嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容設(shè)置

許京雷

摘 要 把單片機(jī)課程合并到嵌入式系統(tǒng)課程，把51作為一種最簡單的嵌入式處理器進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)學(xué)習(xí)一種較高級(jí)的嵌入式處理器STM32。

關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng)；單片機(jī)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）08-0085-02

Content Setting of Embedded System Curriculum//XU Jinglei

Abstract The MCU Course is combined with embedded system courses， taking the 51 as one of the most simple embedded processor

to learn， while learning a more advanced embedded processor STM32.

Key words embedded system； single-chip； computer system

1 嵌入式系統(tǒng)的定位

目前對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的理解各有不同，這種情況直接導(dǎo)致嵌入式課程在內(nèi)容設(shè)置方面的區(qū)別。通過分析不同觀點(diǎn)，可以得到合適的指導(dǎo)原則。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能，但不能稱之為計(jì)算機(jī)設(shè)備或設(shè)備。它是一種以軟件和硬件為中心的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可應(yīng)用于功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴(yán)格要求的場合。簡單地說，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件聯(lián)合使用，仿照BIOS的工作方式，具有自動(dòng)化程度高、軟件代碼小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，特別是具有實(shí)時(shí)多任務(wù)的功能[1]。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支持硬件、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。

這種觀點(diǎn)看似面面俱到，實(shí)則主次不分，沒有指出嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)，其中把嵌入式系統(tǒng)稱為專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更是錯(cuò)誤的，因?yàn)槭聦?shí)上，嵌入式系統(tǒng)也可以作為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)就是ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM指令系統(tǒng)、S3C2410嵌入式微控制器及嵌入式系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等內(nèi)容[2-3]。要了解嵌入式操作系統(tǒng)的進(jìn)程、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信機(jī)制及嵌入式操作系統(tǒng)的其他功能，掌握嵌入式操作系統(tǒng)LINUX的基本命令，LINUX操作系統(tǒng)下應(yīng)用程序的開發(fā)與調(diào)試，LINUX操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試。

這種觀點(diǎn)混淆了嵌入式系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別，實(shí)質(zhì)是在講如何使用LINUX嵌入式操作系統(tǒng)，而這只是嵌入式系統(tǒng)的一小部分。

綜合以上觀點(diǎn)，可以看到對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的定位比較混亂，正確的定位應(yīng)該以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心單元處理器為準(zhǔn)，以處理器的最小尺寸為依據(jù)，把整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為三大類：服務(wù)式、桌面式、嵌入式。

1）服務(wù)式指的是服務(wù)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提供高等的計(jì)算性能，采用服務(wù)式處理器，如網(wǎng)站服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)；

2）桌面式指的是桌面式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提供中等的計(jì)算性能，采用桌面式處理器，如臺(tái)式機(jī)、筆記本；

3）嵌入式指的是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提供低等的計(jì)算性能，采用嵌入式處理器，如手機(jī)、平板。

這種分類方法只以處理器的最小尺寸為依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)客觀清晰，尺寸越小性能越低。處理器的最小尺寸指的是同型號(hào)前提下的最小封裝。事實(shí)上，嵌入式的詞義本身也意味著尺寸小，以便嵌入到其他設(shè)備。

至于每類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要做成通用還是專用，要根據(jù)實(shí)際需求而定。如手機(jī)這個(gè)嵌入式系統(tǒng)，發(fā)展初期是專用的，到智能手機(jī)時(shí)期，已經(jīng)是通用系統(tǒng)了。

簡單說，嵌入式系統(tǒng)是采用嵌入式處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式處理器又稱為單片機(jī)、微控制器、微處理器。嵌入式處理器包含一切小尺寸的處理器，如51、61、AVR、PIC、ARM、DSP、FPGA等。

2 單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的統(tǒng)一

單片機(jī)是一種集成電路芯片，包含大規(guī)模集成電路技術(shù)的CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能，有的還包含顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路。單片機(jī)是一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，從8位單片機(jī)發(fā)展到目前32位MCU。

單片機(jī)，毫無疑問，也是一種小尺寸的嵌入式處理器。采用單片機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也是一種嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)的詞義本身也意味著在單個(gè)硅片上集成了盡可能多的部件，以便實(shí)現(xiàn)尺寸小的目標(biāo)，這個(gè)特征也是所有嵌入式處理器的特征。因此，單片機(jī)和嵌入式可以統(tǒng)一化，或者說，單片機(jī)是嵌入式處理器的一個(gè)別稱。

目前，單片機(jī)課程普遍以51為主，這容易造成一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)：單片機(jī)就是51。事實(shí)上，單片機(jī)的內(nèi)涵要大得多。為了理清關(guān)系，可以把單片機(jī)課程合并到嵌入式系統(tǒng)課程，把51作為一種最簡單的嵌入式處理器進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)學(xué)習(xí)一種較高級(jí)的嵌入式處理器STM32，相互對(duì)照，以便樹立正確的嵌入式系統(tǒng)的概念。

3 嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)方向

嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容很多，需要設(shè)定若干教學(xué)方向。首先，要明確的是學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的目的是如何使用，而不是制造。具體說就是不制造嵌入式處理器，不制造嵌入式操作系統(tǒng)，而是利用現(xiàn)有嵌入式處理器設(shè)計(jì)電路，或利用現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)編制程序。其次，要明確有無操作系統(tǒng)，這是設(shè)定教學(xué)方向的依據(jù)。

如果沒有操作系統(tǒng)，則需要在程序設(shè)計(jì)中直接操作各個(gè)硬件寄存器，和硬件直接打交道，程序和硬件直接相關(guān)，稱為嵌入式系統(tǒng)的硬方向。一個(gè)嵌入式處理器是否具有操作系統(tǒng)不是隨意的，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)屬于額外代碼，對(duì)嵌入式處理器的性能是有要求的。若嵌入式處理器的性能較低，勉強(qiáng)運(yùn)行操作系統(tǒng)，也是沒有意義的，不如裸機(jī)運(yùn)行快。這方面的嵌入式處理器有51、61、STM32等，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于處理器本身。嵌入式系統(tǒng)的硬方向，其課程名仍稱為嵌入式系統(tǒng)。

如果有操作系統(tǒng)，則程序設(shè)計(jì)中無須直接操作各個(gè)硬件寄存器，不和硬件直接打交道，直接操作硬件的工作由操作系統(tǒng)（含驅(qū)動(dòng)程序）完成，程序可以做到和硬件無關(guān)，只需和操作系統(tǒng)（含驅(qū)動(dòng)程序）軟件接口，稱為嵌入式系統(tǒng)的軟方向。一個(gè)嵌入式處理器是否具有操作系統(tǒng)不是隨意的，性能較高的嵌入式處理器，如主頻400 MHz以上的S3C2410，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)復(fù)雜到讓直接操作硬件變得不現(xiàn)實(shí)，必須采用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，如Linux、Android、iOS，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于操作系統(tǒng)，而不是處理器本身。嵌入式系統(tǒng)的軟方向，其課程名可以稱為嵌入式操作系統(tǒng)。

4 嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)容設(shè)置

嵌入式系統(tǒng)，作為嵌入式系統(tǒng)的硬方向，課程內(nèi)容應(yīng)該是學(xué)習(xí)不帶操作系統(tǒng)的嵌入式處理器，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于處理器本身的細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)建立一個(gè)扎實(shí)的硬件基礎(chǔ)。沒有這個(gè)環(huán)節(jié)，就難以理解操作系統(tǒng)的一些硬件概念。

嵌入式系統(tǒng)課程主要培養(yǎng)學(xué)生了解有關(guān)嵌入式系統(tǒng)的基本原理、設(shè)計(jì)方法以及嵌入式系統(tǒng)的最新發(fā)展，初步掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程和常用方法。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念、基本原理、開發(fā)流程和步驟、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和解決技術(shù)問題的基本方法，具備一個(gè)合格的高新技術(shù)工程研發(fā)人員綜合運(yùn)用所學(xué)各種知識(shí)和技能，從分析嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目需求，到確立設(shè)計(jì)開發(fā)方案，到方案實(shí)施和解決基本問題的能力。

課程基本內(nèi)容：了解嵌入式系統(tǒng)的特性、基本原理及其發(fā)展趨勢(shì)；建立嵌入式系統(tǒng)的概念；掌握51體系結(jié)構(gòu)、STM32嵌入式微控制器及嵌入式系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等內(nèi)容。該課程是一門實(shí)踐與理論結(jié)合性很強(qiáng)的課程，以電子技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、C語言等課程為基礎(chǔ)，主要介紹基于51和STM32微處理器的硬件基礎(chǔ)和編程。

課程重點(diǎn)與難點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)的概念，嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，包括IO、中斷、DMA、SPI的工作原理，嵌入式系統(tǒng)的C語言編程方法。

課程章節(jié)主要內(nèi)容總體分為51和STM32兩大部分。

第一部分

第2章 AT89s51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)：AT89S51單片機(jī)的硬件組成，引腳功能，電源及時(shí)鐘引腳等。

第3章 C51語言編程基礎(chǔ)：Keil C51簡介，Keil C51的開發(fā)工具，C51語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，C51語言中的數(shù)據(jù)類型與存儲(chǔ)類型等。

第4章 AT89s51片內(nèi)并行端口的原理及編程：AT89S51

的并行I/0端口的結(jié)構(gòu)及工作原理，并行I/O端口的C51編程舉例。

第5章 AT89s51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)：AT89S51中斷技術(shù)概述，中斷允許與中斷優(yōu)先級(jí)的控制，響應(yīng)中斷請(qǐng)求的條件，中斷函數(shù)。

第6章 AT89s51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：工作方式控制寄存器TMOD，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的4種工作方式，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的編程和應(yīng)用。

第7章 AT89S51單片機(jī)的串行口：串行口的結(jié)構(gòu)，串行口控制寄存器SCON，特殊功能寄存器PCON，串行口的4種工作方式。

第12章 單片機(jī)的串行擴(kuò)展技術(shù)。

第二部分

第1章 STM32基本原理：STM32性能和結(jié)構(gòu)，Cortex M3處理器，Cortex M3寄存器，STM32儲(chǔ)存地址映射，復(fù)位和時(shí)鐘控制。

第2章 硬件設(shè)計(jì)：STM32主板設(shè)計(jì)，MCU及其周圍電路設(shè)計(jì)，USB轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計(jì)，TTL轉(zhuǎn)RS232電路設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)端口電路。

第3章 STM32軟件開發(fā)：STM32軟件開發(fā)環(huán)境，MDKKeil開發(fā)環(huán)境，獲得和理解固件庫，操作GPIO和管理中斷，嵌套向量中斷控制器NVIC庫函數(shù)，串口通信和DMA編程，SPI與I2C編程，TF卡編程，液晶屏及觸摸屏編程。

參考文獻(xiàn)

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