《嵌入式系统原理与应用》课程教学大纲文档格式.docx
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Thｅprｉnｃｉpleoｆｅmｂeｄdｅd syｓteｍisａnimpｏrｔantｃourse ｏfｃｏｍpｕterscienceanｄteｃｈnｏloｇｙ,ｗhich introduce tｈe pｒiｎcｉplesaｎdｔｈethｅoｒyofｅmbeddedsystｅm.Tｈiscuｒricuｌuｍｉstiｅdcloselｙ witｈnotonly hardwarebut ａlsoｅｍbeｄdeｄopｅrating systｅｍ anｄembeddeｄｓoｆtware. Ｉtinｔroducetｈe ｃonceｐｔｉonofｅmbｅdded system，compｏnentsｏｆ soｆｔwareand ｈarｄｗaｒe,deveｌopｉng progreｓｓesaｎｄｄesiｇninｇmethoｄsofembｅdded ｐｒｏgraｍmｉnｇｗhicｈ baｓedoｎ the32bｉt ａrｍprocesｓorandｏpeｒatｉnｇsystｅｍ ｏfoｐeｎedliｎuｘ．Tｈeknｏwledgｅ ofthis couｒseｗｏｕld ｂe soliｄfoｕndaｔｉonｆoｒ thｅstuｄeｎtwho woulｄbｅengagedｉn researｃhingor deｖｅｌｏpｉｎgaboｕt embeｄdedsysteｍ．
三、课程性质与教学目的
嵌入式系统原理与应用课程的性质:
该课程是计算机科学与技术专业的专业课。
嵌入式系统原理与应用课程的教学目的：
通过对基于ARM嵌入式芯片的系统的基本组织结构与工作原理的学习,使学生对计算机系统的硬件部分有一个全面的了解,对嵌入式软件的开发过程有一个清楚的认识，通过对嵌入式操作系统的工作原理的学习,使学生对嵌入式操作系统有一个清晰的认识，提高学生在嵌入式软件设计设计能力及解决实际问题的动手能力，为后续专业课程的学习打下坚实的基础 。
四、教学内容及要求
第一章嵌入式系统导论
（一）目的与要求
1．掌握嵌入式系统的特点
2．掌握嵌入式系统与通用计算机系统的区别
3．了解嵌入式系统在日常生活种的应用
4．掌握影响嵌入式系统实时性和可靠性的主要因素
5．了解嵌入式系统的发展趋势
（二）教学内容
1．ﻩ主要内容
嵌入式系统概述、嵌入式系统的应用领域、嵌入式系统的实时性与可靠性、嵌入式系统的发展趋势
2．基本概念与知识点
嵌入式系统的发展过程、嵌入式系统的特点、嵌入式系统的分类、嵌入式系统的应用领域、嵌入式系统的可靠性、嵌入式系统的实时性、嵌入式系统的发展趋势
3．问题与应用（能力要求）
a）掌握嵌入式系统的概念。
b）嵌入式系统与通用计算机系统的区别是什么?
c）了解嵌入式系统在发展历程中的几个阶段？
d）掌握嵌入式系统的特点是什么?
e）了解嵌入式系统的分类。
f）嵌入式系统的可靠性分为几个方面?
嵌入式软件可靠性有哪些措施可以用来保证?
（三）课后练习
1．什么是嵌入式系统?
嵌入式系统与通用计算机系统的异同是什么?
2．嵌入式系统的特点是什么？
3．按实时性来分,嵌入式系统可以分为几类?
它们的特点是什么?
4．按软件结构来分,嵌入式系统可分为几类?
它们的优缺点是什么?
分别适用于哪些系统？
5．前后台系统的组成和运行模式是怎样的?
需要考虑的主要因素有哪些？
主要性能指标是什么?
6．单处理器多任务系统由哪些部分组成?
其运行方式如何?
7．嵌入式系统的主要应用领域有哪些?
8．影响嵌入式软件可靠性的主要因素有哪些?
如何保证嵌入式软件的可靠性?
9．影响系统响应时间的主要因素有哪些？
１０．描述嵌入式系统的发展历程和发展趋势。
（四）教学方法与手段
课堂讲授为主,布置部分作业，在讲解时多举一些嵌入式系统的应用实例,使学生对嵌入式系统有更好的认识与理解。
第2章 嵌入式硬件系统
1．掌握嵌入式系统的硬件的基本组成
2．了解嵌入式微处理器的基本组成和运行模式
3．基本了解ＡＲM芯片的指令系统
1．主要内容
嵌入式硬件的基本组、嵌入式微处理器,总线、存储器、指令系统、输入输出接口和设备
嵌入式系统的基本组成、ＣIＳC与RISC指令系统的对比、嵌入式微处理器的特点、嵌入式微处理器的体系结构、嵌入式微处理器的分类、AMBＡ总线、PCＩ总线、ARM指令系统
a）要求了解在嵌入式微处理器中算术格式的表示格式。
b）要求了解嵌入式微处理器中的流水线。
c）要求掌握ＡRM芯片的指令集。
d）理解影响嵌入式处理器价格的因素。
e）掌握ARM芯片中具有的各种处理器模式。
f）掌握AＲM芯片中的寄存器。
1．嵌入式硬件系统由那些部分组成?
2．嵌入式系统处理器的分类、特点是什么？
主流的嵌入式处理器有哪些?
3．ARM有几种异常？
其异常处理方式和Ｘ8６有什么不同?
4．ARM有几种运行模式?
哪些具有特权?
如何改变处理器的模式？
运行模式和寄存器的关系如何?
什么是影子寄存器？
课堂讲授为主,结合课堂练习为辅,布置部分作业。
第3章嵌入式软件系统
1．了解嵌入式软件系统的体系结构、分类和运行流程
2．掌握嵌入式操作系统的功能和特点
3．基本掌握嵌入式软件开发工具的特点和软件开发的过程
4．了解嵌入式软件开发工具的发展趋势。
嵌入式软件系统概述、分类、体系结构、嵌入式操作系统简介、嵌入式软件开发工具
软件同传统的工业相比的独特性质、嵌入式软件的特点、嵌入式软件的分类、嵌入式软件体系结构、嵌入式软件运行流程、嵌入式操作系统的分类、嵌入式操作系统的体系结构、嵌入式操作系统的组成、内核的功能、嵌入式操作系统的发展趋势
a）了解常见的嵌入式软件开发工具ADＳ的使用。
b）掌握什么是宿主机，什么是目标机。
c）掌握交叉开发环境的搭建。
d）掌握交叉编译、调试的过程与步骤。
1．嵌入式软件的种类与特点是什么？
2．嵌入式软件的体系结构包括哪几个部分?
每部分的作用是什么?
3．嵌入式软件的运行流程一般分为几个阶段？
每个阶段完成的主要工作是什么?
4．什么是交叉调试？
交叉调试的方式有哪几种?
5．嵌入式软件固化运行与调试运行环境有何不同?
课堂讲授为主,结合课堂练习为辅，布置部分作业。
安排一次试验，让学生熟悉嵌入式软件交叉开发环境。
第4章 嵌入式实时内核基础
1．掌握嵌入式实时内核的实时性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性的具体含义和影响因素
2．了解实时内核的任务管理、中断管理、时间管理、共享资源的互斥管理、同步与通信管理、内存管理、ＩＯ管理、出错管理、用户扩展管理和电源管理的主要内容
3．掌握嵌入式实时内核的重要性能指标
嵌入式实时内核的关键设计问题、嵌入式实时内核的主要功能、嵌入式实时内核的重要性能指标
实时性、可移植性、可剪裁可配置性、可靠性、应用编程接口、任务管理、中断管理、时间管理、共享资源的互斥管理、同步与通信管理、内存管理、IＯ管理、出错管理、用户扩展管理、电源管理、中断时序图、中断延迟时间、内核最大关中断时间、中断响应时间、中断恢复时间、非屏蔽中断、中断处理时间、任务上下文切换时间、任务响应时间、系统调用的执行时间
a）掌握不同的调度算法对系统实时性的影响。
b）掌握差分时间链的特点和常见操作。
c）掌握中断的特点与过程。
（三）实践环节与课后练习
1．嵌入式实时内核设计的关键问题包括哪些方面？
2．任务响应时间受到哪些因素的影响?
3．采用专门的栈处理中断,有哪些好处?
4．试编程实现差分时间链的插入与删除节点的算法。
课堂讲授为主，结合课堂提问为辅,布置部分作业。
安排一次试验，让学生掌握差分时间链,进一步了解嵌入式软件的开发过程。
第５章 任务管理与调度
1．掌握任务的定义、任务的三种基本状态转变
2．掌握在嵌入式系统中各种调度算法的具体思想
3．掌握优先级反转解决机制，时序图和多处理器调度算法。
任务管理与调度概述、任务的概念、任务管理、任务调度、优先级反转、多处理器调度
任务管理与调度概述、任务的概念、特性、内容、参数、任务管理、任务控制块、任务切换、任务队列、任务管理机制、优先级抢占调度、时间片轮转调度、静态调度、动态调度、静态调度与动态调度的比较、优先级反转、优先级继承协议、优先级天花板协议、多处理器调度
a）掌握嵌入式系统中任务的状态变迁。
b）掌握优先级的位图算法。
c）掌握RMS调度算法。
d）要求的在优先级反转的情况下,能画出任务的执行序列图。
1．请解释什么叫ＲＭＳ和EＤF调度算法,并分别说明ＣＰＵ使用率的可调度范围。
2．什么叫任务切换？
任务切换通常在什么时候进行?
任务切换的主要工作内容是什么?
3．基于RMＳ调度算法，为表5-11中的任务分配优先级（假定数字越大,优先级越低）。
如果所有任务的运行时间均为６ms,请问这些任务是否可调度?
请用图示和文字描述的方式对任务的运行情况进行详细说明。
任务
周期/ｍs
T1
25
T2
60
T３
50
T4
150
T５
75
T6
4．什么叫优先级反转?
解决优先级反转有哪些主要方法？
课堂讲授为主,结合课堂提问为辅，布置部分作业。
第6章同步、互斥和通信
1．掌握信号量的分类及其基本用法
2．掌握用PV操作来实现任务之间的同步
3．了解嵌入式系统中的邮箱、消息队列、事件和异步信号机制。
信号量、邮箱与消息队列、事件、异步信号
信号量的种类及用途、互斥信号量、二值信号量、计数信号量、信号量机制的主要数据结构、信号量机制的主要功能、任务间的通信方式、消息、邮箱、队列、消息队列机制的主要数据结构、消息队列机制的主要功能、事件机制、事件机制的主要数据结构、事件机制的主要功能、异步信号机制的概述、异步信号机制与中断机制的比较、异步信号机制与事件机制的比较、异步信号机制的主要数据结构、异步信号机制的主要功能
a）掌握生产者与消费者问题的解决方法。
b）什么是事件?
有什么特点?
c）掌握异步信好与中断机制的异同点。
d）掌握异步信号与事件机制的异同点。
1．嵌入式操作系统内核提供的同步、互斥与通信机制主要有哪些？
2．在创建互斥信号量、二值信号量和计数信号量是由哪些异同点？
3．任务等待消息的方式有哪几种？
当任务试图接收消息时,什么情况下系统可能发生任务的重新调度？
4．请列表说明异步信号机制与中断的异同点。
课堂讲授为主，结合课堂提问为辅，布置部分作业。
第７章中断和时间管理
1．掌握中断的概念、分类、中断的处理过程
2．了解实时内核的中断管理和用户中断服务程序
3．了解时间管理的基本功能、差分时间链在时间管理中的应用。
中断管理、时间管理
中断的分类、中断处理过程、实时内核的中断管理、硬件时钟设备、时间管理
a）中断处理过程分为几个阶段?
b）中断响应过程主要包括哪些操作？
c）中断服务程序的主要内容有哪些?
1．请阐述中断的概念,并说明中断与自陷、异常之间在概念上有哪些联系与区别．
2．请说明在系统时钟中断服务程序中,主要完成哪些工作。
3．以一种开源的嵌入式操作系统为例,就该操作系统所采用的中断管理方式进行详细分析，并写出分析报告。
4．中断是如何分类的？
5．描述中断处理的基本过程。
第8章内存管理和Ｉ／Ｏ管理
1．掌握在嵌入式操作系统中内存管理的基本方法
2．了解内存管理机制
3．了解Ｉ/Ｏ管理的基本功能。
内存管理、I/O管理
内存保护、内存管理机制、固定大小存储区管理、可变大小存储区管理、内存映射、I／O管理的功能、I/Ｏ系统的实现考虑
a）为什么嵌入式系统通常采用快速而确定的内存管理，而不采用虚拟存储技术？
b）试编程模拟嵌入式操作系统中的固定大小存储区管理、可变大小存储区管理方式。
c）嵌入式操作系统中I/O管理的功能有哪些?
d）嵌入式操作系统中内存保护是如何实现的?
1．内存主要存放哪些内容,实时系统在进行内存管理时通常需要考虑哪些因素?
2．以一种开源的嵌入式操作系统为例,就该操作系统所采用的内存管理方式进行详细分析,并写出分析报告。
3．以一种开源的嵌入式操作系统为例，就该操作系统所采用的I/Ｏ管理方式进行详细分析,并写出分析报告。
4．以一个具体的设备为例，基于主设备号、设备名表和文件描述符的I/O管理机制，对I/O设备管理的具体过程进行描述。
课堂讲授
五、各教学环节学时分配
教学环节
教学时数
课程内容
讲
课
习
题
讨
论
实验
其他教学环节
小
计
第一章
6
第二章
１２
18
第三章
３
9
第四章
4
第五章
8
１
3
１2
第六章
６
2
第七章
第八章
合计
51
72
六、推荐教材和教学参考资源
［1]. 罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发．北京航空航天大学出版社
[２]. 陈赜．ARＭ9嵌入式技术及LINUＸ高级实践教程.北京航空航天大学出版社
[3］．贾智平.嵌入式原理与接口技术.清华大学出版社
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