微处理器系统结构与嵌入式系统教学大纲_嵌入式系统教学大纲
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《微处理器系统原理及嵌入式系统设计》课程教学大纲
课程编号：20082008 学 时 数：80
适用专业：通信工程、网络工程、信息工程 学 分 数：5
开课学期：第5 学期
先修课程：数字逻辑设计及应用、软件设计基础、C语言 执 笔 者：阎波
编写日期：2009.12
审核人（教学副院长）：
一、课程性质和目标
授课对象：本科生 课程类别：学科基础课 教学目标：
随着计算机技术、集成电路设计技术和半导体工艺技术的不断提高，计算机领域进入后PC时代，微处理器的应用几乎无处不在；而以应用为中心、软硬件可剪裁的专用计算机系统产品（也即嵌入式系统产品）也已成为我国信息产业新的市场增长点。嵌入式计算机系统设计技术已成为通信、雷达、自控、微电子等研究应用领域的合格工程师应掌握的基本技术和技能。本课程根据高年级本科人才培养、新技术发展与应用的需求而开设，是工科电工电子类非计算机专业的重要专业基础课程，面向全校各专业本科生授课。
本课程在加强计算机组成原理与系统结构知识的基础上，选用ARM作为核心芯片，并引入先进的EDA/AISC技术讲解了嵌入式系统的设计技术。通过本课程的学习，使学生建立较全面的计算机基础知识架构，并掌握嵌入式计算机系统原理及接口技术的硬/软件设计核心技术，培养学生嵌入式计算机系统设计开发领域分析问题和解决问题的初步能力，着眼对学生综合能力、特别是创新能力的培养，能够最大限度地激发学生的学习热情和探索未知的兴趣，从而有效提高学生的工程素质。
二、课程内容安排和要求
（一）教学内容、要求及教学方法
本课程的主要内容包括微处理器系统结构和嵌入式系统设计技术两大部分，其中重点为微处理器系统结构相关的基础知识，难点为嵌入式系统设计的核心技术。详细教学内容及要求安排如下：
1.微处理器系统概述（6学时）（课件chap0、chap12）
理解本课程的研究内容及定位；
理解嵌入式计算机系统与通用计算机系统的异同；（教材chap1） 理解现代计算机系统的层次结构；（教材chap1）
掌握计算机体系结构（指令集、存储器读写、I/O控制方式）和计算机组成原理（CPU结构、存储器组织、总线及接口）涉及的不同领域及其相互之间的关系；（教材chap1） 掌握冯·诺依曼体系结构的特征，以及计算机的基本工作原理与工作流程；（教材chap2） 掌握现代计算机系统的性能基本评测技术和指标；（教材chap1） 理解现代计算机体系结构与组成技术的发展趋势；（教材chap2） 了解微电子技术的发展及其对计算机设计技术的影响；（教材chap1）2.微处理器体系结构（8学时）（课件chap3）
掌握CPU基本功能及内部结构（体系结构）；（教材chap3）
掌握CPU基本硬件（控制单元、数据通路）设计技术（组成原理）；（教材chap2、chap3）
掌握指令系统的基本设计要素，包括指令功能、指令格式及寻址方式的确定；（教材chap2、chap3）
理解现代计算机系统中CPU体系及组织结构的改进，理解随机逻辑、微码、流水线、超标量等不同微处理器的设计特点；（教材chap3） 理解CISC与RISC结构的差异；（教材chap3） 理解流水线的工作原理及冲突；（教材chap3）
理解微处理器系统硬件与软件两者之间的相互影响；（教材chap3）
3.存储系统（8学时）（课件chap24-Mem）
掌握现代计算机系统中存储器的分层体系结构（教材chap2）及地址映射技术（教材chap4）；
掌握存储器的基本存取原理，包括存储单元工作原理、编址技术及存放技术等；（教材chap2）
理解采用不同读写机制的存储技术的特点，如LIFO、FIFO、多端口等；（教材chap2） 理解存储器（芯片）的主要性能指标；（教材chap4） 掌握主存储器扩展设计技术；（教材chap4）
了解现代计算机系统常用的存储技术及存储产品；（教材chap2）4.总线与接口（14学时）（课件chap24-Mem）
掌握总线的组织形式及关键要素（带宽、时序、仲裁）；（教材chap2） 掌握串行通信（总线）的基本特性；（教材chap2）
掌握输入/输出系统基本控制方式的特点及适用条件；（教材chap2）
掌握接口电路的基本结构及地址映射、地址译码、总线隔离等关键设计技术；（教材chap4）
掌握无条件、查询及中断控制接口的硬件及驱动设计方法；（教材chap4）
理解串行接口、定时/计数接口、A/D/A接口、DMA接口及可编程通用接口的结构特点及设计要点；（教材chap4）
理解现代计算机系统中输入/输出系统的体系及组织结构的改进；（教材chap2） 了解现代计算机系统常用的片上、片外总线标准； 5.ARM微处理器体系结构（8学时）（课件chap5）
掌握ARM内核的体系结构及其所支持的各种编程模型、运行模式及工作状态；（教材chap5）
掌握ARM常用寻址方式及指令子集的使用；（教材chap5） 掌握ARM内核对异常和中断的处理方式；（教材chap5） 理解ARM内核支持的存储技术和输入/输出技术；
理解ARM内核与ARM微处理器芯片的关系；（教材chap5） 了解各系列ARM处理器的发展及结构特点；（教材chap7）6.ARM程序设计技术（6学时）（课件chap6）
掌握ARM常用的伪指令子集和汇编语句格式；（教材chap6） 理解ARM工程的特点及程序框架；（教材chap6） 掌握ARM汇编与C/C++混合语言编程方法；（教材chap6） 理解汇编程序结构及汇编语言编程技术的特点；（教材chap6）
7.基于ARM嵌入式系统硬件设计技术（6学时）（课件chap7）
掌握ARM处理器的最小硬件系统的设计方法；（教材chap7） 理解基于ARM处理器的存储器接口设计及应用技术； 理解基于ARM处理器的人机交互接口设计及应用技术； 理解基于ARM处理器的串行通信接口设计及应用技术； 理解基于ARM处理器的A/D及D/A接口设计及应用技术； 8.基于ARM的嵌入式系统软件设计技术（6学时）（课件chap8）
理解嵌入式软件系统的结构及功能；（教材chap8） 理解系统引导加载（bootload）技术；（教材chap8）
理解嵌入式操作系统（Linux）的任务、性能指标及内核移植技术（教材chap8）； 理解嵌入式操作系统下的驱动开发技术；（教材chap8） 了解嵌入式计算机系统的设计、测试及应用特点；（教材chap8）注：包括补充实验教学课件2学时，但需放在实验前讲； 9.基于ARM微处理器核的SOC设计（2学时）
理解SOC的典型结构和基本设计方法；
理解基于ARM（AMBA总线）的SOC的系统设计方法。
（二）自学内容和要求
学生应根据自身情况先期或同步自学补充以下知识：
计算机系统结构与组成原理 嵌入式操作系统设计技术 嵌入式操作系统下的驱动开发技术 ASIC设计技术
（三）实践性教学环节和要求
本课程包含16学时实践（实验、课程设计等）课程，要求学生掌握微处理器系统结构、嵌入式系统设计的基本实验技能、测量仪器仪表使用方法，掌握基本的ARM嵌入式系统设计理论，掌握常用的通讯接口、音频接口以及显示/触摸屏等人机接口的设计实现理论与技能。
1.学习使用嵌入式系统开发仿真平台，建立基于ARM的嵌入式Linux开发环境（2学时）2.设计及仿真（选做部分），并撰写实验报告（6学时）
ARM平台下多线程应用程序设计； 基于ARM的模块方式驱动程序设计； SCI/SPI串行通信； 以太网通信；
LCD驱动开发及应用； 触摸屏驱动开发及应用；
SD卡读写驱动开发及文件系统设计； AC97音频接口驱动开发及应用； USB OTG接口驱动开发及应用； 3.课程设计，完成设计报告（课外）
简单RISC微处理器设计 简单嵌入式操作系统设计 嵌入式最小硬件系统设计
三、考核方式
本课程建议考核方式：平时（10%）+实验（15%）+期中（15%）+期末（60%）（英才班：平时30%+实验20%+期末50%）
四、建议教材及参考资料
1.建议教材：
微处理器系统结构及嵌入式系统设计，李广军等，电子工业出版社，2009.8 2.参考资料
系统体系结构（第5版），Stephen D.Burd著，郭新房等译，清华大学出版社，2007 计算机系统结构，张晨曦、王志英等，高等教育出版社，2008 现代计算机组成原理，潘松，潘明编著，科学出版社，2007
计算机组织与体系结构-性能设计（第七版），William Stallings著，张昆藏等译，清华大学出版社，2006 ARM体系结构与编程，杜春雷编著，清华大学出版社，2007
ARM体系结构及其嵌入式处理器，任哲等，北京航空航天大学出版社，2007 ARM926EJ-S Technical Reference Manual DDI0198D.ARM, January, 2004. ARM920T Technical Reference Manual(Rev 1).ARM, April, 2001.3.推荐网站
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