Embedded Systems Design

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Course description

《嵌入式系统设计》课程的教学内容以培养具备扎实的专业知识及适应多元文化的国际化应用型人才为目标,以工程伦理引领工程人才践行社会主义核心价值观,以人文融通涵养创新人格和解决复杂系统工程问题的能力,以生活中随处可见的实物为例,渐进式由浅入深的讲授课程,增强学生的认同感和理解能力,提高教学的授课效果;以树莓派硬件开发为主线,以嵌入式系统课程设计为实训手段,在培养学生思维和创新能力的同时,强调理论基础、强化实践动手能力、拓展学生的视野。

Syllabus

嵌入式系统课程教学及实验大纲

课程名称:嵌入式系统设计                 课程代码:621010900
英文名称:Embedded Systems Design                              
学    分:4                              学    时:60
开课学期:第3学年秋季学期
适用专业:物联网工程
课程类别:专业学位必修课
先修课程:单片机原理与接口技术、操作系统、C语言程序设计
建议教材:《树莓派开发实战(第2版)》. Simon Monk著,韩波译. 人民邮电出版社. 2019.3
一、课程教学目标
1.思政育人目标
《嵌入式系统设计》以马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论、“三个代表”重要思想、科学发展观和习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,以强化课程课堂教学过程中的思想教育和价值引领为核心,以引导学生树立正确的人生观、价值观、世界观为目的,通过创新教学方法、丰富课程内涵、优化教学设计、改进课堂管理等方式,将社会主义核心价值观、党的十九大精神、习近平新时代中国特色社会主义思想等有机融入课程教学活动,形成全过程、全方位育人新模式。
2.知识与能力目标
《嵌入式系统设计》课程的教学内容以培养具备扎实的专业知识及适应多元文化的国际化应用型人才为目标,以工程伦理引领工程人才践行社会主义核心价值观,以人文融通涵养创新人格和解决复杂系统工程问题的能力,以生活中随处可见的实物为例,渐进式由浅入深的讲授课程,增强学生的认同感和理解能力,提高教学的授课效果;以树莓派硬件开发为主线,以嵌入式系统课程设计为实训手段,在培养学生思维和创新能力的同时,强调理论基础、强化实践动手能力、拓展学生的视野。
二、课程教学基本要求
1.教学要求
嵌入式系统是物联网工程专业的一门专业必修课,是单片机原理与接口技术、操作系统、C语言程序设计的后继课程。本课程融合了计算机软硬件技术、通信技术和半导体微电子技术。根据实际应用要求,把微处理器直接嵌入到应用系统中,并对软硬件进行优化、剪裁。本课程以树莓派开发为硬件平台,讲述ARM基本结构和Python编程基础,并以具体系统开发实例来阐述嵌入式系统的设计方法、过程。通过本课程的学习,使学生能够掌握以下知识:
1.掌握嵌入式系统的概念以及发展趋势,了解嵌入式体系架构、嵌入式微控制器结构;
2.掌握嵌入式系统开发的过程和方法,掌握嵌入式软硬件定制开发的基础知识和技能;
3.掌握嵌入式操作系统内部机制和移植方法,并基于嵌入式操作系统(树莓派)进行应用程序开发。
课程可以提升学生在物联网应用领域的综合设计和开发技能,为今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。
2.教学重点和难点
教学重点:嵌入式系统基础;ARM体系结构;Python编程基础。
教学难点:将本课程教学内容融会贯通,实现基于树莓派的系统硬件设计。
3.与先后课程的联系
先修课程:单片机原理与接口技术、操作系统、C语言程序设计。
4.考核方式
本课程的考核项目分为三项:平时成绩占10%;实验成绩占30%;课程设计占60%。
5.教学方法
课堂理论教学与实验相结合,通过与学生互动,完成实验练习。
三、课程教学内容
1.嵌入式系统基础
知识点:嵌入式系统的定义和组成、嵌入式微处理器体系结构、嵌入式微处理器的结构和类型。
要求:正确理解嵌入式系统的基本概念,掌握嵌入式微处理器分类及结构,掌握嵌入式操作系统的概念及内核,了解嵌入式系统的发展趋势。
2.ARM体系结构
知识点:ARM微处理器结构、ARM微处理器的寄存器结构。
要求:熟悉ARM的体系结构,掌握ARM微处理器结构,正确理解ARM微处理器的寄存器结构,了解ARM微处理器的异常处理,熟悉ARM微处理器的接口。
3.ARM指令系统及Thumb指令系统
知识点:ARM处理器寻址方式、ARM指令集、Thumb指令集。
要求:掌握ARM处理器寻址方式,熟悉ARM指令集,理解ARM及Thumb指令集的区别,了解Thumb指令集。
4.Python基础
知识点:熟悉Python基本概念、数据容器、Python的控制结构、数据文件的读写操作、错误类型和异常捕获、字符编码问题处理。
要求:掌握Python基本概念、Python的数据容器、Python的控制结构、Python的控制结构、数据文件的读写操作、字符编码问题处理,理解Python的数据容器、错误类型和异常捕获。
5.树莓派基础
知识点:树莓派接口引脚、传感器模块、故障诊断。
要求:掌握故障排查方法,熟悉传感器的使用,熟练树莓派软硬件配置方法。
6.树莓派设计及应用
知识点:编程语言介绍、树莓派模块安装及电路板扩展。
要求:了解不同的嵌入式系统编程语言,选择适的编程语言完成基于树莓派的硬件开发及设计。
四、课程的实验内容与要求
通过实验课程学习和实践使学生掌握嵌入式系统设计的基本概念、基本原理及组成,使学生具有应用嵌入式系统进行软件开发的综合能力。
1.实验前预习实验指导书,复习相关的理论知识,能独立完成大纲规定的实验。
2.能正确地观察、设计、硬件搭建、记录并处理实验中出现的各种现象、有关数据,并能通过分析、比较,得到正确的结论。
3.能完成本课程规定的课程设计或综合设计。
实验1  树莓派软件配置工具
通过树莓派硬件安装及配置、树莓派操作系统安装及配置、以及树莓派开发环境及软件配置操作,熟悉树莓派外设的链接;加强对树莓派系统的理解;熟悉树莓派软件配置工具。
实验2  Linux系统管理
通过在树莓派上创建用户、文件、安装软件、用Ocie等软件撰写实验报告,熟悉树莓派操作系统;在树莓派上,巩固Python编程操作,学会用Python编程语言编写基本程序。
实验3 嵌入式操作系统Linux用户和权限管理
通过实验,正确理解用户的概念,掌握增加用户、删除用户和命令;掌握passwd命令及用法,掌握用户转换命令su及用法;正确理解文件、目录的访问权限的表示和差异;能对文件、目录进行访问权限的修改,能修改文件、目录的所有者及组。
实验4 嵌入式操作系统Linux vi和进程管理
通过实验,掌握vi的使用方法;能查看系统正在运行的进程,能动态显示系统进程的运行状态,能实现进程前后台的转换,能杀死进程;掌握at和cron使用方法。
实验5 音乐播放控制台
通过实验,加强对树莓派软件操作的熟练程度;利用在树莓派上安装moc软件实现音乐播放控制台功能。使用moc(music on console)等实现在控制台上播放音乐文件。
实验6 Python高级编程
通过实验,掌握图像的灰度变换、直方图绘制、图像高斯滤波等数字图像处理方式,熟练掌握Python环境配置及包调用。
实验7 HC-SR04超声波测距
通过实验,学习HC-SR04超声波传感器电路结构;掌握python语言控制超声波传感器;掌握树莓派shell调用方法。

五、课程习题要求
为了使学生巩固所学知识,至少布置3次课内作业,要求学生独立完成习题。
六、课程学时分配

内    容    学  时
第一章  嵌入式系统基础    5
第二章  ARM体系结构    5
第三章  ARM指令系统及Thumb指令系统    5
第四章  Python基础    15
第五章  树莓派基础    10
第六章  树莓派设计及应用    20
总   计    60

Assessment standard

课件浏览100%,客观练习0%,主观练习0%,课内讨论0%
课程内容不断迭代,成绩以当时的课程内容为准,一旦合格,可以申请证书。申请证书后,以结课处理,成绩不再改动

Teaching material

1、《树莓派(Raspberry Pi)实战指南》,柯博文,清华大学出版社,2015年;
2、《树莓派实战秘籍》,Ruth Suehle, Tom Callaway,人民邮电出版社,2015年;
3、《深度探索嵌入式操作系统》,彭东,机械工业出版社,2015年。