嵌入式系統(tǒng)是電子信息產業(yè)的基礎，廣泛應用于工業(yè)控制等領域。本課程選用ST公司的STM32F4微控制器為載體，采用STM32CubeMX開發(fā)工具及HAL驅動庫，以嵌入式硬件設計和軟件設計為主線，按照“最小系統(tǒng)電路設計 → 開發(fā)工具使用 → 片內外設應用” 的路徑，分層次、遞進式的講授嵌入式系統(tǒng)的設計方法。—— 課程團隊

2.課程概述

嵌入式系統(tǒng)是電子信息產業(yè)的基礎，是智能系統(tǒng)的核心，廣泛應用于工業(yè)控制、汽車電子、智能家居、醫(yī)療器械和智能穿戴設備等眾多領域。伴隨物聯(lián)網和人工智能的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在智能系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越大的作用。

《嵌入式系統(tǒng)設計》是電子信息類專業(yè)的學科基礎課程。本課程選用意法半導體公司的STM32F4微控制器為載體，以嵌入式硬件設計和軟件設計為主線，結合工程實踐，按照“最小系統(tǒng)電路設計 → 開發(fā)工具使用 → 片內外設應用 ”的路徑，分層次、遞進式的講授嵌入式系統(tǒng)的設計方法。

本課程使用了意法半導體公司STM32CubeMX開發(fā)工具以及HAL驅動庫完成微控制器的設計。STM32CubeMX軟件提供簡潔的圖形化界面，設計者無需編寫任何代碼，就可以完成引腳分配、時鐘設置和外設設置等初始化工作，并生成基于MDK-ARM等集成開發(fā)環(huán)境的工程框架，使設計者可以更專注于應用層代碼的編寫。采用庫函數(shù)的編程方式可以不必了解硬件寄存器的含義，利用庫函數(shù)提供的接口函數(shù)快速實現(xiàn)功能。基于圖形化的配置方式和庫函數(shù)的編程方式使得初學者可以快速入門嵌入式系統(tǒng)的設計和開發(fā)，降低了學習的門檻。

本課程與工程實踐緊密結合，課程中融入了電路設計軟件的使用、硬件抽象層設計、狀態(tài)機設計和通信協(xié)議設計等實用的工程技能，注重培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

本課程的硬件平臺選用意法半導體公司的官方開發(fā)板Nucleo-F411RE。該開發(fā)板采用USB接口供電，集成ST-Link仿真器，板載基本的指示燈和按鍵，并設計了Arduino UNO的接口，方便用戶接入Arduino生態(tài)圈的擴展板。NucleoF411RE開發(fā)板價格便宜，不足百元，可以很方便地在淘寶等購物平臺購買。

各教學單元的內容及學時分配如下：

1、嵌入式系統(tǒng)概要：4學時

2、STM32F4微控制器電路設計：4學時

3、STM32微控制器開發(fā)環(huán)境的搭建：2學時

4、STM32CubeMX軟件的使用：2學時

5、MDK-ARM開發(fā)軟件的使用：4學時

6、通用輸入/輸出接口：8學時

7、外部中斷：4學時

8、定時器：8學時

9、串口通信：8學時

3.授課目標

通過課程的學習，要求學生掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎知識；熟練掌握Cortex-M4內核微控制器的內部結構及片內外設的應用。掌握嵌入式系統(tǒng)的設計及軟硬件調試方法。能夠設計、調試簡單的嵌入式系統(tǒng)，使學生初步具備實際工作的能力。

4.課程大綱

01.嵌入式系統(tǒng)概要

掌握嵌入式系統(tǒng)的概念和組成；了解嵌入式系統(tǒng)的編程模式及程序開發(fā)方式；了解硬件抽象層設計思想。

02.STM32微控制器硬件電路設計

了解STM32微控制器的特點；掌握Nucleo開發(fā)板的設計原理；熟練應用電路設計軟件完成微控制器最小系統(tǒng)設計。

03.STM32微控制器開發(fā)環(huán)境的搭建

了解STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)的組成；了解STM32CubeMX軟件的開發(fā)特點及開發(fā)流程；完成STM32開發(fā)環(huán)境的搭建。

04.STM32CubeMX軟件的使用

了解HAL庫的基本特點；熟練掌握STM32CubeMX的使用流程；熟練掌握MDK軟件的程序編寫和程序下載方法。

05.MDK-ARM開發(fā)軟件的使用

熟練掌握MDK-ARM的使用流程；熟練掌握軟件的調試方式；了解MDK-ARM軟件的RTE工具。

06.通用輸入輸出接口

了解GPIO的功能和特點；掌握基于寄存器和基于庫函數(shù)的程序開發(fā)方式；了解庫函數(shù)的設計思想；掌握硬件抽象層的設計思想和實現(xiàn)方法。

07.外部中斷

掌握中斷的基本概念和作用；了解HAL庫的中斷處理流程；熟練運用外部中斷進行程序設計。

08.定時器

了解定時器的功能和特點；了解HAL庫的外設模塊設計方法；熟練掌握定時器的定時功能使用方法；熟練掌握定時器的PWM功能使用方法。

09.串口通信

了解通信的基本概念；了解HAL庫的外設初始化設計思想；熟練掌握輪詢方式下的串口通信編程方法；熟練掌握中斷方式下的串口通信編程方法。

5.預備知識

本課程的學習需要C語言程序設計和電子線路設計等預備課程的知識。

6.參考資料

［1］ （英）Joseph Yiu著。宋巖譯。 ARM Cortex-M3權威指南。 北京： 北京航空航天大學出版社，2009.［2］ 劉火良。 STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南（第二版）［M］。 北京： 電子工業(yè)出版社， 2018.［3］ 高顯生。 STM32F0實戰(zhàn)—基于HAL庫開發(fā)［M］。 北京： 機械工業(yè)出版社， 2019.

7.常見問題

［1］硬件平臺：Nucleo-F411RE開發(fā)板，可在意法半導體的官方淘寶店購買［2］STM32CubeMX軟件下載地址：http://www.st.com/stm32cubemx［3］MDK-ARM軟件下載地址：http://www.keil.com/download/product/