精神和原理精神。Qt/Embedded(简称QtE)是一个专门为嵌入式系统设计图形用户界面的工具包。Qt是挪威Trolltech软件公司的产品，它为各种系统提供图形用户界面的工具包，QtE就是Qt的嵌入式版本。2012年12月19日，Qt5.0宣布正式发行。相对于以前的版本，Qt5.0是一个全新的跨平台应用程序和用户界面开发框架的版本，可流行于桌面、嵌入式和移动应用程序。通过以上介绍不难看出，从专门需要针对嵌入式领域开发的QtE版本到“一次编译，跨平台流行”的Qt5版本，这深深体现了科学精神中的创新精神内在含义。创新精神充分体现了人类特有的主观能动性。科学精神倡导创新思维和开拓精神，鼓励人们在尊重事实和规律的前提下，敢于标新立异，科学精神的本质要求是开拓创新。嵌入式GUI领域之所以不断有新发现、新技术、新创意，之所以充满着生机和活力，就在于不断更新观念，大胆改革创新。第十章思政案例：工匠精神嵌入式数据库管理系统（EmbeddedDataBaseManagementSystem，EDBMS）是可以独立运行于嵌入式系统中的数据库管理系统,是位于用户和嵌入式操作系统之间的数据管理软件,它支持移动计算或某种特定模式的计算。通常与嵌入