基于ARM的嵌入式系统设计

《基于ARM的嵌入式系统设计》课程标准一、课程性质及任务1．课程定位本课程是计算机应用技术专业嵌入式系统方向的专业课，是学生专业能力的核心课程之一。计算机应用技术专业嵌入式系统方向的配养目标是：要求毕业生成为在嵌入式计算机系统等技术领域从事技术和管理工作的高等应用型专业技术人才。熟悉基于ARM的嵌入式硬件系统和基于WindowsCE的嵌入式系统。能够从事嵌入式应用产品的生产、驱动程序及应用程序设计等工作。2．课程设计根据嵌入式系统助理工程师工作岗位的特点，我们将以一个具体的嵌入式公司的研发活动展开分析，并确定研发中的典型工作过程，仔细分析工作过程对嵌入式助理工程师的能力要求，完成课程的初步设计。在经过与企业兼职教师商讨后，对课程设计做调整，并整理出实用及可操作的教学内容，以项目的方式进入教学。（1）嵌入式产品研发的特点典型的电子产品设计过程包含三个阶段：概念开发和产品规划阶段、详细设计阶段及小规模试产阶段。嵌入式产品的研发过程与电子产品的研发过程存在一定的差异，这是因为嵌入式产品的研发需要软硬件综合开发，其研发过程也就有其自身特有的地方：嵌入式产品更关注成本，很多公司在产品设计前就预设产品的销售价格，并依此来指导工程师的研发过程。工程师不仅要关注产品功能的实现，更要控制材料的价格，同时要更多考虑生产过程中的隐形成本，以保证产品的价格竞争力。嵌入式产品是软硬件的结合体，在嵌入式系统领域，每一个嵌入式产品都是由软件和硬件共同构成的，而且软件是固化在硬件中的，用户不能对软件进行随意修改。（2）嵌入式研发工程师的工作过程如果从纯技术的角度来分析我们就嵌入式工程师的工作过程分为以下几个过程：可行性研究与分析在产品提交设计及实现目标后，专业的工程师要对产品是否可行进行论证，这里不仅需要技术上的论证，也需要从产品定位、功能、价格及试产等诸多方面的考虑系统总体设计这一步进入嵌入式系统的总体设计，这时需要确定嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分，并根据产品功能要求选定硬件平台和嵌入式操作系统，并确定开发工具。这一工作与公司产品研发的策略和定位有关，同时也取决于工程师对当前嵌入式产品的基本架构和开发工具的熟悉程度有关。软硬件设计实现本阶段的设计是整个设计过程中最基本的一环，也是最重要的阶段。它决定此后软硬件的设计走向以及系统测试的方式和环境。这一部分工程师要完成系统内核的定制、驱动程序的编制、软件的详细设计，代码的生产与测试过程。这部分工作需要与硬件的协作工作，需要反复调试，不断修正，才能完成。这一部分的工作是嵌入式工程师主要的工作过程之一。研发工程师不仅要完成软件的设计，还要进行代码的生成、编译和调试过程，需要助理工程师的协助来完成。在这一环节中，常常会遇到第三方软件的移植与使用。软硬件集成这是软硬件综合测试过程，验证系统功能是否能够正确无误地实现，测试无误的程序将固化在目标的硬件中。本阶段的工作是整个开发过程中最复杂、最费时的过程，也需要辅助开发工具的支持。功能性能测试测试最终完成的系统功能和性能是否满足需求。若不能满足，有可能需要修改设计。3．课程任务本课程从一个典型嵌入式产品GPS入手，系统介绍了WindowsCE嵌入式系统的应用与开发。详细介绍了嵌入式系统的基本概念，EVC开发工具的使用，WindowsCE多任务应用程序的设计方法，WindowsCE的内核、内存管理、文件系统、设备管理、图形界面、通讯等技术，驱动程序的编写和加载，嵌入式软件的开发及嵌入式系统的开发过程、方法和典型开发工具等内容。本课程是计算机应用课程链中的重要一环，完全按照工程方法设计，以一个典型的嵌入式产品贯穿课程，内容注重实践与理论的结合。通过本课程的学习，学生能较好地掌握WindowsCE嵌入式系统的应用与开发方法，系统掌握WindowsCE嵌入式系统应用的相关技术。二、职业岗位标准1．嵌入式系统行业高技能人才需求的特点通过对嵌入式系统人才需求的调研和跟踪，我们发现嵌入式系统行业与一般的制造业并不相同，即高技能人才的需求并不在嵌入式产品的制造过程，而是在研发及技术支持环节，这两个环节一个在产品生产之前，一个在产品售出之后。这也是由嵌入式产品自身的特点所决定的。由于嵌入式产品普遍采用32位RISC技术，芯片采用超大规模集成电路制造，也决定了产品的生产过程全部采用SMT设备完成。很多从事嵌入式产品实际制造的公司可能都可以没有自己的制造厂。而是直接委托专业的制造厂家来生产。所以我们所培养的嵌入式系统的人才培养定位在嵌入式系统相关行业的研发助理工程师。2．嵌入式系统助理工程师基本职业能力分析除以上专业核心能力外，嵌入式系统助理工程师还必须掌握从事嵌入式系统研发工作的方法能力和社会能力。方法能力是指在工作环境中所需要的工作方法和学习方法，是基本发展能力。由于嵌入式系统能够的发展同步于计算机技术的发展，需要从业者具备在职业生涯中不断获取新的技能与知识，以保证自己的可持续发展。社会能力是从事职业活动的行为能力，包括合作能力和职业素养等内容。在课程的教学过程中，我们不仅以培养学生的专业能力为目标，同时重视学生基本职业能力的培养。并将这一思想贯穿到整个教学过程中。3．嵌入式系统行业岗位通过对嵌入式系统相关行业助理工程师岗位能力的分析，我们总结出岗位的专业核心能力组成以下几个方面：（1）硬件调试能力：协助开发工程师完成嵌入式硬件平台的裁剪、部件的调试工作。（2）定制操作系统能力：完成在嵌入式开发平台上定制操作系统内核、选择组件的工作。（3）应用程序编制及调试能力：根据工作要求，完成嵌入式应用程序代码的生成、编译及程序的调试工作。（4）产品移植能力：基于工作岗位的定位及典对能力的要求。助理工程师经常需要完成移植第三方提供的组件到产品上的工作。从以上对岗位核心能力的分析可以看出，嵌入式系统的定制、应用程序的编制及调试、驱动程序的调试及第三方组件的移植，都要求其掌握嵌入式系统研发的基本方法。课程的教学定位完全满足以上各项能力目标。4．面对工作岗位的课程定位我们将课程的培养目标定位在高科技公司的高技能人才，主要从事辅助研发工程师的工作，其中包括集成及定制助理工程师，应用及调试助理工程师等工作岗位。三、课程目标1．课程总体目标本课程是一门技能训练课，适合采用项目教学法。课程设计要求学生通过本课程的学习，完成本课程要求的全部实验实训内容。2．课程具体目标为了提高计算机应用嵌入式方向学生基于ARM的嵌入式开发能力，计算机系设立了嵌入式开发实训基地，主要任务就是让嵌入式开发方向学生快速掌握嵌入式开发技能，J2ME无线开发方向，ARM的嵌入式系统开发方向技术应用能力进行培训。作为一个专项从事嵌入式开发的基地，我们确立的核心教学目标如下：（1）熟悉嵌入式软件开发的一般流程；（2）能够安装并配置WinCE开发环境；（3）能够根据需求分析设计并完成相关配置；（4）熟练掌握WinCE体系结构；（5）嵌入式系统中的Bootloader的配置与烧写；（6）WinCE内核的配置与烧写；（7）WinCE驱动程序实验（8）WinCE应用程序设计；在上述学习目标中，本课程目的在于训练学生的嵌入式开发能力。据此确定本课程能力目标为：学生通过本课程项目的实训，能够掌握ARM嵌入式项目开发技能。表1学习目标与学习内容表课程名称学习目标主要内容基于ARM的嵌入式系统软件设计在熟悉WinCE操作系统，ARM9体系结构的基础上，能够利用相关开发工具，把WinCE植入ARM9，并在嵌入式WinCE基础之上，进行驱动程序，嵌入式应用程序的开发。（1）熟悉嵌入式软件开发的一般流程；（2）能够安装并配置WinCE开发环境；（3）能够根据需求分析设计并完成相关配置；（4）熟练掌握WinCE体系结构；（5）嵌入式系统中的Bootloader的配置与烧写；（6）WinCE内核的配置与烧写；（7）WinCE驱动程序实验（8）WinCE应用程序设计；（1）嵌入式软件开发一般流程；（2）嵌入式程序设计规范；（4）基于WinCE的嵌入式开发工具；（5）ARM9体系结构与基本指令；（6）Bootloader设计与分析；（7）嵌入式WinCE内核配置与植入；（8）LED字符设备驱动程序实验；（9）LCD显示驱动程序；（10）动态加载模块；（11）FTP应用程序调试；（12）串口通信；（13）I2C总线接口试验；（14）网络应用程序实验；（15）文件和目录操作实验；（16）实时时钟实验；（17）A/D转换实验；（18）键盘和LED控制实验；（19）EEPROM读/写实验；（20）GPRS应用程序；（21）GPS应用程序。四、课程内容《基于ARM的嵌入式系统软件设计》，是以实训为基础的课程，所以多采用项目引导的“项目中心型”课程这种内容组织方式。对于开篇的基础知识回顾采用任务驱动的“训练中心型”课程内容组织方式。在整个教学过程中，学员将逐步学习到完成此项目需要的知识点，并能在课程结束时完成该项目。项目的完成情况作为本课程的考核依据之一。１．项目分解情况表表2课程内容表序号项目名称能力目标知识目标教学方法项目成果1CEPC系统的创建，与VM上的运行熟练应用虚拟机能够安装CEPC系统虚拟机模拟WinCE运行平台WinCE概述，学习方法，课程安排，软件安装定制CEPC系统教师讲解，学生分析嵌入式系统的启动程序，然后按照步骤进行操作Cepc系统运行2WinCE开发工具的安装与说明能够初步应用VS2005EVC++ActiveSync等软本课程所涉及的软件，以及说明VS2005EVC++ActiveSync等软件的初步应用教师讲解，学生分析嵌入式系统的启动程序，然后按照步骤进行操作HelloWorld3WinCE的模拟器及软件调试能够进行远程调试VS2005自带模拟器的应用应用软件的远程调试。教师演示驱动程序的设计，学生认真分析。模拟器运行4WinCE体系结构掌握WindowsCe层次体系结构掌握进程、线程与调度了解内存管理、存储管理与文件系统理解驱动程序管理与服务掌握用户介面与图形系统WindowsCE的结构功能概览WindowsCe层次体系结构进程、线程与调度内存管理、存储管理与文件系统驱动程序管理与服务用户介面与图形系统5BootLoader开发能够读懂BootLoader程序移植与应用BootLoader运行WindowsCE所需的硬件BSP介绍开发BSP教师演示，学生进行操作，分组进行指导BSP6基于ARM的WinCE系统定制与移植定制WindowsCE移植WindowsCEPlatformBuilder集成开发环境应用WindowsCE的目录组织WindowsCE构建系统教师演示文件系统的整个个设计过程，学生模仿进行设计，分组进行指导。WinCE移植7驱动程序开发LED驱动程序开发LCD驱动程序开发WindowsCE驱动程序的基础知识设备管理器中断外理与物理内存访问教师演示，学生进行操作，分组进行指导LED驱动LCD驱动8基于ARM的WinCE应用程序的开发与调试串行口通信的应用软件开发GPRS应用开发GPS应用开发应用软件的开发与调试教师演示文件系统的整个设计过程，学生模仿进行设计，分组进行指导。串口通信应用GPRS应用GPS应用２．教学进度表表3课程学习时间安排表序号学时教学目标和主要内容能力目标知识目标活动项目116熟练应用虚拟机能够安装CEPC系统虚拟机模拟WinCE运行平台WinCE概述，学习方法，课程安排，软件安装定制CEPC系统Cepc系统运行28能够初步应用VS2005EVC++ActiveSync等软本课程所涉及的软件，以及说明VS2005、EVC++ActiveSync等软件的初步应用HelloWorld38能够进行远程调试VS2005自带模拟器的应用应用软件的远程调试。模拟器运行416掌握WindowsCe层次体系结构掌握进程、线程与调度了解内存管理、存储管理与文件系统理解驱动程序管理与服务掌握用户介面与图形系统WindowsCE的结构功能概览WindowsCe层次体系结构进程、线程与调度内存管理、存储管理