研究生课程《机器人系统》¶

成都信息工程大学软件工程学院

课程简介¶

研究生课程《机器人系统》旨在培养学生在机器人软硬件协同设计、实时系统、系统级架构与安全性方面的研究能力与工程实践能力。课程强调从体系结构、外设接口、操作系统、驱动与中断处理，到功耗优化、可靠性分析与安全设计的系统性训练。教学以理论讲授、论文阅读、实验与项目为主线，覆盖RTOS移植与内核机制、嵌入式Linux 驱动与设备树、硬件加速与体系结构仿真、形式化验证与测试方法、以及现代 IoT/边缘计算系统的协同设计与部署。

课程目标： - 理解嵌入式体系结构与常用微控制器（ARM Cortex-M/A系列）及其编程模型； - 掌握实时操作系统原理与实战（任务调度、同步、内存管理、ISR）； - 能在嵌入式 Linux 环境中开发驱动、配置设备树并进行系统级调优； - 熟练使用仿真（QEMU、Renode）、调试（JTAG/SWD、逻辑分析）与测试工具（单元测试、集成测试、功耗测量）； - 能设计和实现具备安全性（固件签名、可信启动）、鲁棒性和低功耗的嵌入式系统原型； - 培养论文阅读、研究设计与工程化实现能力，为后续科研或产业化做好准备。

教学方法：课堂讲授 + 论文研讨 + 上机实验 + 期末研究性项目。评估方式含平时作业、实验报告、论文阅读报告、期中考试与期末项目答辩。

课程章节概览（详述）¶

章号	章节标题	内容简介
第1章	嵌入式系统导论与体系结构	嵌入式系统定义与分类、性能与功耗约束、ARM Cortex 家族架构回顾（寄存器模型、异常与中断向量、内存模型）、常见片上外设（GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DMA）。结合硬件手册理解寄存器级编程与外设时序。
第2章	嵌入式C与低级编程实践	C 语言在嵌入式中的细节（volatile、内联汇编、内存对齐、链接脚本、启动代码）、中断处理与上下文切换实现、裸机调试技巧与工具链（arm-none-eabi、OpenOCD、GDB）。上机实验：从最小系统到外设驱动实现。
第3章	中断与低延迟驱动设计	中断优先级、中断嵌套与尾延迟（tail-chaining）、外设驱动模型设计、零拷贝与DMA的高效使用、实时中断响应分析与测量方法。讲解可重入性、并发与同步问题。
第4章	实时操作系统原理与 FreeRTOS 实战	RTOS 基本概念、任务调度算法（优先级抢占、循环调度、EDF）、时钟与定时器管理、任务间通信（消息队列、信号量、事件组）、内存分配策略与内核移植。课程实验：从移植 FreeRTOS 到分析任务调度与优先级反转问题。
第5章	嵌入式 Linux 与驱动开发	嵌入式 Linux 系统结构、交叉编译与根文件系统构建、内核模块与字符/块设备驱动、设备树（Device Tree）与平台数据、用户空间与内核空间交互（ioctl、sysfs、uio）。实验：实现简单设备驱动并进行性能调优。
第6章	系统级仿真与验证	使用 QEMU、Renode 进行平台建模与仿真，构建可重复的回归测试环境，形式化测试思路（模型检查、断言、覆盖率分析）。引入 gem5/架构仿真（选读）用于性能探索。
第7章	能耗优化与低功耗设计	低功耗模式、时钟管理与电源域划分、动态电压频率调节（DVFS）、外设节能策略与唤醒路径设计。实测功耗的方法与工具，案例分析与实验。
第8章	硬件与外设接口设计	串行通信协议（UART/SPI/I2C/CAN）、ADC/DAC、传感器接口、PCB基本约束（电源完整性、时序），接口调试技巧（逻辑分析、示波器）。课程实验包含传感器采集、滤波与数据融合基础。
第9章	并行加速与异构计算	简介硬件加速器（DMA、DSP、FPGA、GPU/NPU）、外设协同与零拷贝数据通路设计、异构系统编程模型与性能分析方法。选配实验：利用 GPU/NPU 加速简单推理任务。
第10章	系统安全性与可信执行环境	固件完整性与签名、可信启动（Secure Boot）、硬件根信任（TPM/TEE）、常见攻击向量与防护策略、加密存储与安全固件升级（OTA）。课程将安排安全设计与评估的讨论。
第11章	软件工程、测试与质量保证	嵌入式项目管理、代码质量（MISRA/CERT 指南）、单元与集成测试策略、持续集成与回归测试在嵌入式中的实践、故障诊断与日志机制设计。
第12章	综合项目与研究实践	期末研究性项目：学生以小组为单位完成一个具有研究或创新性的系统原型（如低功耗边缘节点、实时控制平台、带安全特性的 OTA 系统或嵌入式视觉/感知模块），并提交项目报告与答辩。

（章节顺序与内容可根据教学需要进行调整，课程材料与实验手册将在学期初通过教学平台发布。）