【文章內(nèi)容簡介】 .........................................................................1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史...............................................................................................2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)...............................................................................................2 嵌入式處理器...............................................................................................................3 嵌入式操作系統(tǒng)...........................................................................................................4 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)...................................................................................7 ARM體系結(jié)構(gòu).........................................................................................................................8 ARM設(shè)計(jì)思想.............................................................................................................8 ARM體系結(jié)構(gòu)分析.....................................................................................................9 ARM處理器系列.......................................................................................................11 ARM處理器模式.......................................................................................................15 ARM體系的異常處理...............................................................................................16 ARM內(nèi)部寄存器.......................................................................................................18 ARM體系的存儲(chǔ)系統(tǒng)...............................................................................................19 ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)...........................................................................................21 ARM尋址方式...........................................................................................................21 ARM指令集...............................................................................................................24 Thumb指令集............................................................................................................33 ............................................................................................................................................35 ............................................................................................................................................35 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程.....................................................................................36 STM32微控制器...................................................................................................................37 STM32微控制器的性能指標(biāo)....................................................................................37 2 3 4I 嵌入式系統(tǒng)概述教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的基本概念和體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)有一定的了解。教學(xué)重點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。教學(xué)難點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)間：2課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容 嵌入式系統(tǒng)的基本概念(1)嵌入式系統(tǒng)的定義先舉例說明生活中的各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，如iPhone、小米手機(jī)、洗衣機(jī)、電壓力鍋等。IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。微機(jī)學(xué)會(huì)的定義：嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)和片級(jí)。a)系統(tǒng)級(jí)：各種類型的工控機(jī)、PC104等模塊。b)板級(jí)：各種類型的帶CPU的主板或OEM產(chǎn)品。c)片級(jí)：各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。一般定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(2)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) a)專用、軟硬件可剪裁配置。b)低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性。c)軟件代碼矮小精悍。d)代碼可固化。e)實(shí)時(shí)性。f)弱交互性。g)軟件開發(fā)通常需要專門的開發(fā)工具、環(huán)境和方法。h)要求開發(fā)、設(shè)計(jì)人員具有較高的技能。i)具有較長的生命周期。(3)嵌入式系統(tǒng)的分類按嵌入式微處理器的位數(shù)可分為：4位、8位、16位、32位和64位。按實(shí)時(shí)性能可分為：非實(shí)時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。按軟件結(jié)構(gòu)可分為：嵌入式單線程系統(tǒng)和嵌入式事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：信息家電類、消費(fèi)電子類、醫(yī)療電子類、移動(dòng)終端類、通信類、汽車電子類、工業(yè)控制類、航空電子類、軍事電子類等。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史(1)以單芯片為核心的可編程控制器形成的系統(tǒng)1971年11月，Intel推出Intel 4004。隨后出現(xiàn)Intel 8080/808808Motorola的6800、68000，Zilog的Z80、Z8000。以微處理器為核心構(gòu)成的系統(tǒng)單板機(jī)：Intel的iSBC系列、Zilog的MCB等將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，大部分應(yīng)用于專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，沒有操作系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小。(2)以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)CPU種類繁多，通用性較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)化，用戶界面不夠友好。(3)以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)可運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小，效率高；具備文件和目錄管理，支持多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具備圖形窗口和用戶界面；有大量的應(yīng)用程序接口API。(4)以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合。 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(1)體系結(jié)構(gòu)(2)硬件層l 嵌入式處理器：ARM、DSP、FPGA l 存儲(chǔ)器系統(tǒng)：ROM、FLASH、SDRAM l 中斷控制器、DMAC、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、UART、USB控制器、LCD控制器等 l I/O接口：USB、I2C、SPI、CAN等(3)中間層l 硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer, HAL)。位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，隱藏硬件接口細(xì)節(jié)。l 板級(jí)支持包（Board Support Package, BSP）。為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。l 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 嵌入式處理器(1)嵌入式處理器的分類中高端的嵌入式微處理器（Embedded MicroProcessor Unit, EMPU）低端的微控制器（Microcontroller Unit, MCU）DSP處理器（Digital Signal Processor, DSP）高度集成的片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）(2)嵌入式微處理器由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性、功耗等方面做了各種增強(qiáng)。主要的嵌入式處理器類型：ARM、MIPS、PowerPC、68000系列等。特點(diǎn)a)在設(shè)計(jì)中考慮低功耗。b)采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。處理器內(nèi)部留有很多擴(kuò)展接口。c)具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。d)提供豐富的調(diào)試功能。e)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。(3)微控制器俗稱單片機(jī)，將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。WatchWatchdogdogGPIO/計(jì)數(shù)GPIOUARTUART定時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)A/DA/DD/A器D/A器2CCANCANII2CSPISPIUSBUSBCPUCPUSRAMSRAM核心部分FlashFlash8位單片機(jī)示意圖以一種微處理器為核心，芯片內(nèi)部集成Flash、RAM、總線邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O口、串行口、PWM、A/D、D/A等。最早的單片機(jī)： 1976年，Intel的8048，Motorola的68HC0Zilog公司的Z80.(4)DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合DSP算法 高效乘累加運(yùn)算、超標(biāo)量操作、指令流水線 高效數(shù)據(jù)存取、硬件重復(fù)循環(huán) 確定性操作（程序執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)）應(yīng)用場(chǎng)合：音視頻編解碼、數(shù)字濾波、FFT等(5)片上系統(tǒng)將整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上 優(yōu)點(diǎn)a)通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗 b)減少芯片對(duì)外的引腳數(shù)，簡化制造過程c)減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度 d)內(nèi)嵌線路可避免信號(hào)傳遞時(shí)所造成的系統(tǒng)雜訊 聯(lián)發(fā)科推出28nm雙核處理器MT6572 a)代號(hào)武松，基于CortexA7架構(gòu) b) c)處理器上整合了WiFi、FM收音機(jī)、GPS以及藍(lán)牙四種功能 d)支持500萬像素?cái)z像頭(6)嵌入式處理器的發(fā)展趨勢(shì) a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)SoC設(shè)計(jì)，與DSP、Flash、FPGA融合；性能更強(qiáng)，集成更多的功能部件；雙核或多核結(jié)構(gòu) b)功耗更低 c)可靠性更高 d)支持ISP、ISD 嵌入式操作系統(tǒng)(1)操作系統(tǒng)的概念及功能操作系統(tǒng)。是一組計(jì)算機(jī)程序的集合，用來有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。功能：處理器管理；存儲(chǔ)器管理；設(shè)備管理；文件管理；用戶接口(2)操作系統(tǒng)的分類 按程序調(diào)度的方法分為l 順序操作系統(tǒng)。只含一個(gè)運(yùn)行程序，獨(dú)占CPU時(shí)間，順序執(zhí)行。如DOS系統(tǒng)。l 分時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)有多道程序運(yùn)行。如Unix系統(tǒng)。l 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。從應(yīng)用角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為 l 面向低端信息家電l 面向高端信息家電 l 面向個(gè)人通信終端 l 面向通信設(shè)備 l 面向汽車電子 l 面向工業(yè)控制從實(shí)時(shí)性的角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為 l 具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng) l 具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng) l 沒有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)(3)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是具有實(shí)時(shí)性且能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源來完成控制任務(wù)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不停監(jiān)測(cè)，一旦有事件發(fā)生能立即處理。與通用OS的區(qū)別：實(shí)時(shí)性，代碼尺寸小。一般包括以下幾個(gè)重要組成部分：l 實(shí)時(shí)內(nèi)核：任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理、任務(wù)間通信與同步等。l 網(wǎng)絡(luò)組件 l 文件系統(tǒng) l 圖形用戶界面IEEE的Unix委員會(huì)規(guī)定了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)： l 支持異步事件的響應(yīng)。l 中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先機(jī)制。l 支持指令性計(jì)劃占式調(diào)度。l 支持同步。(4)常見的嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式Linux l 實(shí)時(shí)的嵌入式Linux：如RTLi