嵌入式系统设计技术 沈晓峰

随着传感器、转换器、微处理器、存储器、操作系统、用户接口和封装、软件工程等技术的进步,加上人们对需求和市场潜能的深入理解,越来越多的计算架构被嵌入到各类应用系统并深入到我们的生活中,不断地提升人类的生活质量与效率。然而嵌入式系统设计方法和手段的进步却远远滞后于应用对快速、高效的设计各类复杂嵌入式系统的迫切需求,涉及微电子技术、电子信息系统、计算机技术等多学科的交叉的嵌入式系统设计体系结构和方法已成为技术研究和发展的热点,。

本课程将分析嵌入式系统设计技术现状和趋势的基础上,从系统角度总结凝练不受构成嵌入式系统的软硬组件及其技术的高速进化影响的系统原理和设计方法,以不变的机理和方法论支撑未来嵌入式系统设计者应对新需求、新技术、新组件的快速变化,培养高层次、高水平的嵌入式系统设计人才。

 

课程概述

    嵌入式计算这一新学科中的基本原理和技术是帮助我们面对日益复杂的嵌入式计算基本方法,包括特定系统的典型结构、计算架构的基本原理,用于面对复杂系统开发的软件工程方法,多线(进)程程序的设计,嵌入式系统实时性(限定或可预测的执行时间)要求的基于RTOS的系统开发,系统功耗、成本等非功能性约束均是嵌入式系统设计的要素。 

    本课程希望避开某些具体的嵌入式系统设计平台,为同学们讲述嵌入式计算系统的基本原理,加强同学们对嵌入式系统设计技术的理解,使同学们获得有助于创建复杂系统的强有力的抽象能力。因为构建嵌入式系统的组件在不断的变化,但其基本原理不变,该基本原理可以使设计者在迅速掌握一种新组件的基础上将同样的原理用于新的组件上。课程将全面阐述嵌入式系统的设计要素、深入剖析嵌入式系统硬、软件设计基础、引入嵌入式系统设计新方法、稳步强化嵌入式系统的开发流程。

    本课程共40个学时,周学时数4,10周完成全部课堂教学。课程首先用4个学时介绍本课程涉及到的基本概念、设计要素、设计方法、技术发展趋势和方向等基础内容;在嵌入式系统的硬软件设计部分安排了34个学时,这34个学时中我们利用28个学时介绍嵌入式系统的软、硬件构成、设计原理和方法,6个学时详细介绍一个数码相机的设计实例让同学们由基础到应用逐步理解和掌握嵌入式系统的设计方法和过程。 课程的最后我们利用2个学时选择6到8位同学进行主题报告的交流,请注意交流的过程需要全部同学的共同参与。 

预备知识

    嵌入式系统设计技术涉及到电子信息系统构型与设计、信号与信息处理、嵌入式计算与实现等多学科、跨领域的技术组合,学习这门课程需要同学们补充或完善信号与系统、数字信号处理、计算机组成和结构原理、软件技术基础等基础知识,以应对本课程的知识体系。

授课大纲

一、教学目的

嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积功耗等指标要求严格的专用系统,嵌入式系统的快速、高效设计已经成为当前最为热门的研究领域之一。通过本课程的学习可以加强同学们对嵌入式系统的基本概念和设计原理的进一步理解掌握嵌入式系统软、硬件设计的要素、流程和方法,跟踪嵌入式系统设计的前沿动态,奠定在嵌入式系统设计领域的坚实基础。

二、教学内容与要求(包括学时分配)

    

    第一章 嵌入式系统概述 (4学时)

    简介课程教学理念、要求和安排;介绍嵌入式系统的基本概念;嵌入式系统设计技术研究的主要内容;嵌入式系统设计技术的发展现状与发展趋势;典型的嵌入式系统应用;需要注意的行业标准与相关学科;嵌入式系统设计的经典流程。

    作业一:观察、归集、创意的嵌入式系统需求分析。

    第二章 嵌入式系统硬件设计(20学时)

2.1 计算机体系结构回顾(2学时)

从信息编码表征、程序运行、数据存储、操作系统、网络互连等角度回顾计算系统的基本特征,介绍典型的计算架构及其特点。为后续嵌入式计算系统原理学习奠定基础。

2.2 嵌入式处理器、存储器及其性能优化(8学时)

简介ARM指令集,介绍嵌入式处理器的发展历程,介绍ARM处理器体系和典型处理器内核及其特点;结合典型的ARM处理器内核介绍中断、流水线、超标量、多核等嵌入式处理器性能优化机制;介绍层次化的存储器结构和高速缓存的概念和基本结构,分析并介绍编写适应高速缓存结构的友好代码原理和方法;介绍嵌入式处理器的性能和功耗间的关系。

作业二:高速缓存结构及其分析

2.3 输入/出设备和通信接口(4学时)

介绍通用存储器、显示、键盘等嵌入式系统的周边设备的特性和设计方法;介绍嵌入式总线结构、详细介绍片内总线、I2CCAN等典型系统总线结构和协议及其实现。

2.4 电源和功耗(2学时)

介绍嵌入式系统电源设计流程和方法,对典型的线性稳压和开关电源的设计方法进行介绍和分析。

2.5 设计实例(6学时)

结合第二章的嵌入式系统设计原理和手段,介绍数字钟的设计方法、重点介绍其基于UML的规格说明、总体和详细的设计方法(2学时)。介绍数码相机的嵌入式设计方法,重点介绍其设计原理、设计过程、仿真设计等典型嵌入式设计方法。(4学时) 

         第三章 嵌入式系统软件设计(12学时) 

3.1 嵌入式操作系统的基本特征和原理(2学时)

3.2 uc/osII操作系统详解(8学时)

3.3 嵌入式软件设计方法(2学时)


嵌入式系统主题报告交流(2学时)

从作业一中选择68名有代表性的作业,指导其作者进行基于其需求分析的系统设计,完成5分钟PPT,进行课堂交流t设计,Project报告交流。

 

三、教学方式和考核方式:

教学方式:多媒体授课,以及同学们的主题Project设计的演示交流。

考核方式:主题Project 设计及交流展示。

 

 

 

 

参考资料

    本课程选用美国佐治亚理工学院Marilyn Wolf教授所著的《嵌入式计算系统设计原理》(原书第3版)作为教材,该书为湖南大学李仁发教授等翻译,由机械工业出版社出版。

    本课程同时为同学们从系统硬件、操作系统、软件设计等不同方面深入嵌入式系统提供了多本经典参考书籍,包括:

   1.“深入理解计算机系统”是一部有关计算架构的经典书籍,为大家描述了计算系统的组成和实现细节,帮助大家在脑海中构筑一个层次化的计算系统;内容涵盖了计算体系的硬件技术与编译器、操作系统的交互。

   2. “Embedded Microprocessor Systems Real World Design”是嵌入式系统设计的经典资料,内容涵盖了嵌入式计算系统在软硬件设计的各个方面,包括:微处理器、存储器、总线、外部设备等;操作系统、软件设计等。

   3.“嵌入式实时操作系统UC/OS-II”一书是该操作系统的设计者对UC/OS-II操作系统的详细介绍,是本课程操作系统部分细节的重要参考资料。 

   4.“Real-Time Concepts for Embedded Systems” 一书是对嵌入式系统设计的实时性要求的基于操作系统的软件设计技术的介绍。    

   5.“Embedded Systems Design - An Introduction To Processes, Tools And Techniques”对嵌入式系统设计的典型流程进行了介绍

开课信息
2025-2026-2学期
学生名单 自动生成
课程已进行至
4/20周
开课:2026年03月02日 00:00:00
结束:2026年07月19日 00:00:00
课程信息
课程时长: 10周
课程负载:
内容类型: 视频,文档,随堂测试
课程分类: 工程技术
任课教师
姓名相片职称
沈晓峰 研究员
陈章鑫
选课学生
学期学期类别选课人数
2025-2026-2学期 自动生成 110
2024-2025-2学期 自动生成 54
2023-2024-2学期 自动生成 61
2022-2023-2学期 自动生成 35
2021-2022-2学期 自动生成 46
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