《微型计算机原理及应用》教学大纲(参考).docx

微型计算机原理及应用教学大纲（参考）课程代码：课程类别：专业必修课程授课对象：计算机类、人工智能类、电子信息类、自动化类等相关本科专业开课学期：2下或3上学 分：2+1学分主讲教师：指定教材：王宜怀、李庆利、冯德旺.微型计算机原理及应用一基于Arm微处理器，人民邮电出版社， 2020 年 1 月，ISBN 978-7-115-53299-2前导知识：高等数学、模拟电子技术与数字电路电子技术一、教学目的本课程主要目的在于从底层开始理解微型计算机是如何工作的，属于计算机、人工智能、电子信息、 自动化等理工类本科专业的专业基础课程。在理论层面，要使学生理解微型计算机基本工作原理；在实践 层面，要运用直接与硬件打交道的汇编语言进行编程，理解计算机程序基本运行过程。通过本课程，可使 学生基本理解微型计算机的基本结构、信息表示、系统时钟、三总线、硬件系统、指令系统、汇编语言框 架和汇编程序设计方法，基本理解微型计算机的存储器、串行通信接口、中断系统、定时器、模数与数模 转换、直接存储器存取等，并可以通过汇编语言编程体会其中的工作过程，为高级语言程序设计、微型计 算机应用系统软硬件设计、嵌入式人工智能等提供知识基础。二、教学内容第1章微型计算机基本结构及信息表示【目的要求】了解微型计算机的基本概况与发展简史、基本结构（包括CPU、存储器、I/O接口、三总线等基本概 念）；了解微机原理的实践选型；理解和掌握计算机中常用的数制，以及数制之间的转换方法；理解和掌握 计算机中信息的表示方式，包括位、字节、浮点数等基本含义，也包括字符编码方式等基本内容。【重点难点】计算机中信息的表示方式【教学内容】1.1 微型计算机概述1.2 微机原理的实践选型1.3 数制及数制之间的转换方法1.4 计算机中信息的基本表示方式1.5 文字在计算机中的存储方式一字符编码5.3 地址总线错误!未定义书签。5.4 数据总线错误!未定义书签。5.5 控制总线错误!未定义书签。5.6 CPU内部数据存取与基于三总线的数据存取错误!未定义书签。第6章存储器错误!未定义书签。6.1 存储器的功能与分类错误!未定义书签。6.2 只读存储器错误!未定义书签。6.3 随机存储器错误!未定义书签。6.4 高速缓存错误!未定义书签。6.5 存储器的进一步讨论错误!未定义书签。第7章汇编程序设计错误!未定义书签。7.1 汇编程序设计原则错误!未定义书签。7.2 封装成构件错误!未定义书签。7.3 排序问题汇编程序设计错误!未定义书签。7.4 几个常用数学函数的汇编设计错误!未定义书签。7.5 关于汇编程序设计的进一步讨论错误!未定义书签。第8章串行通信接口与并行通信接口错误!未定义书签。8.1 串行通信的基本概念及串行通信编程模型错误!未定义书签。8.2 RS232、RS485总线标准及电平转换电路错误!未定义书签。8.3 串行通信的编程结构错误!未定义书签。8.4 串行通信的底层编程步骤及驱动构件错误!未定义书签。8.5 并行通信接口错误!未定义书签。8.6 串行通信的进一步讨论错误!未定义书签。第9章中断系统及定时器错误!未定义书签。9.1 中断的基本概念错误!未定义书签。9.2 中断源错误!未定义书签。9.3 定时器错误!未定义书签。9.4 基于定时器中断编程举例错误!未定义书签。9.5 中断问题的进一步讨论错误!未定义书签。第10章 模数转换与数模转换错误!未定义书签。10.1 模数转换ADC的通用基础知识错误!未定义书签。10.2 ADC驱动构件及使用方法错误!未定义书签。10.3 ADC模块的编程结构错误!未定义书签。10.4 ADC驱动构件的设计错误!未定义书签。10.5 数模转换DAC错误!未定义书签。10.6 ADC的进一步讨论错误!未定义书签。第11章 直接存储器存取DMA错误!未定义书签。11.1 DMA的基本概念错误!未定义书签。11.2 DMA的一般操作流程错误!未定义书签。11.3 DMA构件头文件及使用方法错误!未定义书签。11.4 DMA驱动构件的设计方法错误!未定义书签。11.5 DMA模块编程结构错误!未定义书签。11.6 DMA的进一步讨论错误!未定义书签。第12章PC机的基本结构及启动过程错误!未定义书签。第13章微型计算机的发展方向错误!未定义书签。13.1 CPU的结构与速度错误!未定义书签。13.2 存储器的容量与速度错误!未定义书签。13.3 指令系统的发展方向错误!未定义书签。13.4 编译及链接手段的更新错误!未定义书签。13.5 微型计算机其他新技术错误!未定义书签。附录一微机原理实践开发平台错误!未定义书签。第2章 微型计算机的硬件系统【目的要求】理解微型计算机的硬件最小系统，理解CPU中的寄存器、微型计算机存储器映像，以个MCU芯片 为例，理解微型计算机硬件最小系统的构件化设计方法【重点难点】硬件最小系统、CPU中的寄存器、存器器映像、通用嵌入式计算机【教学内容】2.1 微型计算机的硬件共性结构及基本性能指标2.2 Arm Cortex-M微处理器概述2.3 CPU内部寄存器与存储器映像2.4 Ann Cortcx-M4内核的微型计算机芯片实例2.5 由STM32L431构建的通用嵌入式计算机第3章指令系统【目的要求】理解寻址方式，理解基本指令系统，记住几个简单指令；归纳基本指令的理解方法；通过汇编环境了 解指令对应的机器码，直观的基本理解助记符与机器指令的对应关系；了解GUN汇编器的基本语法【重点难点】归纳基本指令的理解方法、基本理解助记符与机器指令的对应关系【教学内容】3.1 指令保留字与寻址方式3.2 基本指令系统3.3 指令集与机器码对应表3.4 GUN汇编器的基本语法3.5 汇编语言框架【目的要求】理解汇编语言编程框架及各部分作用；理解第一个汇编程序的运行过程；理解软件干预硬件的基本方 法；通过实例完成第一个工程的入门，学会下载程序与调试程序的基本方法【重点难点】第一个汇编程序的运行过程；GPIO构件【教学内容】4.1 初识程序运行4.2 汇编工程框架及执行工程分析4.3 认识工程框架中的GPIO构件4.4 实验一：理解汇编程序框架及运行第5章基于构件的汇编程序设计方法【目的要求】理解软件构件基本概念及构件设计中所需遵循的基本原则；理解程序流程控制基本方法，包括顺序结 构、分支结构、循环结构等【重点难点】汇编语言中程序流程控制基本方法【教学内容】5.1 构件及其设计方法5.2 程序流程控制5.3 汇编程序设计实例5.4 实验二：基于构件方法的汇编程序设计第6章存储器【目的要求】了解存储器的功能与分类，了解随机存储器、只读存储器等：掌握Flash存储器的读取与写入方法； 理解高速缓存原理。【重点难点】随机存储器与只读存储器区别、Flash存储器的读取与写入方法、高速缓存原理【教学内容】6.1 存储器的功能与分类6.2 随机存储器与只读存储器6.3 SD卡与高速缓存6.4 Flash存储器6.5 存储器实验设计举例6.6 实验三：存储器实验第7章串行通信接口【目的要求】理解串行通信的基本原理，理解UART驱动构件的要素与编程方法，了解构件的制作过程【重点难点】通信的基本原理.、UART驱动构件【教学内容】7.1 串行通信的基础知识7.2 UART驱动构件及使用方法7.3 串行通信的编程举例7.4 实验四：基于串行通信构件的汇编程序设计第8章中断系统及定时器【目的要求】理解中断的基本概念及编程实现方法；理解定时器工作原理【重点难点】中断的基本概念及编程实现方法【教学内容】8.1 中断系统8.2 定时器8.3 基于定时器的中断编程举例8.4 实验五：理解中断与定时器第9章模数转换与数模转换【目的要求】掌握了解模/数转换（ADC）的基本概念与编程方法，了解滤波原理与编程方法；了解数/模转换（DAC） 的基本概念与编程方法【重点难点】模/数转换（ADC）的基本概念与编程方法【教学内容】9.1 模数转换器ADC的基础知识9.2 ADC驱动构件及使用方法9.3 数模转换DAC9.4 DAC驱动构件及使用方法要素分析9.5 实验六：ADC-DAC模块实验第10章直接存储器存取DMA【目的要求】理解DMA的基本概念，掌握DMA构件头文件及使用方法；了解DMA构件制作方法【重点难点】理解DMA的基本概念【教学内容】10.1 DMA的基本概念10.2 DMA的一般操作流程10.3 DMA构件头文件及使用方法10.4 DMA驱动构件要素分析10.5 DMA驱动构件的使用方法10.6 实验七：通过DMA实现内存间数据的搬运第11章外接组件综合实践【目的要求】理解常用外设硬件的基本原理，理解汇编语言级软件干预硬件的方法，掌握基本实践方法【重点难点】硬件原理与编程实践【教学内容】11.1 开关量输出类实践11.2 开关量输入类实践11.3 声音与加速度传感器实践第12章通用计算机的基本结构及启动过程【目的要求】了解通用计算机特别是个人计算机(PC)的基本构成和软件系统，了解操作系统【重点难点】PC机基本构成与启动过程【教学内容】12.1 PC机系统的基本结构12.2 PC机系统的启动流程12.3 PC机的操作系统第13章微型计算机的发展方向【目的要求】了解微型计算机的进一步发展发方向【重点难点】总结归纳微型计算机的进一步发展发方向【教学内容】13.1 CPU的结构与速度13.2 存储器的容量与速度13.3 指令系统的发展方向13.4 编译技术的发展13.5 微型计算机其他新技术三、课时分配表章学时数第1章微型计算机基本结构及信息表示4第2章微型计算机的硬件系统4第3章指令系统2第4章汇编语言框架4第5章基于构件的汇编程序设计方法2第6章存储器2第7章串行通信接口4第8章中断系统及定时器4第9章模数转换与数模转换2第10章 直接存储器存取DMA2第11章外接组件综合实践2第12章通用计算机的基本结构及启动过程2第13章微型计算机的发展方向2合计36实验学时18四、参考书目 Free Software Foundation Inc. Using as The gnu Assembler Version2.11.90, 2012.（简称 GNU 汇编语法）2| NATO Communications and Information Systems Agency. NATO Standard for Development of Reusable Software Components, 1991.（简称 NATO）3美Jack Ganssle, Michael Barr著.马广云等译.英汉双解嵌入式系统词典.北京航空航天大学出版 社.2006.4美Colin Walls著.沈建华译.嵌入式软件概论.北京航空航天大学出版社.2007.5美JackGanssle著.嵌入式系统设计的艺术（英文版第2版）.人民邮电出版社，2009.6美Randall Hyde著，韩东海译.编程卓越之道（第一卷 深入理解计算机）.北京:电子工业出版社，2006美Rand川Hyde著，张菲译.编程卓越之道（第二卷运用底层语言思想编写高级语言代码）.北京:电子工 业出版社，20078 Randal E.Bryant and David R.O'Hallaron. Computer systems: a programmer's perspective（Third edition）. Carnegie Mellon. University. 2016.内容简介本书根据微处理器的最新发展，选择ARM微处理器作为教学蓝本，阐述微型计算机系统的基本工作 原理，给出ARM Cortcx-M系列微处理器结构、指令系统和汇编语言程序设计，中断系统、基本输入输出、 串行通信接I，模数及数模转换、定时器等接口。全书从全新的视角思考微机原理教学，具有较强的理论 性与实践性。全书配有题习题、电子版实验指导书、电子版教师用书、网上光盘资料等。刖百微机原理的教学目的是使得本科学生了解“微型计算机”的基本工作原理。主要包括：CPU基本功能、 CPU的外围工作电路、三总线作用、工作时序、各种外围接口(如串行通信口、并行通信口、A/D转换接 I I、各种插槽等)的工作原理，通过汇编语言进行初步驱动实验，从硬件接口层理解微机工作的基本原理。 通过学习微机原理，为计算机应用、软件编程、软硬件协同开发等打下初步基础。微机原理的教学必选定一个特定的芯片作为教学蓝本。早在1990年代，当时Intel的8086成为微机原 理选定芯片，这个16位芯片，十分符合当时的发展，也容易用到本科教学中。各种接口实验箱大多是以 8086为核心扩展外围芯片展开。后来，随照微型计算机发展到32位、64位，结构也越来越复杂，有些高 校尝试用于教学，效果不理想。因此，大多数高校至今仍使用8086进行微机原理的教学。利用8086进行教学有如下优点：(I)已经有3()多年历史，资料非常丰富(2)一批老师已经教学10多年以上，内容非常熟悉(3)能够简明扼要地阐述早期微型计算机基本原理(4)与现行台式/笔记本微型计算机具有子孙关系，使用同样操作系统利用8086进行教学有如下缺点：(1)计算机发展之快，8086是3()多年前产品，芯片早己不生产(2)大部分微机原理实验的外围元器件也早已不生产(3)学生见到的计算机与微机原理课程已经远远不一致，基本原理也发生了重大变化(4)微型计算机形式已经多样化，与30年前的计算机从形式到内容都发生了根本的变化“微机原理”教学改革的必要性与紧迫性：目前微控制器(MCU)发展到J经把早期的一块微机主板的功能集中在一个单芯片内，应用处理器也采 用这样方式，这是集成电路设计与制造技术发展的结果。现在的平板电脑大多采用这样的应用处理器。而 且是发展趋势。利用跟上时代的微控制器或应用处理器进行微机原理教学，完全可以把“微机原理”讲清楚，而且可 以跟上微机的发展步伐。好的做法是：硬件软件通用原理部分可以按照与芯片无关的方式相对稳定，在教 材建设中给予关注，与芯片相关的部分做到接口统一，按照底层驱动原则进行教学，在3到5年左右进行 一轮芯片更新。实验器材可以采用核心子板加母版方式。核心子板更新在3到5年左右，母版可以在8到 10年左右更新一次。即使教学内容更新速度不如芯片快，也不能30年不更新，“微机原理”是应用学科， 应该探索如何根上发展步伐，不能一直不变。目前ARM Cortex等已经分别向微控制器和应用处理器领域发展，利用ARM Cortex进行“微机原理” 教学改革的时机基本成熟。若利用ARM Corlex进行“微机原理”教学改革，不仅可以讲清楚微机原理， 也可以有效提高学生的实际动手能力，并与微机发展基本同步。第1章概述错误!未定义书签。1.1 微型计算机发展简史错误!未定义书签。1.2 微型计算机的多样性错误!未定义书签。1.3 微型计算机的基本结构错误!未定义书签。1.4 计算机中的数字表示错误!未定义书签。1.5 计算机的基本运行机制错误!未定义书签。1.6 常用微处理器简介错误!未定义书签。第2章微处理器基本结构与指令系统错误!未定义书签。2.1 ARM Cortex-M处理器内部结构概要错误!未定义书签。2.2 ARM Cortex-M处理器存储器映像及寄存器错误!未定义书签。2.3 寻找方式错误!未定义书签。2.4 数据传送类指令错误!未定义书签。2.5 数据操作类指令错误!未定义书签。2.6 跳转控制类指令及其他指令错误!未定义书签。第3章汇编语言语法格式错误!未定义书签。3.1 汇编语言概述错误!未定义书签。3.2 GUN汇编器错误!未定义书签。3.3 汇编语言的基本语法错误!未定义书签。3.4 编译的基本过程错误!未定义书签。第4章微型计算机程序运行过程错误!未定义书签。4.1 微型计算机资源简介错误!未定义书签。4.2 汇编演示实例错误!未定义书签。4.3 徒接脚本文件错误!未定义书签。4.4 编译链接过程分析错误!未定义书签。4.5 机器码解析错误!未定义书签。4.6 执行过程分析错误!未定义书签。第5章系统运行时钟及总线错误!未定义书签。5.1 系统运行时钟错误!未定义书签。5.2 三总线概述错误!未定义书签。