《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)大綱一、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：Principle and Application of Embedded System課程類別：專業(yè)課 學(xué) 時(shí)：72（其中實(shí)驗(yàn)32學(xué)時(shí)）學(xué)分：3.5適用對(duì)象: 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)業(yè)考核方式：考試（平時(shí)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的30%，期末考試成績(jī)占70%）先修課程：計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理二、課程簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用是計(jì)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A

2、RM處理器和源碼開放的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(jì)方法。本課程的知識(shí)將為學(xué)生今后從事嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。The principle of embedded system is an important course of computer science and technology, which introduce the principles and the theory of embedded system. This curriculum is tied closely with not only hardw

3、are but also embedded operating system and embedded software. It introduce the conception of embedded system, components of software and hardware, developing progresses and designing methods of embedded programming which based on the 32bit arm processor and operating system of opened linux. The know

4、ledge of this course would be solid foundation for the student who would be engaged in researching or developing about embedded system.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(jì)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(duì)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(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分有一個(gè)全面的了解，對(duì)嵌入式軟件的開發(fā)過程有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，通過對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的工作原理的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)嵌入

5、式操作系統(tǒng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生在嵌入式軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)能力及解決實(shí)際問題的動(dòng)手能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)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（一） 目的與要求1 掌握嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)2 掌握嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)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(shí)時(shí)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(shì)（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(shí)時(shí)性與可靠性、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)2 基本概念與知識(shí)點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)、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

6、統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)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(jì)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(gè)階段？d) 掌握嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？e) 了解嵌入式系統(tǒng)的分類。f) 嵌入式系統(tǒng)的可靠性分為幾個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的異同是什么？2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？3 按實(shí)時(shí)性來分，嵌入式系統(tǒng)可以分為幾類？它們的特點(diǎn)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(diǎn)是什么？分別適用于哪些系統(tǒng)？5 前后臺(tái)系統(tǒng)的組成和運(yùn)行模式是怎樣

7、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(yùn)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 影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)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(shì)。（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(shí)多舉一些嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)有更好的認(rèn)識(shí)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(yùn)行模式3 基本了解ARM芯片的指令系統(tǒng)（二） 教學(xué)內(nèi)容1 主要內(nèi)容嵌入式硬件

8、的基本組、嵌入式微處理器，總線、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、輸入輸出接口和設(shè)備2 基本概念與知識(shí)點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的基本組成、CISC與RISC指令系統(tǒng)的對(duì)比、嵌入式微處理器的特點(diǎn)、嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式微處理器的分類、AMBA總線、PCI總線、ARM指令系統(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(jià)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

9、點(diǎn)是什么？主流的嵌入式處理器有哪些？3 ARM有幾種異常？其異常處理方式和X86有什么不同？4 ARM有幾種運(yùn)行模式？哪些具有特權(quán)？如何改變處理器的模式？運(yùn)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)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(yùn)行流程2 掌握嵌入式操作系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)3 基本掌握嵌入式軟件開發(fā)工具的特點(diǎn)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(shì)。（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(jiǎn)介、嵌入式軟件開發(fā)工具2 基本概念與知識(shí)

10、點(diǎn)軟件同傳統(tǒng)的工業(yè)相比的獨(dú)特性質(zhì)、嵌入式軟件的特點(diǎn)、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(yùn)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)展趨勢(shì)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(diǎn)是什么？2 嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)包括哪幾個(gè)部分？每部分的作用是什么？3 嵌入式軟件的運(yùn)行流程一般分為幾個(gè)階段？每個(gè)階段完成的主要工作是什么？4 什么是交叉調(diào)試？交

11、叉調(diào)試的方式有哪幾種？5 嵌入式軟件固化運(yùn)行與調(diào)試運(yùn)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(yàn)，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(shí)時(shí)內(nèi)核基礎(chǔ)（一） 目的與要求1 掌握嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)內(nèi)核的任務(wù)管理、中斷管理、時(shí)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(cuò)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)內(nèi)核的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題、嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的主要功能、嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的重要性

12、能指標(biāo)2 基本概念與知識(shí)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(shí)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(cuò)管理、用戶擴(kuò)展管理、電源管理、中斷時(shí)序圖、中斷延遲時(shí)間、內(nèi)核最大關(guān)中斷時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間、中斷恢復(fù)時(shí)間、非屏蔽中斷、中斷處理時(shí)間、任務(wù)上下文切換時(shí)間、任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行時(shí)間3 問題與應(yīng)用（能力要求）a) 掌握不同的調(diào)度算法對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響。b) 掌握差分時(shí)間鏈的特點(diǎn)和常見操作。c) 掌握中斷的特點(diǎn)與過程。（三） 實(shí)踐環(huán)節(jié)與課后練習(xí)1 嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題包括哪些方面？2 任務(wù)響應(yīng)時(shí)間受到哪些因素的影響？3

13、 采用專門的棧處理中斷，有哪些好處？4 試編程實(shí)現(xiàn)差分時(shí)間鏈的插入與刪除節(jié)點(diǎn)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(yàn)，讓學(xué)生掌握差分時(shí)間鏈，進(jìn)一步了解嵌入式軟件的開發(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(jí)反轉(zhuǎn)解決機(jī)制，時(shí)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(jí)反轉(zhuǎn)、多處理器調(diào)度2 基本概念與知識(shí)點(diǎn)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)

14、切換、任務(wù)隊(duì)列、任務(wù)管理機(jī)制、優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度、靜態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)調(diào)度、靜態(tài)調(diào)度與動(dòng)態(tài)調(diào)度的比較、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)、優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議、優(yōu)先級(jí)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) 掌握嵌入式系統(tǒng)中任務(wù)的狀態(tài)變遷。b) 掌握優(yōu)先級(jí)的位圖算法。c) 掌握RMS調(diào)度算法。d) 要求的在優(yōu)先級(jí)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(qǐng)解釋什么叫RMS和EDF調(diào)度算法，并分別說明CPU使用率的可調(diào)度范圍。2 什么叫任務(wù)切換？任務(wù)切換通常在什么時(shí)候進(jìn)行？任務(wù)切換的主要工作內(nèi)容是什么？3 基于RMS調(diào)度算法，為表5-11中的任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)(假定數(shù)字越大，優(yōu)先級(jí)越低)。如果

15、所有任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間均為6ms，請(qǐng)問這些任務(wù)是否可調(diào)度？請(qǐng)用圖示和文字描述的方式對(duì)任務(wù)的運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)說明。任務(wù)周期/msT125T260T350T4150T575T6504 什么叫優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)？解決優(yōu)先級(jí)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（一） 目的與要求1 掌握信號(hào)量的分類及其基本用法2 掌握用PV操作來實(shí)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(duì)列、事件和異步信號(hào)機(jī)制。（二） 教學(xué)內(nèi)容1 主要內(nèi)容信號(hào)量、郵箱與消息隊(duì)列、事件、異步信號(hào)2 基本概念與知識(shí)點(diǎn)信號(hào)量的種類及用途、互斥信號(hào)量、二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)

16、量、信號(hào)量機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信號(hào)量機(jī)制的主要功能、任務(wù)間的通信方式、消息、郵箱、隊(duì)列、消息隊(duì)列機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、消息隊(duì)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(hào)機(jī)制的概述、異步信號(hào)機(jī)制與中斷機(jī)制的比較、異步信號(hào)機(jī)制與事件機(jī)制的比較、異步信號(hào)機(jī)制的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、異步信號(hào)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(fèi)者問題的解決方法。b) 什么是事件？有什么特點(diǎn)？c) 掌握異步信好與中斷機(jī)制的異同點(diǎn)。d) 掌握異步信號(hào)與事件機(jī)制的異同點(diǎn)。（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(hào)量、二值信

17、號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量是由哪些異同點(diǎn)？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(shí)，什么情況下系統(tǒng)可能發(fā)生任務(wù)的重新調(diào)度？4 請(qǐng)列表說明異步信號(hào)機(jī)制與中斷的異同點(diǎn)。（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7章 中斷和時(shí)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(shí)時(shí)內(nèi)核的中斷管理和用戶中斷服務(wù)程序3 了解時(shí)間管理的基本功能、差分時(shí)間鏈在時(shí)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(shí)間管理2 基本概念與知識(shí)點(diǎn)中斷的分類、中斷處理過程、實(shí)時(shí)內(nèi)核的中斷管理、硬件時(shí)鐘設(shè)備、時(shí)間管理3 問題與應(yīng)用（能力要求）a) 中斷處理過程分為幾

18、個(gè)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(qǐng)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(qǐng)說明在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中，主要完成哪些工作。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(bào)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(shí)點(diǎn)內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存管理機(jī)制、固定大