微處理器與嵌入式系統設計

微處理器與嵌入式系統設計是電子科技大學建設的慕課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程，於2018年9月11日在中國大學MOOC首次開課，該課程的授課教師為閻波等。據2022年4月中國大學MOOC官網顯示，該課程已開課7次。

該課程共七章，前六章分別為計算機系統的結構組成與工作原理、微處理器設計技術、匯流排技術與匯流排標準、存儲器子系統、輸入輸出子系統、ARM嵌入式系統開發技術，第七章為基於Zyqn SoC晶片的嵌入式系統開發技術實驗。

基本介紹

• 中文名：微處理器與嵌入式系統設計
• 類別：慕課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程
• 授課平台：中國大學MOOC
• 建設院校：電子科技大學
• 首開時間：2018年9月11日
• 授課教師：閻波等

課程性質

課程背景

生活中，嵌入式系統已經幾乎無處不在：從電子體溫計到大型醫療設備、從智慧型手機到無人駕駛汽車、從信息家電到仿真機器人、從智慧型家居到智慧城市……隨著微電子技術與計算機技術的飛速發展，計算機與其他各專業技術不斷地滲透整合，越來越多的微計算機系統嵌入到各類設備中，基於智慧型物聯的泛在連線與泛在服務需求促使嵌入式微系統的設計及套用技術進入了全新的發展階段。實際上，以積體電路和基礎軟體為代表的嵌入式微處理器系統設計技術已經成為業內的核心標誌性技術，微處理器及嵌入式計算機系統/片上系統（SoC）設計技術也已成為通信、雷達、計算機、自動控制和微電子等研究套用領域的工程師應掌握的基本技術和必備技能。隨著網際網路3.0時代的到來，物聯網正在重新定義新經濟世界的生活方式和工作方式，以嵌入式計算機系統設計為基礎的智慧型終端植入技術將為世界各地的用戶創造豐富的“智慧型觸點”。

課程定位

該課程的學習將幫助學習者邁入嵌入式微處理器系統設計的技術殿堂，了解物聯網中智慧型終端的工作原理與設計方法。

課程簡介

該課程共七章，第一章介紹計算機的組成與原理，計算機系統設計技術的發展趨勢；第二章介紹計算機微體系結構的發展變化、以及CPU晶片的關鍵設計技術；第三章介紹匯流排（協定）的基本要素和常用並行匯流排與串列匯流排的設計、套用特點；第四章介紹計算機存儲器子系統的組成結構與工作原理，以及嵌入式系統中主存儲器的設計技術；第五章介紹計算機系統中I/O接口的工作原理，以及接口電路的硬體設計及驅動開發技術；第六章介紹以ARM CPU為核心的嵌入式計算機系統的軟硬體設計、開發技術；第七章是配合“ARM嵌入式系統開發技術”章節進行學習的課程配套實驗。

課程大綱

第一章 計算機系統的結構組成與工作原理 1.0 本章導學 1.1 計算機系統的基本結構與組成 1.2 計算機系統的工作原理 1.2.1-馮洛伊曼計算機架構 1.2.2-計算機組成結構 1.2.3-計算機執行指令過程 1.3 微處理器體系結構的演進 1.3.1-微處理器體系結構的改進 1.3.2-微處理器體系結構的改變 1.4 計算機分類與性能評測 第二章 微處理器設計技術 2.0 本章導學 2.1 CISC與RISC體系結構 2.1.1-CISC與RISC設計策略的差別 2.1.2-CISC與RISC指令集的差別 2.1.3-CISC與RISC數據通路的差別 2.1.4-CISC與RISC控制器的差別 2.2 指令系統設計 2.2.1 指令結構 2.2.2-指令類型 2.2.3-定址方式 2.3 指令流水線設計 2.3.1-指令流水線 2.3.2-流水線性能分析 2.3.3-計算機測評 第三章 匯流排技術與匯流排標準 3.0 本章導學 3.1 匯流排技術 3.1.1-匯流排的要素 3.1.2-匯流排的分類 3.1.3-匯流排的性能指標 3.1.4-匯流排操作與匯流排仲裁 3.1.5-匯流排時序 3.2 常見的匯流排標準 3.2.1-AMBA匯流排 3.2.2-APB匯流排 3.2.3-PCI匯流排 3.2.4-串列數據傳輸 3.2.5-串列匯流排的性能 3.2.6-串列匯流排的時序 3.2.7-RS232類匯流排 3.2.8-USB匯流排 3.2.9-SPI匯流排

3.2.10-現場匯流排 第四章 存儲器子系統 4.0 本章導學 4.1 存儲層次結構 4.1.1-存儲層次結構及存儲介質 4.1.2-地址映射技術 4.2 主存儲器 4.2.1-工作原理 4.2.2-內部結構 4.3 主存儲器設計 4.3.1-問題分析 4.3.2-字位擴展技術 4.3.3-片選解碼技術 4.3.4-設計實例 4.3.5-並行存儲技術 第五章 輸入輸出子系統 5.0 本章導學 5.1 I/O組織 5.2 常用I/O接口設計 5.2.1-無條件控制 5.2.2-條件查詢控制-接口模型與控制流程 5.2.3-中斷控制-相關概念 5.2.4-中斷控制-接口模型與控制流程 5.2.5-中斷控制-優先權判別 5.2.6-直接存儲器訪問(DMA) 5.3 接口傳輸方式對比 第六章 ARM嵌入式系統開發技術 6.0 本章導學 6.1 嵌入式系統硬體設計與開發 6.1.1-ARM微處理器簡介 6.1.2-最小系統設計 6.1.3-S3C2410特殊功能暫存器SFR 6.1.4-通用IO接口設計及控制 6.1.5-串列接口設計及控制 6.2 嵌入式系統軟體設計 6.2.1-基於循環的嵌入式程式設計 6.2.2-基於作業系統的驅動程式設計 附錄：基於Zyqn SoC晶片的嵌入式系統開發技術實驗 1 ARM基礎編程仿真(Keil) 2 Soc環境平台搭建 3 IO驅動程式設計1-無作業系統的裸機環境 4 IO驅動程式設計2- Linux系統環境 4.1 Linux下的LED驅動程式設計 4.2 Linux下的串口驅動程式設計

（註：課程大綱排版從左到右列）

開課信息

開課次數	開課時間	授課教師	學時安排	參與人數
第1次開課	2018年09月11日~2018年12月31日	閻波、林水生、周亮、肖寅東、劉民岷、胡哲峰、吳獻鋼、趙貽玖	2-3小時每周	5282人
第2次開課	2019年03月11日~2019年07月25日	閻波、林水生、劉民岷、肖寅東、胡哲峰、趙貽玖、吳獻鋼	2-3小時每周	3365人
第3次開課	2019年09月02日~2019年12月01日	閻波、林水生、劉民岷、郭志勇、周亮、謝軍	2-3小時每周	2525人
第4次開課	2020年02月01日~2020年05月31日	閻波、林水生、劉民岷、王剛、陳駿蓮、吳獻鋼、鄧興成	2小時每周	4516人
第5次開課	2021年03月08日~2021年05月31日	閻波、林水生、劉民岷、周亮、祝崇今、謝軍、魏明珠、吳獻鋼、彭曉燕、鄧興成、楊紅宇	2-3小時每周	1732人
第6次開課	2021年10月10日~2021年12月31日	閻波、林水生、劉民岷、周亮	3-4小時每周	1943人
第7次開課	2022年02月21日~2022年07月10日	閻波	4小時每周	待定

（註：表格內容參考資料）

課程特色

1. 加強了計算機組成原理和體系結構等基礎理論（而不僅限於某種特定型號CPU的使用技術），有助於真正理解微處理器系統的行為，從而做到舉一反三。

2. 探討了微處理器的原理、組成及結構等核心設計技術，從CPU晶片設計角度（而不僅僅是晶片使用角度）重點揭示了微處理器系統硬、軟體之間的相互影響及綜合設計方法。

3. 選用ARM核作為系統設計核心，並引入了ASIC/SoC設計技術，貼近相關專業領域的產業和行業需求。

4. 各章均提供了“本章導學”，方便學習者梳理各章的學習重點與課程知識脈絡。

5. 提供了大量習題庫，方便把控學習效果。其中單元測驗（占總成績85%）用於對知識點細節進行查缺補漏，而單元作業（占總成績10%）相對較難，用於考察知識的綜合套用能力。

教學目標

通過該課程的學習，可以幫助學習者理解微處理器系統的組成結構及工作原理，掌握以ARM為代表的嵌入式微處理器系統（SoC系統）的軟硬體設計方法，初步具備計算機及嵌入式微系統的分析及套用能力。

學習預備

預備知識

先修課程：數字邏輯設計及套用、高級語言程式設計。

學習資料

教材

書名	作者	出版社	出版時間	ISBN
《微處理器系統結構及嵌入式系統設計（第3版）》	閻波	電子工業出版社	2020年8月	9787121358227

參考資料

書名	作者	出版社	出版年份
《計算機科學概論（第12版）》	布魯克希爾等著，劉藝等譯	人民郵電出版社	2017年
《計算機組成與體系結構：性能設計（第10版）》	帕特森等著，陳微譯	機械工業出版社	2019年
《計算機組成與設計：硬體/軟體接口（原書第5版·ARM版）》	帕特森等著，陳微譯	機械工業出版社	2018年
《ARM嵌入式Linux系統開發詳解（第2版）》	弓雷等	清華大學出版社	2014年
《計算機組成與設計：硬體/軟體接口（原書第5版·RISC-V版）》	帕特森等著，易江芳等譯	機械工業出版社	2018年
《ARM Cortex-M0全可程式SoC原理及實現——面向處理器、協定、外設、編程和作業系統》	何賓	清華大學出版社	2017年
《ARM體系結構與編程（第2版）》	杜春雷	清華大學出版社	2015年
《Xilinx ZynqSoC與嵌入式Linux設計實戰指南：兼容ARM Cortex-A9的設計方法》	陸啟帥等	清華大學出版社	2014年

所獲榮譽

2019年，該課程被中華人民共和國教育部認定為“國家精品線上開放課程”；

2020年11月24日，該課程被中華人民共和國教育部認定為首批“國家級一流本科課程”。

教師簡介

閻波，女，電子科技大學信息與通信工程學院物聯網工程系物聯網智慧型晶片與系統團隊教授，研究方向：通信ASIC/SoC設計、人工智慧與物聯網定位、嵌入式微系統設計、移動通信技術、智慧型電網、通信信號分析與信息處理。

林水生，電子科技大學信息與通信工程學院教授、碩士生導師，從事嵌入式系統、信號處理、無線通信系統、無線感測器網路、通信積體電路設計等方面的研究與教學工作。

劉民岷，男，副教授，碩士生導師，電子科技大學航空航天學院航空航天工程系主任。主要研究方向：雲計算及大數據技術、虛擬儀器技術、嵌入式計算技術、機器人控制技術及分散式仿真。

陳駿蓮，女，電子科技大學 高級工程師，主要授課：電子技術實驗基礎、數字邏輯設計及套用，計算機系統原理。

肖寅東，男，電子科技大學自動化工程學院副教授、碩士生導師，研究方向：積體電路測試、任意波形合成技術、嵌入式系統。

胡哲峰，男，電子科技大學光電科學與工程學院副教授、碩士生導師，研究方向：光通信與集成光學、微波光電子學、太赫茲光電子學。

吳獻鋼，男，電子科技大學機械與電氣工程學院講師。