嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程教學(xué)大綱

1、嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程教學(xué)大綱、課程基本信息課程代碼：230449課程名稱：嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用英文名稱：PrincipleandApplicationofEmbeddedSystem課程類別：專業(yè)課學(xué)時：72（其中實驗32學(xué)時）學(xué)分：3.5適用對象：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)業(yè)考核方式：考試（平時成績占總評成績的30%期末考13c成績占70%先修課程：計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理二、課程簡介嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用是計算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)課，講述嵌入式系統(tǒng)的基本理論、原理。本課程是一門既與硬件關(guān)系緊密，又與嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件關(guān)系十分緊密課程。它圍繞目前流行的32位ARMt理器和源碼開

2、放的Linux操作系統(tǒng)，講述嵌入式系統(tǒng)的概念，軟、硬件組成，開發(fā)過程以及嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)設(shè)計方法。本課程的知識將為學(xué)生今后從事嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。Theprincipleofembeddedsystemisanimportantcourseofcomputerscienceandtechnology,whichintroducetheprinciplesandthetheoryofembeddedsystem.Thiscurriculumistiedcloselywithnotonlyhardwarebutalsoembeddedoperatingsystemandembed

3、dedsoftware.Itintroducetheconceptionofembeddedsystem,componentsofsoftwareandhardware,developingprogressesanddesigningmethodsofembeddedprogrammingwhichbasedonthe32bitarmprocessorandoperatingsystemofopenedlinux.Theknowledgeofthiscoursewouldbesolidfoundationforthestudentwhowouldbeengagedinresearchingor

4、developingaboutembeddedsystem.三、課程性質(zhì)與教學(xué)目的嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程的性質(zhì)：該課程是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課。嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程的教學(xué)目的：通過對基于ARM嵌入式芯片的系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)與工作原理的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對計算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分有一個全面的了解，對嵌入式軟件的開發(fā)過程有一個清楚的認(rèn)識，通過對嵌入式操作系統(tǒng)的工作原理的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對嵌入式操作系統(tǒng)有一個清晰的認(rèn)識，提高學(xué)生在嵌入式軟件設(shè)計設(shè)計能力及解決實際問題的動手能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。四、教學(xué)內(nèi)容及要求第一章嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論1 .掌握嵌入式系統(tǒng)的特點2 .掌握嵌入式系統(tǒng)與通用

5、計算機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別3 .了解嵌入式系統(tǒng)在日常生活種的應(yīng)用4 .掌握影響嵌入式系統(tǒng)實時性和可靠性的主要因素5 .了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)概述、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、嵌入式系統(tǒng)的實時性與可靠性、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2 .基本概念與知識點嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程、嵌入式系統(tǒng)的特點、嵌入式系統(tǒng)的分類、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、嵌入式系統(tǒng)的可靠性、嵌入式系統(tǒng)的實時性、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）掌握嵌入式系統(tǒng)的概念。b）嵌入式系統(tǒng)與通用計算機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別是什么？c）了解嵌入式系統(tǒng)在發(fā)展歷程中的幾個階段？d）掌握嵌入式系統(tǒng)的特點是什么？e）了解嵌入式系統(tǒng)的

6、分類。f）嵌入式系統(tǒng)的可靠性分為幾個方面？嵌入式軟件可靠性有哪些措施可以用來保證？（三）課后練習(xí)1 .什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)與通用計算機(jī)系統(tǒng)的異同是什么？2 .嵌入式系統(tǒng)的特點是什么？3 .按實時性來分，嵌入式系統(tǒng)可以分為幾類？它們的特點是什么？4 .按軟件結(jié)構(gòu)來分，嵌入式系統(tǒng)可分為幾類？它們的優(yōu)缺點是什么？分別適用于哪些系統(tǒng)？5 .前后臺系統(tǒng)的組成和運行模式是怎樣的？需要考慮的主要因素有哪些主要性能指標(biāo)是什么？6 .單處理器多任務(wù)系統(tǒng)由哪些部分組成？其運行方式如何？7 .嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？8 .影響嵌入式軟件可靠性的主要因素有哪些？如何保證嵌入式軟件的可靠性？9 .影響系

7、統(tǒng)響應(yīng)時間的主要因素有哪些？10 .描述嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢。（四）教學(xué)方法與手段課堂講授為主，布置部分作業(yè)，在講解時多舉一些嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用實例，使學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)有更好的認(rèn)識與理解。第2章嵌入式硬件系統(tǒng)（一）目的與要求1 .掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件的基本組成2 .了解嵌入式微處理器的基本組成和運行模式3 .基本了解ARMS片的指令系統(tǒng)（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容嵌入式硬件的基本組、嵌入式微處理器，總線、存儲器、指令系統(tǒng)、輸入輸出接口和設(shè)備2 .基本概念與知識點嵌入式系統(tǒng)的基本組成、CISC與RISC指令系統(tǒng)的對比、嵌入式微處理器的特點、嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式微處理器的分類、

8、AMBA&線、PCI總線、ARM旨令系統(tǒng)3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）要求了解在嵌入式微處理器中算術(shù)格式的表示格式。b）要求了解嵌入式微處理器中的流水線。c）要求掌握ARM芯片的指令集。d）理解影響嵌入式處理器價格的因素。e）掌握ARM芯片中具有的各種處理器模式。f）掌握ARM芯片中的寄存器。（三）課后練習(xí)1 .嵌入式硬件系統(tǒng)由那些部分組成？2 .嵌入式系統(tǒng)處理器的分類、特點是什么？主流的嵌入式處理器有哪些？3 .ARMt幾種異常？其異常處理方式和X86有什么不同？4 .ARM有幾種運行模式？哪些具有特權(quán)？如何改變處理器的模式？運行模式和寄存器的關(guān)系如何？什么是影子寄存器？（四）教學(xué)

9、方法與手段課堂講授為主，結(jié)合課堂練習(xí)為輔，布置部分作業(yè)。第3章嵌入式軟件系統(tǒng)（一）目的與要求1.了解嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、分類和運行流程2,掌握嵌入式操作系統(tǒng)的功能和特點3 .基本掌握嵌入式軟件開發(fā)工具的特點和軟件開發(fā)的過程4 .了解嵌入式軟件開發(fā)工具的發(fā)展趨勢。（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容嵌入式軟件系統(tǒng)概述、分類、體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)簡介、嵌入式軟件開發(fā)工具2 .基本概念與知識點軟件同傳統(tǒng)的工業(yè)相比的獨特性質(zhì)、嵌入式軟件的特點、嵌入式軟件的分類、嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)、嵌入式軟件運行流程、嵌入式操作系統(tǒng)的分類、嵌入式操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)的組成、內(nèi)核的功能、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)

10、展趨勢3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）了解常見的嵌入式軟件開發(fā)工具ADS的使用。b）掌握什么是宿主機(jī)，什么是目標(biāo)機(jī)。c）掌握交叉開發(fā)環(huán)境的搭建。d）掌握交叉編譯、調(diào)試的過程與步驟。（三）課后練習(xí)1 .嵌入式軟件的種類與特點是什么？2 .嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)包括哪幾個部分？每部分的作用是什么？3 .嵌入式軟件的運行流程一般分為幾個階段？每個階段完成的主要工作是什么？4 .什么是交叉調(diào)試？交叉調(diào)試的方式有哪幾種？5 .嵌入式軟件固化運行與調(diào)試運行環(huán)境有何不同？（四）教學(xué)方法與手段課堂講授為主，結(jié)合課堂練習(xí)為輔，布置部分作業(yè)。安排一次試驗，讓學(xué)生熟悉嵌入式軟件交叉開發(fā)環(huán)境。第4章嵌入式實時內(nèi)核基礎(chǔ)（

11、一）目的與要求1,掌握嵌入式實時內(nèi)核的實時性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性的具體含義和影響因素2 ,了解實時內(nèi)核的任務(wù)管理、中斷管理、時間管理、共享資源的互斥管理、同步與通信管理、內(nèi)存管理、IO管理、出錯管理、用戶擴(kuò)展管理和電源管理的主要內(nèi)容3 .掌握嵌入式實時內(nèi)核的重要性能指標(biāo)（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容嵌入式實時內(nèi)核的關(guān)鍵設(shè)計問題、嵌入式實時內(nèi)核的主要功能、嵌入式實時內(nèi)核的重要性能指標(biāo)2 .基本概念與知識點實時性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性、應(yīng)用編程接口、任務(wù)管理、中斷管理、時間管理、共享資源的互斥管理、同步與通信管理、內(nèi)存管理、IO管理、出錯管理、用戶擴(kuò)展管理、電源管理、中斷時

12、序圖、中斷延遲時間、內(nèi)核最大關(guān)中斷時間、中斷響應(yīng)時間、中斷恢復(fù)時間、非屏蔽中斷、中斷處理時間、任務(wù)上下文切換時間、任務(wù)響應(yīng)時間、系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行時間3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）掌握不同的調(diào)度算法對系統(tǒng)實時性的影響。b）掌握差分時間鏈的特點和常見操作。c）掌握中斷的特點與過程。（三）實踐環(huán)節(jié)與課后練習(xí)1 .嵌入式實時內(nèi)核設(shè)計的關(guān)鍵問題包括哪些方面？2 .任務(wù)響應(yīng)時間受到哪些因素的影響？3 .采用專門的棧處理中斷，有哪些好處？4 .試編程實現(xiàn)差分時間鏈的插入與刪除節(jié)點的算法。（四）教學(xué)方法與手段課堂講授為主，結(jié)合課堂提問為輔，布置部分作業(yè)。安排一次試驗，讓學(xué)生掌握差分時間鏈，進(jìn)一步了解嵌入式軟件

13、的開發(fā)過程。第5章任務(wù)管理與調(diào)度（一）目的與要求1 .掌握任務(wù)的定義、任務(wù)的三種基本狀態(tài)轉(zhuǎn)變2 .掌握在嵌入式系統(tǒng)中各種調(diào)度算法的具體思想3 .掌握優(yōu)先級反轉(zhuǎn)解決機(jī)制，時序圖和多處理器調(diào)度算法。（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容任務(wù)管理與調(diào)度概述、任務(wù)的概念、任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)、多處理器調(diào)度2 .基本概念與知識點任務(wù)管理與調(diào)度概述、任務(wù)的概念、特性、內(nèi)容、參數(shù)、任務(wù)管理、任務(wù)控制塊、任務(wù)切換、任務(wù)隊列、任務(wù)管理機(jī)制、優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度、靜態(tài)調(diào)度、動態(tài)調(diào)度、靜態(tài)調(diào)度與動態(tài)調(diào)度的比較、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)、優(yōu)先級繼承協(xié)議、優(yōu)先級天花板協(xié)議、多處理器調(diào)度3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）掌握嵌

14、入式系統(tǒng)中任務(wù)的狀態(tài)變遷。b）掌握優(yōu)先級的位圖算法。c）掌握RMSS度算法。d）要求的在優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的情況下，能畫出任務(wù)的執(zhí)行序列圖。（三）課后練習(xí)1 .請解釋什么叫RMSffiEDF調(diào)度算法，并分別說明CPUS用率的可調(diào)度范圍。2 .什么叫任務(wù)切換？任務(wù)切換通常在什么時候進(jìn)行？任務(wù)切換的主要工作內(nèi)容是什么？3 .基于RMSH度算法,為表5-11中的任務(wù)分配優(yōu)先級（假定數(shù)字越大，優(yōu)先級越低）。如果所有任務(wù)的運行時間均為6m§請問這些任務(wù)是否可調(diào)度？請用圖示和文字描述的方式對任務(wù)的運行情況進(jìn)行詳細(xì)說明。任務(wù)周期/msT125T260T350T4150T575T6504 .什么叫優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

15、？解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)有哪些主要方法?（四）教學(xué)方法與手段課堂講授為主，結(jié)合課堂提問為輔，布置部分作業(yè)。第6章同步、互斥和通信1.掌握信號量的分類及其基本用法2,掌握用PV操作來實現(xiàn)任務(wù)之間的同步3.了解嵌入式系統(tǒng)中的郵箱、消息隊列、事件和異步信號機(jī)制。（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容信號量、郵箱與消息隊列、事件、異步信號2 .基本概念與知識點信號量的種類及用途、互斥信號量、二值信號量、計數(shù)信號量、信號量機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信號量機(jī)制的主要功能、任務(wù)間的通信方式、消息、郵箱、隊列、消息隊列機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、消息隊列機(jī)制的主要功能、事件機(jī)制、事件機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、事件機(jī)制的主要功能、異步信號機(jī)制的概述

16、、異步信號機(jī)制與中斷機(jī)制的比較、異步信號機(jī)制與事件機(jī)制的比較、異步信號機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、異步信號機(jī)制的主要功能3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）掌握生產(chǎn)者與消費者問題的解決方法。b）什么是事件？有什么特點？c）掌握異步信好與中斷機(jī)制的異同點。d）掌握異步信號與事件機(jī)制的異同點。（三）課后練習(xí)1 .嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的同步、互斥與通信機(jī)制主要有哪些？2 .在創(chuàng)建互斥信號量、二值信號量和計數(shù)信號量是由哪些異同點？3 .任務(wù)等待消息的方式有哪幾種？當(dāng)任務(wù)試圖接收消息時，什么情況下系統(tǒng)可能發(fā)生任務(wù)的重新調(diào)度？4 .請列表說明異步信號機(jī)制與中斷的異同點。（四）教學(xué)方法與手段課堂講授為主，結(jié)合課堂提問

17、為輔，布置部分作業(yè)。第7章中斷和時間管理（一）目的與要求1 .掌握中斷的概念、分類、中斷的處理過程2 ,了解實時內(nèi)核的中斷管理和用戶中斷服務(wù)程序3 .了解時間管理的基本功能、差分時間鏈在時間管理中的應(yīng)用（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容中斷管理、時間管理2 .基本概念與知識點中斷的分類、中斷處理過程、實時內(nèi)核的中斷管理、硬件時鐘設(shè)備、時間管理3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）中斷處理過程分為幾個階段？b）中斷響應(yīng)過程主要包括哪些操作？c）中斷服務(wù)程序的主要內(nèi)容有哪些？（三）課后練習(xí)1 .請闡述中斷的概念，并說明中斷與自陷、異常之間在概念上有哪些聯(lián)系與區(qū)別.2 .請說明在系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)程序中，主要完成

18、哪些工作。3 .以一種開源的嵌入式操作系統(tǒng)為例，就該操作系統(tǒng)所采用的中斷管理方式進(jìn)行詳細(xì)分析，并寫出分析報告。4 .中斷是如何分類的？5 .描述中斷處理的基本過程。（四）教學(xué)方法與手段課堂講授為主，結(jié)合課堂提問為輔，布置部分作業(yè)。第8章內(nèi)存管理和I/O管理（一）目的與要求1 .掌握在嵌入式操作系統(tǒng)中內(nèi)存管理的基本方法2 ,了解內(nèi)存管理機(jī)制3 .了解I/O管理的基本功能。（二）教學(xué)內(nèi)容1 .主要內(nèi)容內(nèi)存管理、I/O管理2 .基本概念與知識點內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存管理機(jī)制、固定大小存儲區(qū)管理、可變大小存儲區(qū)管理、內(nèi)存映射、I/O管理的功能、I/O系統(tǒng)的實現(xiàn)考慮3 .問題與應(yīng)用（能力要求）a）為什么嵌入式系統(tǒng)通常采用快速而確定的內(nèi)存管理，而不采用虛擬存儲技術(shù)？b）試編程模擬嵌入式操作系統(tǒng)中的固定大小存儲區(qū)管理、可變大小存儲區(qū)管理方式。c）嵌入式操作系統(tǒng)中I/O管理的功能有哪些？d）嵌入式操作系統(tǒng)中內(nèi)存保護(hù)是如何實現(xiàn)的？（三）實踐環(huán)節(jié)與課后練習(xí)1 .內(nèi)存主要存放哪些內(nèi)容，實時系統(tǒng)在進(jìn)行內(nèi)存管理時通常需要考慮哪些因素？2 .以一種開源的嵌入式操作系統(tǒng)為例，就該操作系統(tǒng)所采用的內(nèi)存管理方式進(jìn)行詳細(xì)分析，并寫出分析報告。3 .以一種開源的嵌入式操作系統(tǒng)為例，就該操作系統(tǒng)所采用的I/O管理方式進(jìn)行詳細(xì)分析