微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計教案(mod).doc

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教 師 教 案 (2010 — 2011學年第1學期) 課 程 名 稱：微機系統(tǒng)原理及接口技術 授 課 學 時：80 授 課 班 級：機電學院 任 課 教 師：吳獻鋼 教 師 職 稱：講師 教師所在學院：機械電子工程學院 電子科技大學 課程名稱 微機系統(tǒng)原理及接口技術 授課專業(yè)班級 機電學院 年級 2008 級 課程編號 BK03 修課人數(shù) 114 課程類型 必修課 學科基礎課 ( √ ) ； 專業(yè)基礎課 ( ) ； 專業(yè)課 ( ) 選修課 專 選 課 ( ) ； 公選課 ( ) 授課方式 理論課 ( √ ) ；實踐課 ( ) 考核方式 考 試 ( √ ) 考 查 ( ) 是否采用多媒體 是 是否采用雙語 否 學時分配 課堂講授64學時， 實踐課16學時 名稱 作者 出版社及出版時間 教材 微處理器系統(tǒng)結構及嵌入式系統(tǒng)設計 李廣軍等 電子科技大學出版社，2005 參考書目 1.體系結構（第5版） 2.計算機機系統(tǒng)結構 3.計算機組成原理 4.計算機機組織與體系結構-性能設計（第七版） 5.ARM體系結構與編程 6.ARM體系結構及其嵌入式處理器 郭新房等譯 張晨曦等 潘松，潘明編 張昆藏等譯 杜春雷編著 任哲等編著 清華大學出版社，2007年 高等教育出版社，2008年 科學出版社，2007年 清華大學出版社，2006年 清華大學出版社，2007年 北京航空航天大學出版社，2007 授課時間 周一第5,6節(jié);周三第1,2節(jié);單周五第5,6節(jié) 第一章 概述 授課學時：4 一、 教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ 1 課程介紹 l 本課程講授的主要內容、改革目標及要求。 l 相關知識及本課程在系列課程中的地位。 l 有效學習方法。 l 推薦參考書。 l 教學進度安排。 l 課程考核方式。 2 計算機基礎知識 l 從微電子技術角度理解計算機的發(fā)展。 l 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的層次模型。 l 并行處理技術：流水線、超標量、VLIW、多機（處理器） l 存儲器層次結構。 l 不同的CPU設計策略：CISC和RISC結構。 l 計算機系統(tǒng)的性能評測。 l 嵌入式系統(tǒng)概念。 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的層次模型。 l 不同的CPU設計策略：CISC和RISC結構。 l 計算機流水線結構。 2 理解內容 l 計算機存儲器的層次結構。 3 了解內容 l 計算機的發(fā)展過程。 l 多核處理器的并行結構。 l 嵌入式系統(tǒng)。 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 現(xiàn)代計算機的層次結構。 l 現(xiàn)代計算機的流水線結構。 l RISC和CISC體系結構的區(qū)別。 l 計算機組織的模型：計算機組織和體系結構 ☆ 難 點 ☆ l 計算機體系結構、計算機組織、計算機實現(xiàn)以及計算機層次結構的關系。 三、課后練習 作業(yè)：1、7 ~10 思考：2、3、5、6 四、 本章參考資料 五、 教學后記 重點是使學生能夠了解本課程的學習重點和關注的技術領域，激發(fā)學生的學習興趣，并引導學生建立良好的學習方法和學習習慣。 其它問題：本書例程是否需要統(tǒng)一成ARM指令？不統(tǒng)一的好處在于：x86匯編指令其實更容易理解；另外也可以對比學習到CISC和RISC兩種類型的指令。 第二章 計算機系統(tǒng)組成與工作原理 授課學時：10 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ 1 計算機體系結構 l 馮諾依曼體系結構的特點。 l 現(xiàn)代計算機的體系結構的改進：指令集的改進、存儲器組織結構的改進、輸入/輸出的改進。 2 計算機的組成原理 l 總線與接口技術。 l CPU的結構。 l 存儲器組織結構。 l 輸入/輸出的組織結構。 3 計算機互連結構 l 總線要素及組織結構。 l 總線仲裁方式、總線帶寬和時序。 l 串行總線。 4 計算機工作原理與基本工作流程 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l 馮諾依曼體系結構的特點。 l CPU的基本結構及組成。 l 存儲器的分層體系及組織結構。 l 輸入/輸出控制方式及接口組成。 l 總線組織形式及帶寬、仲裁、時序的概念。 l 串行總線的特點。 2 理解內容 l 計算機的基本工作過程。 3 了解內容 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 計算機體系結構：指令集、存儲器讀寫、I/O控制方式 l 計算機組成原理：CPU結構、存儲器組織、總線及接口 l 計算機互連：總線協(xié)議、總線帶寬、總線仲裁、總線時序 l 計算機工作流程 ☆ 難 點 ☆ l 計算機工作原理及工作過程 l 串行總線 三、課后練習 作業(yè)：7 、13~15、20~23、28~31 思考：1~6、8~12、16~18、25~27 四、 本章參考資料 五、 教學后記 本章幾乎全是重點，而且從不同角度解釋CPU子系統(tǒng)、存儲器子系統(tǒng)及輸入輸出子系統(tǒng)的結構及工作原理，可能會導致學生感覺混亂，還需要找到一個好的方法將計算機體系結構及組成這兩個角度融合起來理解。 建議將第四章提前到第三章前講。 第三章 微處理器體系結構及關鍵技術 授課學時：10學時 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ 1. CPU的內部結構和功能。 2. 從邏輯設計和硬件電路的角度，研究微處理器的體系結構、指令系統(tǒng)及其特性。 3. 探討微處理器系統(tǒng)的硬件、軟件兩者之間的相互影響。 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l 計算機指令系統(tǒng)要素。 l 指令格式與尋址方式。 2 理解內容 l 微處理器的結構和組成 l 隨機邏輯結構及操作。 l 微碼體系結構。 l 流水線體系結構。 3 了解內容 l 超標量體系結構及操作。 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 微處理器結構與功能。 l 指令系統(tǒng)設計要素。 ☆ 難 點 ☆ l 微碼體系結構。 l 隨機邏輯體系結構。 三、課后練習 作業(yè)：1、2、7、9、11、13 思考：3~6、8、10、12、15、16 四、 本章參考資料 五、 教學后記 需要強調并引導學生建立“CPU=硬件+指令”的系統(tǒng)級概念，理解軟件和硬件的等價性。對于CPU的不同體系結構應注意說明并不是對立的，而是發(fā)展過程中逐漸演變成的。 考慮是否補充CISC（x86）及RISC（ARM）的具體結構及機器指令編碼格式，當然這個也可以在第五章補充。 第四章 計算機總線接口技術 授課學時：10 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ l 接口基礎：地址映射、地址譯碼、總線隔離 l 存儲器接口技術 l 并行接口技術（無條件控制、查詢控制、中斷控制） l 串口接口技術 l 模數(shù)/數(shù)模接口技術 l 定時/計數(shù)接口技術 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l 地址映射技術 l 地址譯碼設計方法 l 存儲器模塊結構及設計 l 程序控制方式下并行接口技術及接口電路設計方法 2 理解內容 l 中斷接口電路設計 l 串行接口設計 l 定時/計數(shù)接口設計 l 模數(shù)/數(shù)模接口技術 3 了解內容 l DMA控制器接口 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 接口的概念，地址空間概念，接口電路中譯碼電路的設計 l 主存儲器擴展設計 l 并行接口設計 ☆ 難 點 ☆ l 地址分配、地址空間及地址譯碼 l 帶握手信號的接口結構及工作流程 l 中斷接口的軟硬件實現(xiàn) l 模數(shù)接口技術 三、課后練習 作業(yè)：1、2、4、7、8、10、13、18、19、22、23、28、31、39、41 思考：3、9、 11（較難）、 14、16、21、25、26、27、29、 32 （較難）、33 （較難）、 34、35、37 四、 本章參考資料 教材第4章、接口技術相關參考書。 五、 教學后記 本章教材中內容比較簡略，建議在附錄中增加涉及到的幾個接口芯片的手冊。 第五章 ARM體系結構及指令系統(tǒng) 授課學時：10 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ l ARM體系結構及處理器 l ARM編程模型、運行模式、工作狀態(tài)、存儲器組織結構 l 存儲器格式及地址映射 l ARM指令系統(tǒng)、尋址方式 l ARM指令集 l THUM指令與ARM指令的區(qū)別 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l ARM指令系統(tǒng) l 指令尋址方式 l 指令格式 l ARM指令集的常用指令：數(shù)據(jù)傳送指令，基本運算指令 2 理解內容 l ARM指令模型 l 處理器運行模式、工作狀態(tài) l 存儲器組織狀態(tài) 3 了解內容 l ARM體系結構及處理器 l THUMB指令與ARM指令的區(qū)別 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l ARM指令系統(tǒng)、尋址方式 l 指令格式及特點 l 指令操作數(shù) l ARM常用指令，數(shù)據(jù)傳送指令，基本運算指令 ☆ 難 點 ☆ l 指令結構規(guī)律 l 指令操作 三、作業(yè) 作業(yè)：5、7、9、10 思考：1~4、6、8、11 四、 本章參考資料 教材第5章。ARM指令集等相關文件，ARM網(wǎng)站及論壇 五、 教學后記 第六章 ARM程序設計 授課學時：7 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ l 匯編程序結構與匯編語言 l 匯編語言常用偽指令 l 匯編程序格式及規(guī)范 l ARM匯編程序設計方法 l ARM程序設計舉例 l ARM匯編與C語言混合編程 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l 匯編程序結構要求及特點 l ARM匯編語言的偽指令 l 匯編語言指令格式 l 匯編語言程序設計 2 理解內容 l ARM程序框架 l 函數(shù)調用 l 混合編程 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 匯編程序結構及規(guī)范 l 常用偽指令 l 匯編語句格式規(guī)范 l 匯編程序設計 ☆ 難 點 ☆ l 匯編語言程序設計 l 混合編程、函數(shù)調用 三、作業(yè) 作業(yè)：3、4、6、8、 12、14~19 思考：1、2、10、13 四、 本章參考資料 教材第6章，ARM指令系統(tǒng)、程序設計及C語言設計相關參考書，ARM論壇及網(wǎng)站。 五、 教學后記 第七章 基于ARM內核的微處理器芯片簡介 授課學時：5 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ l ARM處理器結構 l 存儲器管理單元及接口 l CACHE、總線接口單元 l ARM9微處理器：MX21處理器、SAM9263處理器、S3C2440處理器 l ARM處理器硬件系統(tǒng) ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l ARM處理器最小系統(tǒng)的設計 2 理解內容 l ARM處理器內核結構 l 存儲器管理單元 l 總線接口單元 l 高速存儲取 l ARM處理器MC9328MX21 3 了解內容 l ARM處理器AT91SAM9263 l ARM處理器S3C2440 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l ARM處理器最小硬件設計 l ARM處理器內核結構特點 ☆ 難 點 ☆ l ARM處理器內核結構 三、作業(yè) l 3，5 四、 本章參考資料 教材第7章，ARM處理器芯片資料。 五、 教學后記 第八章 嵌入式系統(tǒng)論設計 授課學時：6 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ l 嵌入式系統(tǒng)簡介 l 嵌入式系統(tǒng)設計方法及設計流程 l 嵌入式處理器介紹 l 嵌入式軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)結構、工作流程 l 嵌入式操作系統(tǒng)任務及技術指標 l 常用嵌入式操作系統(tǒng) l 嵌入式操作系統(tǒng)移植 l 嵌入式系統(tǒng)的測試 ☆ 要 求 ☆ 1 重點掌握內容 l 嵌入式操作系統(tǒng)的移植 l BOOTLOADER的移植方法及過程 l 嵌入式操作系統(tǒng)的內核移植方法 2 理解內容 l 嵌入式軟件的設計流程 l 嵌入式處理器介紹 l 嵌入式軟件系統(tǒng) 3 了解內容 l 嵌入式系統(tǒng)簡介 l 其他常用嵌入式操作系統(tǒng) 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 嵌入式操作系統(tǒng)移植 l BOOTLOADER移植方法 l 嵌入式系統(tǒng)設計方法 l 嵌入式軟件設計 ☆ 難 點 ☆ l 嵌入式操作系統(tǒng)內核移植 三、作業(yè) l 1、3、4、6、8、10、12 四、 本章參考資料 教材第8章，嵌入式系統(tǒng)相關資料 五、 教學后記  第九章 基于ARM微處理器核的SoC設計 授課學時：2 一、教學內容及要求 ☆ 內 容 ☆ l 片上芯片設計方法 l SOC的片上總線 l 基于ARM內核的SOC系統(tǒng)設計 ☆ 要 求 ☆ 1 理解內容 l 片上系統(tǒng)結構及關鍵技術 l SOC的片上總線 2 了解內容 l 基于ARM內核的SOC系統(tǒng)設計 二、 教學重點與難點 ☆ 重 點 ☆ l 片上芯片總線 ☆ 難 點 ☆ l 片上系統(tǒng)設計 三、作業(yè) 1、3 四、 本章參考資料 教材第9章，SOC相關資料 五、 教學后記