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《嵌入式系统设计》课程教学大纲

一、   课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）

课程性质：嵌入式系统设计是电子信息类专业一门重要的专业选修课程。本课程是一门实践性很强的课程，课程以理论教学与实验教学并重的方式，培养学生嵌入式技术方面的软硬件设计能力，并通过该课程的学习扩大学生知识面，为今后的研究和技术工作打下坚实的基础。

教学目标：嵌入式系统设计以ST公司的32位基于ARM Cortex﹣M3内核的STM32单片机为例，介绍嵌入式系统的定义、特点和发展；ARM Cortex﹣M3体系结构；STM32程序设计与片上外围资源等，通过理论学习、实验、综合设计等环节，使学生了解嵌入式系统的发展状况和应用领域，掌握嵌入式系统的硬件设计、软件设计和系统综合设计能力，培养学生利用本课程分析和解决实际问题的能力，为今后从事嵌入式系统方面的应用与研究打下基础。本课程的具体教学目标如下：

1、掌握嵌入式系统的基础知识；学习ARM Cortex﹣M3体系结构；学习STM32 MCU的结构、STM32最小系统、片内外设资源和外部引脚，学习嵌入式系统硬件分析和设计方法；【1-2】

2、学习STM32 MCU的软件开发技术，掌握利用嵌入式C语言设计STM32程序的方法；【1-2】

3、学习嵌入式系统硬件设计技术，掌握STM32最小系统硬件和外围扩展单元设计，并能够综合运用嵌入式系统软件和硬件设计技术解决实际工程问题，并能够根据需求设计基于STM32 MCU的嵌入式系统的解决方案；【3-1】

4、学习ARM Keil集成开发环境的使用方法，熟练使用STM32 MCU开发板，并在此基础上完成规定的必修实验，设计综合性实验。【5-2】

二、   课程目标与毕业要求的对应关系（明确本课程知识与能力重点符合标准哪几条毕业要求指标点）（1.2， 3.1，5.2）

三、   课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容）（重点内容：«；难点内容：D）

1、嵌入式系统概述（3学时）（支撑课程目标1、4）

1.1嵌入式系统的基本概念

1.2嵌入式系统的发展、特点和分类

1.3ARM体系结构简介、STM32系列微控制器简介

1.4STM32教学开发板介绍

²  目标及要求：

1）通过嵌入式系统概述的介绍，使学生掌握嵌入式系统的概念、主要特点、分类和发展«；

2）了解ARM体系结构和STM32系列微控制器；

3）熟悉STM32教学开发板；

²  作业内容：

熟悉STM32教学开发板的电路原理图，各模块的工作原理。

²  讨论内容：

讨论ARM Cortex﹣M3系列微处理器的特点和应用，突出嵌入式系统在通信领域和日常生活中的应用。

²  自学拓展：

回顾学过的微机原理与接口技术和数字电路相关知识，复习C语言程序设计方法。

2、STM32 MCU的结构与工作原理（6学时）（支撑课程目标1、4）

1.1STM32 MCU概述

1.2STM32存储器的组织与映射

1.3STM32 MCU的时钟

1.4STM32最小系统

1.5STM32 MCU的片上外围资源

²  目标及要求：

1）通过STM32 MCU结构与工作原理的介绍，使得学生掌握其硬件结构，包括CPU组成与工作方式、存储系统、片内外设和外部引脚等相关知识«；

2）掌握STM32 MCU存储器的组织与映射D；

3）了解STM32 MCU时钟系统与内部资源；

4）熟悉和掌握STM32 MCU最小系统的设计«。

²  作业内容：

强化STM32 MCU最小系统的设计，STM32 MCU存储器的组织与映射。

²  讨论内容：

讨论STM32 MCU三种启动模式对存储器的影响，讨论STM32 Bootloader的作用。

²  自学拓展：

回顾所学微机原理与接口技术和数字电路相关知识，查阅STM32 MCU数据手册。

3、STM32程序设计（3学时）（支撑课程目标2、4）

1.1嵌入式软件层次结构

1.2ARM Cortex 微控制器软件接口标准

1.3STM32固件库及应用

1.4嵌入式C程序的特点

1.5ARM Keil集成开发环境简介

²  目标及要求：

1）了解嵌入式软件的层次结构；

2）熟悉基于CMSIS标准的软件架构；

3）熟悉和掌握常用的STM32固件函数库及应用«；

4）熟练使用ARM Keil集成开发工具«；

²  作业内容：

在Keil μVision4中建立一个工程文件，添加必要的STM32相关文件，编译、运行、通过。

²  讨论内容：

通过嵌入式C程序的特点，讨论软件的代码效率问题，即代码容量大小和代码执行速度。分析若编程时遇到单片机ROM和RAM不够用时，应如何解决？

²  自学拓展：

回顾学过的C语言程序设计相关知识，查阅ST公司提供的利用C语言开发STM32固件库的相关文档。

4、GPIO原理及应用（3学时）（支撑课程目标3、4）

1.1GPIO的硬件结构和功能

1.2GPIO寄存器

1.3GPIO库函数

1.4GPIO应用举例

²  目标及要求：

1）了解STM32 MCU GPIO端口的硬件结构、主要功能和工作模式«；

2）了解与STM32 MCU GPIO端口相关的寄存器，熟悉其配置流程和配置方法«；

3）熟悉和掌握STM32 MCU GPIO常用库函数的使用；

4）使用STM32 MCU GPIO端口输出控制LED指示灯单灯和多灯闪烁；

²  作业内容：

结合STM32 MCU GPIO的相关知识，编写LED指示灯单灯和多灯闪烁程序，在STM32开发板上实现LED灯的流水灯效果。

²  讨论内容：

讨论当GPIO端口设置为输入时在不同条件下输入模式的选择，当GPIO端口设置为输出时在不同条件下输出模式的选择和输出速度的选择。

²  自学拓展：

回顾学过的C语言程序设计的相关知识，复习C语言程序的调试和分析方法。

5、EXIT原理及应用（3学时）（支撑课程目标3、4）

1.1STM32中断通道

1.2STM32中断过程

1.3NVIC硬件结构及软件配置

1.4EXIT硬件结构及软件配置

1.5EXIT应用举例

²  目标及要求：

1）了解和熟悉STM32 MCU中断系统的特点、中断向量表的概念；

2）了解和熟悉STM32 MCU中断的过程、中断优先级、中断嵌套的规则«；

3）熟悉和掌握EXTI配置、NVIC配置、中断服务程序的编写，外部中断控制的应用«。

²  作业内容：

结合EXIT外部中断知识，编写EXIT外部中断处理程序，在STM32开发板上实现由按键控制触发外部中断导致LED灯的状态改变。

²  讨论内容：

讨论STM32中断优先级中占先优先级和副优先级差异与联系，以及优先级的设置；讨论STM32 EXTI中断通道和中断源的映射关系。

²  自学拓展：

回顾学过的中断服务函数设计的相关知识，体会中断服务函数的调用与普通函数调用的区别。

6、USART原理及应用（3学时）（支撑课程目标3、4）

1.1USART功能和结构

1.2USART帧格式、波特率设置

1.3USART中断请求

1.4USART寄存器与库函数

1.5USART应用举例

²  目标及要求：

1）了解和熟悉STM32 MCU USART的特点、功能、结构和工作过程«；

2）熟悉和掌握USART 波特率的计算与设置；

3）熟悉和掌握USART寄存器的配置与库函数的使用«；

²  作业内容：

结合USART的知识，编写USART同步/异步串行通信程序，PC上位机通过串口下传一个字符给STM32开发板，STM32开发板收到后再回传给PC上位机。

²  讨论内容：

讨论TTL电平和RS232电平的差异，如何实现TTL和RS232电平之间的转换。

²  自学拓展：

回顾学过的数字电路相关知识，复习电平转换、各种接口时序等知识。

7、定时器原理及应用（3学时）（支撑课程目标3、4）

1.1STM32定时器概述

1.2通用定时器TIMx功能和结构

1.3通用定时器TIMx寄存器和库函数

1.4通用定时器TIMx应用举例

²  目标及要求：

1）了解和掌握STM32通用定时器的功能、结构与工作原理；

2）了解和掌握定时器寄存器的配置，定时时间的计算«；

3）了解和掌握定时器中断、定时器的计数模式«；

4）掌握STM32通用定时器的编程与应用。

²  作业内容：

结合STM32通用定时器知识，编写定时器TIM2中断处理程序，在STM32开发板实现：利用定时器TIM2产生中断，在中断服务程序中，LED指示灯以2Hz频率闪烁。

²  讨论内容：

引入STM32 定时器PWM的概念，讨论PWM 的用途，如何编程实现PWM输出。

²  自学拓展：

回顾微机原理与接口技术的相关知识，讨论如何利用STM32通用定时器实现电子时钟的设计。

8、ADC原理及应用（3学时）（支撑课程目标3、4）

1.1ADC的功能及结构

1.2ADC的工作模式与中断

1.3ADC寄存器和库函数

1.4ADC应用举例

²  目标及要求：

1）了解和掌握STM32 ADC的硬件结构与工作原理；

2）了解和掌握STM32 ADC的基本参数、功能与工作模式«；

3）了解和掌握ADC初始化配置、ADC中断与ADC编程«；

²  作业内容：

结合STM32 ADC知识，在STM32开发板实现：在PB0端口连接一个可变电阻器，改变分压值，编写ADC程序，每隔100ms读取一次ADC转换的结果，显示在显示器上。

²  讨论内容：

讨论STM32内部温度传感器的特点与结构，如何编程实现环境温度的检测。

²  自学拓展：

回顾微机原理与接口技术的相关知识，讨论如何利用STM32 ADC进行数据采集系统的设计。

9、实验（27学时）（支撑课程目标1，2，3，4）

四、   教学方法

授课方式：

a.理论教学（采用多媒体课件讲授嵌入式系统概述、STM32 MCU软硬件设计原理等核心内容，合理安排课外拓展学习，采用案例教学方式理论联系实际，培养学生创新能力）；

b.实验教学（结合理论课教学内容，利用STM32开发板进行实验教学，培养学生嵌入式技术方面的工程实践能力）；

c.答疑（每周安排固定的办公室时间，学生无需预约，可来教师办公室就课程内容进行讨论，答疑内容包括讲授内容、实验等）；

d.期末闭卷考试。

课程要求：

a.理论教学：在理论课讲授环节中，注重概念解析，并以实际案例理论联系实际开展嵌入式系统的软件和硬件设计，培养学生逻辑思维能力、工程观点和分析与解决问题能力。根据本课程的特点，要求学生自主开展课程相关辅助材料自学；

b.实验教学：要求学生遵守实验室的规章制度，建立良好的实验习惯，能够应用STM32开发板和ARM Keil软件集成开发环境实践嵌入式系统软件和硬件设计方法，能够应用所学知识设计一个嵌入式系统，培养学生独立进行设计和分析复杂工程问题的能力，培养学生撰写设计总结报告的能力，并启发学生的创新思维、自主开展创新性实验活动。

五、   考核及成绩评定方式

1、考核方式

考核方式：闭卷笔试（期末），平时成绩（作业及出勤情况），实验成绩，实验报告。

成绩评定方式：期末考试30%，平时成绩20%，实验成绩35%，实验报告15%，比例可适当微调。

课程目标达成情况及考试成绩评定占比（%）

2、考核评价标准

期末考试考核评价标准

实验成绩考核评价标准

实验报告考核评价标准

六、   教材及参考书目

教材：

1、陈志旺.  STM32嵌入式微控制器快速上手（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社，2014

2、自编实验讲义

参考文献：

1、彭刚，秦志强. 基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M] . 北京：电子工业出版社，2011

2、李宁. 基于MDK的STM32处理器开发应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008

3、王永虹，徐炜，郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008

4、蒙博宇. STM32自学笔记[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011

5、范书瑞，李琦，赵燕飞. Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2011