嵌入式系統原理（PrinciplesofEmbeddedSystems）課程基本信息課程編號：04021161課程總學時：48實驗學時：8學時課程性質：必修課程屬性:專業類開設學期：第5學期適用專業：農業智能裝備工程對先修的要求：學習本課程應具備C語言、電工電子方面的知識。先修課程：C語言程序設計、電子技術、控制工程基礎。對后續的支撐：畢業設計一、課程的教學理念、性質、目標和任務《嵌入式系統與應用》是智能農業裝備專業的一門專業選修課程，本課程針對智能農業裝備專業的特點，結合單片機原理、電子技術和控制工程等，以實際應用為導向，培養學生運用數字控制技術解決實際工程問題的能力。目前，嵌入式系統技術已被廣泛地應用于工業控制系統、信息家電、通信設備、醫療儀器、智能儀器儀表等眾多領域。通過嵌入式系統與應用的學習，使學生了解嵌入式系統的基本知識和原理，掌握嵌入式系統的軟、硬件開發技術以及接口開發技術。同時使學生了解系統設計流程與方法，學會利用計算機輔助設計軟件進行嵌入式系統的分析、仿真與設計，鍛煉學生的動手操作能力，培養學生解決實際工程問題的能力，初步具備工程思想。二、課程教學的基本要求1.理論知識方面：本課程要求學生掌握嵌入式系統的概念、體系結構、系統組成及設計方法，對嵌入式系統進行設計和分析。通過本課程的學習，使學生理解嵌入式系統的具體含義，從嵌入式系統硬件和軟件兩個方面能都進行實際系統的應用開發。2.實驗技能方面：通過實例學習，掌握嵌入式系統的應用開發。三、課程的教學設計1.教學設計說明《嵌入式系統原理》主要講授針對智能農業裝備專業的特點，結合單片機原理、電子技術和控制工程等，以實際應用為導向，培養學生運用數字控制技術解決實際工程問題的能力?？傉n時40學時，理論教學32學時，實驗8學時。課堂教學嚴格按教學大綱要求執行教學內容和進度，教學內容清楚，概念準確，重點突出。對待學生循序漸進，循循善誘。能夠利用多媒體現代化教學手段開展教學活動提高教學質量。在教學活動中善于運用啟發式教學手段，調動學生的積極性，同時注重學生自學能力的培養。教學能夠做到課前有教案，課后有作業，每章有作業有批改；同時兩周開展一次討論，線上和線下教學資源能滿足學生學習用。2.課程目標及對畢業要求的支撐序號課程目標畢業要求1目標1：通過嵌入式系統與應用的學習，使學生了解嵌入式系統的基本知識和原理，掌握嵌入式系統的軟、硬件開發技術以及接口開發技術。12目標2：通過本課程的學習，使學生了解系統設計流程與方法，學會利用計算機輔助設計軟件進行嵌入式系統的分析、仿真與設計，鍛煉學生的動手操作能力，培養學生解決實際工程問題的能力，初步具備工程思想;23四、理論教學內容及學時分配（40學時）緒論學時數：2教學目標：掌握嵌入式系統簡介，嵌入式硬件基礎，ARM體系結構，STM32芯片解讀。教學重點：嵌入式系統簡介，STM32芯片解讀。教學難點:理解嵌入式系統簡介，STM32芯片解讀。主要教學內容及要求：讓學生掌握（1）嵌入式系統定義；（2）嵌入式系統組成；（3）CISC和RISC；（4）馮.諾伊曼體系結構與哈佛體系結構；（5）流水線技術；（6）ARM簡介；（7）STM32簡介；（8）Cortex-M內核優點；（9）STM32最具競爭力的優勢。教學組織與實施：通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第一章MDK5軟件入門學時數：4教學目標：掌握MDK5軟件使用，MDK下C語言基礎，STM32官方固件庫，新建MDK5工程模板，程序調試。教學重點和難點：MDK下C語言基礎，STM32官方固件庫，新建MDK5工程模板。STM32官方固件庫，MDK下C語言程序設計。主要教學內容及要求：掌握（1）STM32官方固件庫的使用；（2）基于固件庫的MDK5工程建立；（3）KIELC選擇結構程序設計；（4）KIELC循環結構程序設計；（5）用函數實現模塊化程序設計；（6）指針和結構體。教學組織與實施：通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第二章STM32基礎知識學時數：6教學目標：掌握STM32系統構架，STM32時鐘系統，IO口知識，端口復用，端口重映射，MDK中寄存器地址名稱映射。STM32串行通信基礎，串行通信初始化流程。理解和掌握STM32中斷和中斷處理過程；了解和掌握定時器的基本功能；理解和掌握STM32定時器及ADC的內部結構、工作模式和主要特性。教學重點和難點：STM32時鐘系統，STM32NVIC中斷優先級管理，IO口知識，STM32NVIC中斷優先級管理，STM32定時器及ADC工作原理。主要教學內容及要求：了解（1）STM32系統構架；（2）STM32時鐘系統；（3）端口復用和中斷優先級；（4）Systick嘀嗒定時器；（5）delay文件夾代碼介紹；（6）GPIO工作原理；（7）STM32中斷（8）傳感器項目開發。教學組織與實施：通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第三章嵌入式軟件系統學時數：6教學目標：1.了解當今幾款主流的嵌入式操作系統：Linux、Vxworks、WinCE、ucos-ii的基礎知識；2.掌握嵌入式軟件系統的體系結構和運行流程；3.掌握嵌入式軟件系統的功能和特點；4.掌握嵌入式軟件開發工具的特點和軟件開發的過程；5.了解嵌入式操作系統的發展趨勢。教學重點和難點：嵌入式軟件體系結構、運行流程、交叉環境、交叉調試；教學難點：客戶/服務器結構、交叉調試與非交叉調試的區別；JTAG技術。主要教學內容及要求：1.嵌入式軟件系統的分類、組成、特點；2.嵌入式軟件的體系結構、運行流程；3.嵌入式操作系統的體系結構、功能、特點及發展趨勢；4.嵌入式軟件開發工具的分類，交叉開發環境，現階段的開發過程及開發工具的發展趨勢。教學組織與實施：通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第四章嵌入式實時內核基礎學時數：6教學目標：1.掌握嵌入式實時內核的實時性、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.了解實時內核的任務管理、中斷管理、時間管理、共享資源的互斥管理、同步與通信管理、內存管理、IO管理、出錯管理、用戶擴展管理和電源管理的主要內容；3.掌握嵌入式實時內核的重要性能指標。教學重點和難點：教學重點：不同的調度算法對系統實時性的影響；差分時間鏈的特點和常見操作；教學難點：嵌入式實時操作系統中斷的特點與過程。主要教學內容及要求：掌握1.嵌入式實時內核的關鍵設計問題；2.嵌入式實時內核的主要功能3.嵌入式實時內核的重要性能指標。教學組織與實施：老師提前布置課堂作業，針對當前植物病蟲害發生的背景、成因、危害、解決措施進行調研總結，然后課堂發言，老師進行點評，最后進行相關知識的串講。第五章任務管理及調度學時數：4教學目標：1.了解任務的定義、分類、參數、內容及主要特征；2.了解任務的狀態與變遷、任務控制塊的內容；3.掌握任務切換過程及任務切換時間對實時系統的影響、任務隊列的管理方法；4.掌握優先級可搶占調度機制、優先級反轉問題的定義；5.掌握優先級反轉問題的兩種解決方法、時序圖和多處理器調度算法。教學重點和難點：教學重點：任務管理機制；為提高系統的實時性在任務調度、隊列管理采用的特殊方法；優先級反轉及解決；教學難點：任務切換與優先級位圖相關算法；優先級繼承與優先級天花板協議的對比。主要教學內容及要求：1.任務的定義、分類、參數、內容及主要特性；2.任務管理；3.任務調度；4.優先級反轉；5.多處理器調度。教學組織與實施：通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第六章同步、互斥與通信學時數：4教學目標：1.掌握三種常見信號量機制的分類及其基本用法；2.掌握用PV操作來實現任務之間的同步；3.了解嵌入式系統中的郵箱、消息隊列、事件和異步信號機制。教學重點和難點：常見的谷物收獲方法。主要教學內容及要求：1.概述信號量；2.信號量；3.郵箱和消息隊列；4.事件機制的作用、特點和使用方法；5.異步信號。教學組織與實施：本章以課堂教學為主，結合實例代碼演示。老師通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第七章中斷和時間管理學時數：4教學目標：1.掌握中斷的概念、分類、中斷的處理過程；2.了解實時內核的中斷管理和用戶中斷服務程序；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用。教學重點和難點：教學重點：實時內核的中斷管理機制、編寫用戶中斷服務程序；實時時鐘的產生；教學難點：實時內核的中斷接管程序。主要教學內容及要求：1.系統調用和庫函數；2.文件操作；3.進程控制；4.進程通信；5.內存管理。教學組織與實施：通過多媒體課堂教學，輔助圖片、動畫、視頻等，講授理論知識；采用提問啟發引入新知識，提問、討論，反轉課堂，微課多種形式教學，線上學習等教學方法使學生掌握重點和難點。第八章內存管理學時數：4教學目標：1.掌握在嵌入式操作系統中內存管理的基本方法；2.了解內存管理機制。教學重點和難點：教學重點：嵌入式內存管理機制；教學難點：MMU（內存管理單元）機制。主要教學內容及要求：1.內存管理的概述；2.嵌入式實時操作系統內存管理機制及特點；3.I/O系統實現方法。教學組織與實施：本章以課堂教學為主，結合課堂演示以加深嵌入式內存管理的理解。五、實驗教學內容及學時分配（8學時）（無實驗的課程該項不列，序號順延）（一）實驗課程簡介本課程以嵌入式系統工程思想為指導，學生通過嵌入式系統軟硬件的使用，幫助他們理解符合嵌入式系統特色的各種原理和方法，培養嵌入式系統產品方案規劃、體系架構選擇、處理器和芯片選型、操作系統應用、總體及詳細設計、可靠性測試評估等方面的綜合能力，為將來的進一步發展奠定堅實的基礎。（二）實驗教學目的和基本要求1.掌握嵌入式軟件的交叉開發環境的定義、嵌入式軟件的開發過程、嵌入式軟件分析設計方法；2.了解嵌入式軟件開發中軟硬件平臺的選定，常見的嵌入式軟件開發工具。（三）實驗安全操作規范1)各種電器設備及電線應始終保持干燥，不得浸濕，以防短路引起火災或燒壞電器設備。2)各類電器設備發生異常或故障時，應及時斷電，由專業人員檢修。3)不準穿有礙安全操作的服裝參加實驗（四）實驗項目名稱與學時分配序號實驗名稱學時類型實驗要求每組人數04021161＋01任務的實例2程序設計必做504021161＋02內存動態分配的實例3程序設計必做504021161＋03移植的實例3程序設計必做5（五）實驗方式及基本要求現代農業裝備的實驗課程重點放在計算機上進行，會進行嵌入式系統框架的搭建，編寫實驗要求的應用程序，會使用常用的嵌入式操作系統。（六）實驗內容安排【實驗一】任務的實例1.實驗學時：2學時2.實驗目的：掌握任務調度，任務管理，任務通信中的幾個主要函數，理解它們的含義3.實驗內容：做一個任務管理實例、做一個時鐘和中斷的實例。4.實驗要求：利用ucos-ii系統做一個任務管理實例、做一個時鐘和中斷的實例，并按照實驗指導書的要求撰寫實驗報告。實驗設備及器材：PC機。【實驗二】內存動態分配的實例1.實驗學時：3學時。2.實驗目的：了解內存的基本原理，內存的管理函數，內存控制塊的定義，內存分配理論。3.實驗內容：在PC機上做一個內存動態分配的實例。4.實驗要求：利用ucos-ii系統做一個任務管理實例、做一個時鐘和中斷的實例，并按照實驗指導書的要求撰寫實驗報告。5.實驗設備及器材：PC機?！緦嶒炄恳浦驳膶嵗?.實驗學時：3學時。2.實驗目的：掌握移植的概念、要求和基本方法，移植代碼的測試，掌握移植的函數代碼、會基于STM32單片機進行代碼移植。3.實驗內容：基于STM32單片機做三個移植的實例。4.實驗要求：利用ucos-ii系統做移植的實例，掌握在STM32單片機上移植的方法，并按照實驗指導書的要求撰寫實驗報告。5.實驗設備及器材：PC機，STM32單片機。(七)考核方式及成績評定評分采用“5級”評分制，即“優”、“良”、“中”、“及格”、“不及格”。實驗課占總課程總分的20%。評分工作由指導教師和學生代表組成的小組共同完成。評價指標所占比例1）實驗目的與實驗內容的合理性20%；2）實驗設計的可行性20%；3）實驗操作的規范性20%；4）實驗數據處理和分析的科學性20%；5）實驗報告格式規范20%。根據學生在實驗中的表現及實驗完成操作完成情況打分，結合實驗報告情況綜合評分。六、課程思政經過對嵌入式系統原理中思政重要基本元素的挖掘與整理，根據專業課教學的重要戰略地位和內涵，科學合理系統的設計嵌入式系統原理教材中的思政的具體內容和教學方式，寓思政文化教育于嵌入式系統原理課程教學中，達到思政文化教育與專業的有機結合滲透、互補。利用文化教育授課工作主要環節所蘊含的思想道德要求、科研革新思想精神、愛國主義情感、傳統思想文化精神、性格養成等內涵