计算机系统

默认只展示每周独有的知识重点；节奏、考核、Tutorial 和避坑信息按需展开。

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   Introduction to Embedded Systems & ARM Cortex-M4

   ### 📖 核心知识点：嵌入式系统概述与ARM Cortex-M4架构 课程导入，介绍嵌入式系统的定义、应用领域和开发流程。学习 ARM Cortex-M4 处理器架构特点（32-bit RISC, Harvard Architecture, Thumb-2 指令集）。熟悉开发平台 STM32 Nucleo-F429ZI 的硬件资源和开发工具链（STM32CubeIDE / GCC ARM）。 - **核心概念/公式**: ARM Cortex-M4 架构特点、GPIO 基本原理、Cross-compilation 概念、Makefile 构建系统 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐ | 预计投入 8h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 3h） 🎯 **考试关联**: Final Exam 会考 ARM 架构基础概念题。理解 Cortex-M4 与 AVR 的架构差异是基础。 🧪 **Tutorial/Lab**: 搭建开发环境，编译运行第一个 "Hello World" LED Blink 程序。学习使用 GDB 调试。 📌 **作业关联**: 所有 Prac/Project 都基于这个开发平台，本周必须完成环境搭建。 ⚠️ **易错点**: Makefile 路径配置错误导致编译失败；忘记安装 USB 驱动导致无法烧录；STM32 的 GPIO 时钟需要先使能才能使用（与 AVR 不同）。

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   GPIO Interfacing & HAL Library

   ### 📖 核心知识点：GPIO接口与HAL库使用 深入学习 STM32 的 GPIO 子系统：Mode (Input, Output, Alternate Function, Analog)、Output Type (Push-Pull, Open-Drain)、Pull-Up/Pull-Down 配置。掌握 STM32 HAL Library 的 GPIO 操作函数。学习如何驱动 LED、读取按键、使用外部中断 (EXTI)。 - **核心概念/公式**: HAL_GPIO_WritePin(), HAL_GPIO_ReadPin(), GPIO_InitTypeDef 结构体配置、EXTI 中断线映射 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: GPIO 配置是嵌入式编程的基础，考试中常作为其他题目的前提条件出现。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现多个 LED 的花样闪烁控制，配置按键中断实现按键切换 LED 模式。 📌 **作业关联**: Prac 1 的基础，需要熟练 GPIO 操作。 ⚠️ **易错点**: 忘记使能 GPIO 外设时钟 (__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE)；中断回调函数名拼写错误导致不触发；按键消抖未处理导致一次按下触发多次。

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   Timer Peripherals & PWM Generation

   ### 📖 核心知识点：定时器外设与PWM信号生成 学习 STM32 的 Timer 外设系统（TIM1-TIM14），掌握定时器的基本计数模式和中断配置。深入学习 PWM (Pulse Width Modulation) 信号的生成原理，配置 Timer 的 Output Compare 模式。用 PWM 控制 LED 亮度和电机转速。 - **核心概念/公式**: PWM 占空比 = Pulse/Period × 100%、Timer Prescaler 和 Auto-Reload 值计算、f_pwm = f_timer_clk / (PSC+1) / (ARR+1) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: Timer 和 PWM 的计算题是常考内容。需要能根据需求计算 PSC 和 ARR 值。 🧪 **Tutorial/Lab**: 配置 Timer 产生不同频率的 PWM 信号，实现 LED 呼吸灯效果。 📌 **作业关联**: PWM 控制是多个 Prac 的基础技能。 ⚠️ **易错点**: PSC 和 ARR 都是从 0 开始计数所以实际分频比要 +1；忘记配置 Timer 的 Channel 输出引脚为 Alternate Function 模式；PWM 频率太低导致可见闪烁。

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   ADC/DAC & Analog Signal Processing

   ### 📖 核心知识点：ADC/DAC与模拟信号处理 学习模数转换 (ADC) 和数模转换 (DAC) 的原理。掌握 STM32 ADC 的配置：分辨率（12-bit）、采样时间、转换模式（Single, Continuous, Scan）。学习如何读取模拟传感器（温度、光照、电位器）数据并转换为有意义的物理量。 - **核心概念/公式**: ADC 分辨率 = V_ref / 2^n、采样定理 f_s ≥ 2×f_max、量化误差 = V_ref / (2×2^n)、DAC 输出电压 = Digital_Value × V_ref / 2^n ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: ADC 计算题（给定参考电压和位数计算分辨率/输出值）是常见考点。 🧪 **Tutorial/Lab**: 读取板载温度传感器和外接电位器的 ADC 值，通过 UART 打印到终端。 📌 **作业关联**: 传感器数据采集是后续项目的核心功能之一。 ⚠️ **易错点**: ADC 通道和 GPIO Pin 的映射关系搞错；采样时间太短导致读数不稳定；忘记处理 ADC 值的单位转换（原始值→电压→物理量）。

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   UART & Serial Communication

   ### 📖 核心知识点：UART串行通信 学习 UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) 在 STM32 上的实现。掌握波特率配置、数据帧格式、DMA 传输模式。学习如何实现命令行界面 (CLI) 通过串口与嵌入式系统交互。 - **核心概念/公式**: Baud Rate 配置、USART_BRR 寄存器计算、DMA (Direct Memory Access) 的环形缓冲区实现、printf 重定向到 UART ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: UART 通信协议的理解和配置方法是考试内容之一。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现 UART 双向通信，通过 PC 终端发送命令控制 LED 和读取传感器数据。 📌 **作业关联**: CLI 接口是大多数 Prac 的调试和交互方式。 ⚠️ **易错点**: 波特率不匹配导致乱码；TX/RX 线交叉连接搞反；DMA 缓冲区溢出未处理；中断优先级设置不当导致 UART 丢数据。

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   SPI & I2C Communication Protocols

   ### 📖 核心知识点：SPI与I2C通信协议 学习两种常用同步串行协议：SPI (Serial Peripheral Interface) 和 I2C (Inter-Integrated Circuit)。掌握 SPI 的四种时钟模式 (CPOL/CPHA)，I2C 的地址机制和 ACK/NACK 应答。学习如何驱动外部传感器模块（如加速度计、OLED 显示屏）。 - **核心概念/公式**: SPI 四线 (MOSI, MISO, SCK, CS)、I2C 两线 (SDA, SCL) + 7-bit 地址、SPI Clock Polarity/Phase、I2C Start/Stop Condition ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 5h）🔥 高压周 🎯 **考试关联**: SPI vs I2C 的对比分析是常见考题。需要理解两种协议的优缺点和适用场景。 🧪 **Tutorial/Lab**: 通过 SPI 驱动外部设备，通过 I2C 读取传感器数据。 📌 **作业关联**: 外设通信是项目的关键技能。 ⚠️ **易错点**: SPI 的 CS 片选信号忘记手动控制；I2C 地址 7-bit 和 8-bit 表示法混淆（左移一位）；忘记 I2C 需要外部上拉电阻。

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   FreeRTOS Basics: Tasks & Scheduling

   ### 📖 核心知识点：FreeRTOS基础 - 任务与调度 从裸机编程进入 RTOS (Real-Time Operating System) 世界。学习 FreeRTOS 的核心概念：Task (任务创建、删除、优先级)、Scheduler (Priority-based Preemptive Scheduling)、Task States (Running, Ready, Blocked, Suspended)。掌握 xTaskCreate() 和 vTaskDelay() 的使用。 - **核心概念/公式**: Task Control Block (TCB)、Priority Inversion 问题、vTaskDelay() vs vTaskDelayUntil() 的区别、configTICK_RATE_HZ 配置 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 11h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 6h）🔥 高压周：RTOS 是全新概念 🎯 **考试关联**: RTOS 调度和任务管理是考试重点。需要能分析给定优先级下的任务执行顺序。 🧪 **Tutorial/Lab**: 创建多个 FreeRTOS 任务，实现 LED 控制和传感器读取的并发执行。观察优先级对执行顺序的影响。 📌 **作业关联**: 后续所有 Prac/Project 都基于 FreeRTOS 架构。 ⚠️ **易错点**: 任务栈大小分配不足导致栈溢出；vTaskDelay 的参数是 Tick 数而非毫秒（需要 pdMS_TO_TICKS 转换）；高优先级任务不 yield 会饿死低优先级任务。

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   FreeRTOS Synchronization: Semaphores & Queues

   ### 📖 核心知识点：FreeRTOS同步 - 信号量与队列 学习任务间同步和通信机制。掌握 Binary Semaphore（事件通知）、Counting Semaphore（资源计数）、Mutex（互斥访问）的使用场景和 API。学习 Queue（消息队列）实现任务间数据传递，理解 Producer-Consumer 模式。 - **核心概念/公式**: xSemaphoreGive/Take、xQueueSend/Receive、Mutex 的 Priority Inheritance 机制、Queue 的 FIFO 特性 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 12h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 7h）🔥 高压周 🎯 **考试关联**: Semaphore/Mutex/Queue 的选择和使用是高频考点。需要能判断给定场景该用哪种同步机制。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现传感器数据通过 Queue 传递给显示任务，使用 Mutex 保护共享资源（如 UART 输出）。 📌 **作业关联**: 项目中必须使用 RTOS 同步机制组织多任务协作。 ⚠️ **易错点**: Mutex 和 Binary Semaphore 混用（Mutex 有 Priority Inheritance, Semaphore 没有）；Queue 满时发送阻塞导致死锁；在 ISR 中使用非 FromISR 版本的 API 导致系统崩溃。

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   Digital Communication & Data Encoding

   ### 📖 核心知识点：数字通信与数据编码 学习数字通信的基础理论：调制解调 (Modulation/Demodulation)、编码方案 (Manchester, NRZ, 4B/5B)、错误检测与纠正 (Parity, CRC, Hamming Code)。理解通信信道的带宽、信噪比和数据速率之间的关系。 - **核心概念/公式**: Shannon's Theorem C = B × log2(1+SNR)、CRC 多项式除法、Hamming Distance 与纠错能力的关系 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: CRC 计算和编码方案对比是常见考题。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现 CRC 校验的嵌入式代码，在 UART 通信中加入错误检测功能。 📌 **作业关联**: 通信协议的可靠性设计影响项目评分。 ⚠️ **易错点**: CRC 的生成多项式位数和初始值配置错误；Manchester 编码的时钟恢复逻辑不正确；混淆 Error Detection 和 Error Correction 的能力范围。

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    FreeRTOS Advanced: CLI & Networking

    ### 📖 核心知识点：FreeRTOS高级 - 命令行与网络 学习 FreeRTOS+CLI 的实现方法，构建嵌入式命令行交互界面。了解 lwIP (Lightweight IP) 协议栈在 FreeRTOS 上的集成，学习 TCP/IP Socket 编程。实现嵌入式设备的网络通信能力。 - **核心概念/公式**: FreeRTOS+CLI 命令注册机制、TCP 三次握手在嵌入式环境的实现、Socket API (bind, listen, accept, connect) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 11h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: FreeRTOS 高级功能和网络编程可能在 Final Exam 中出现概念题。 🧪 **Tutorial/Lab**: 在 STM32 上运行 FreeRTOS+CLI，实现通过网络远程控制嵌入式设备。 📌 **作业关联**: 网络功能是高级项目的加分项。 ⚠️ **易错点**: lwIP 的内存配置不当导致网络栈崩溃；CLI 命令解析的缓冲区溢出；网络任务优先级太低导致超时。

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    Sensor Integration & System Design

    ### 📖 核心知识点：传感器集成与系统设计 学习多传感器系统的集成设计方法。掌握传感器数据融合 (Sensor Fusion) 的基本概念，学习卡尔曼滤波 (Kalman Filter) 的简化应用。学习嵌入式系统的功耗管理 (Low-Power Mode) 和看门狗定时器 (Watchdog Timer)。 - **核心概念/公式**: 移动平均滤波、低通滤波器的截止频率设计、Watchdog Timer 的喂狗周期计算、Sleep Mode 的唤醒源配置 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 5h） 🎯 **考试关联**: 系统设计方法论和功耗管理策略可能出现在综合分析题中。 🧪 **Tutorial/Lab**: 集成多个传感器模块，实现数据滤波和异常检测功能。 📌 **作业关联**: Project 的系统集成阶段，需要综合运用本学期所学技能。 ⚠️ **易错点**: 多传感器同时使用时 I2C/SPI 总线冲突；Watchdog 超时时间设置不当导致系统意外重启；低功耗模式下某些外设被关闭但代码仍在访问。

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    Project Integration & CNC Machine Control

    ### 📖 核心知识点：项目集成与CNC机器控制 课程最终项目集成阶段。学习如何将所有模块（GPIO、Timer、通信、RTOS、传感器）整合成一个完整的嵌入式系统。课程以 X-Carve CNC 机器为最终应用场景，学习 G-Code 解析和步进电机控制。 - **核心概念/公式**: G-Code 基本指令 (G0/G1 直线运动, M3/M5 主轴控制)、步进电机 (Stepper Motor) 的脉冲控制、系统架构的模块化设计 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 12h（Lecture 2h + Practical 3h + 自学 7h）📝 项目冲刺周 🎯 **考试关联**: Final Exam 会考查整体系统设计能力和本学期各模块知识的综合运用。 🧪 **Tutorial/Lab**: 完成最终项目 Demo，向 Tutor 展示系统功能并回答技术问题。 📌 **作业关联**: 最终 Project 截止提交和 Demo。需要提交完整的源代码、文档和演示视频。 ⚠️ **易错点**: 项目集成时各模块的初始化顺序很重要；Demo 前不充分测试导致现场故障；文档缺少架构图和模块接口说明会被扣分。

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