第1章 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)

EmbeddedSystemDevelopment聊嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用

本門課程分?jǐn)?shù)比例分配如下出勤、課堂討論、作業(yè)等平時成績：約30％期末考查（或考試）成績：約70％有特色貢獻者可以在以上總分的基礎(chǔ)上再加分。32+10學(xué)時第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點1.1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展1.1.5嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的定義很多，顧名思義：嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。三個基本要素：嵌入性、專用性、計算機系統(tǒng)。對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。如智能家用電器、智能儀器、機器人、手機、PDA等。IEEE的定義：用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置（devicesusedtocontrol、monitor、orassisttheoperationofequipment、machineryorplants）。國內(nèi)普遍認(rèn)同的定義：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點1.1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展1.1.5嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域消費電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工業(yè)軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)7嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－手機、PDA韓國電信手機/電視遙控器二合一產(chǎn)品Nokia手機戶外音響內(nèi)置DVB-H移動電視手機普通手機智能手機GPS導(dǎo)航8智能家居智能家電Roto-Rooter公司馬桶組合筆記本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb鬧鐘不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶i.Master智能割草機營養(yǎng)智能果汁機嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－智能家居9嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－PMPiLuv可即時將視頻錄制到iPod/閃存卡上，與以前技術(shù)相反Sony家用影音綜合設(shè)備XtremeMac開發(fā)的iPod音箱IPEVO支持Skype電話Nike的

iPod帽IpodnanoArchos帶Wifi的704PortableMediaPlayer10錄音筆FLY數(shù)字筆能“看懂”在專用紙上所寫的內(nèi)容能“閱讀”寫作和糾正語法錯誤完成簡單的算術(shù)運算將英文互相翻譯成西班牙文等Genius數(shù)字便箋存儲100頁便箋2000LPI分辨率32MB板載內(nèi)存可通過USB連接電腦筆跡識別軟件PolymerVision手機書嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－辦公用品11嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－手表MartinFrey手表日程表和手機聯(lián)動獲取網(wǎng)絡(luò)連接和GPS定位信息手表手機：M3001英寸的顯示屏USB接口可播放音樂支持藍(lán)牙Nike的Speed+手表結(jié)合iPod和運動計測韓國防性罪犯的電子手鐲可追蹤罪犯的定位和坐標(biāo)愛國者視頻MP4手表12嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－運動玩具游戲GTX公司定位的運動跑鞋內(nèi)置的GPS接收器和可充電電池遙控蜻蜓次世代三大主流三款主機Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,槍13嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－攝像器材數(shù)碼相機DV14嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－多媒體終端IP電話視頻會議可視電話基于視頻電話的小型視頻會議系統(tǒng)(MCU)語音識別電話基于H.323協(xié)議族的網(wǎng)絡(luò)視頻電話15嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－電視高清電視數(shù)字電視立體顯示技術(shù)LG內(nèi)置數(shù)字錄像機的LCDTVAppleTV:IntelPentiumM1.0GHz2MBofL2高速緩存nVidiaG72M顯示卡

64MBDDR2內(nèi)存內(nèi)置的40GB硬盤播放iTunes能輸出1080p高畫質(zhì)影像的iPodDock數(shù)字電視機頂盒16嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－通訊設(shè)備有計算機能力的各種通訊設(shè)備路由器/交換機/防火墻等Buffalo路由器/USB網(wǎng)卡套裝VPN產(chǎn)品千兆網(wǎng)關(guān)防火墻

17嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－儀器儀表DCG(動態(tài)心電圖儀)便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀中醫(yī)指套傳感器脈象虛擬儀器推拿手法測試儀電動機故障狀態(tài)監(jiān)測保護系統(tǒng)監(jiān)控儀手持儀馬達(dá)控制器車燈嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用—機器人20嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－軍事武器控制系統(tǒng)數(shù)字化單兵系統(tǒng)有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震動和沖擊溫度和濕度21世紀(jì)部隊旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)夜視掃描、全球定位、指揮通信嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用--航天玉兔月球車神十與天宮一號對接第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點1.1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展1.1.5嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點是“專用”的計算機系統(tǒng)，面向特定的任務(wù)；運行環(huán)境差異很大；比通用PC系統(tǒng)資源少得多；低功耗、體積小、集成度高、成本低等；需建立系統(tǒng)測試和可靠性評估體系，保證高效、可靠、穩(wěn)定工作；生命周期長，升級換代是和具體產(chǎn)品同步進行的。代碼通常是固化在非易失性存儲器中，如FLASH；一般用實時操作系統(tǒng)RTOS(RealTimeOperatingSystem)；嵌入式軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化；嵌入式系統(tǒng)需要專用開發(fā)工具和方法進行設(shè)計；嵌入式微處理器通常包含專用調(diào)試電路；第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點1.1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展1.1.5嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展1946年電子數(shù)字計算機誕生。上世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)使計算機才出現(xiàn)了歷史性的變化－－微機，以其小型、價廉、高可靠性特點，也引起了控制專業(yè)人士的興趣，要求將微機嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制，形成專用的嵌入式計算機系統(tǒng)。例：將微機經(jīng)電氣加固、機械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構(gòu)成自動駕駛儀或輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。單板計算機時代：上世紀(jì)70年代末，將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。CPUROMRAM外設(shè)1外設(shè)2嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展三個階段第1階段：SCM(SingleChipMicrocomputer)單片微型計算機階段。奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路；Intel公司功不可沒，最成功的是INTEL的8031單片機，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。復(fù)位部件看門狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時器部件CPU核嵌入式系統(tǒng)發(fā)展三個階段第2階段：MCU(MicroControllerUnit)微控制器階段。擴展了各種外圍電路與接口電路，提高智能化控制能力，以Philips為代表的公司將MCS-51從單片機迅速發(fā)展到微控制器。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展三個階段第3階段：SoC(SystemonaChip)片上系統(tǒng)階段。隨著EDA推廣和VLSI設(shè)計的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)了一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)級應(yīng)用。典型代表：AMR系列芯片。超大規(guī)模集成電路VLSI，采用超深亞微米工藝，使用一個以上CPU/數(shù)字信號處理器DSP，外部對芯片編程。SoC可以有效地降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，是目前、未來工業(yè)界采用的最主要的產(chǎn)品開發(fā)方式。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點1.1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展1.1.5嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.1.5嵌入式系統(tǒng)的分類只有將嵌入式處理器構(gòu)成一個計算機系統(tǒng)，并作為嵌入式應(yīng)用時，才可稱作嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為：設(shè)備級（工控機）板級（單板、模塊）芯片級（SCM、MCU、SoC）按實時性要求分（軟件范疇）：非實時系統(tǒng)（PDA）軟實時系統(tǒng)（消費類產(chǎn)品）硬實時系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)是“專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)”，它具有一般計算機組成的共性，也是由硬件和軟件組成；硬件是由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備組成，是嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境運行的基礎(chǔ)，提供了嵌入式軟件運行的物理平臺和通信接口；軟件由嵌入式操作系統(tǒng)（可選）和嵌入式應(yīng)用軟件組成，是整個系統(tǒng)的控制核心，控制整個系統(tǒng)運行、提供人機交互的信息等。下圖是典型的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件的組成結(jié)構(gòu)示意圖。典型的嵌入式系統(tǒng)組成輸入輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點運算協(xié)處理器DMA電源管理人機交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)以太網(wǎng)看門狗及復(fù)位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內(nèi)存硬件應(yīng)用程序?qū)崟r操作系統(tǒng)（RTOS）板級初始化、設(shè)備驅(qū)動接口DDI可編程應(yīng)用接口（API）驅(qū)動層OS層應(yīng)用層軟件中間件層第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備嵌入式外圍設(shè)備，是指在一個嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，除了核心控制部件嵌入式微處理器/DSP（或以嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器、SOC）以外的各種存儲器、輸入/輸出接口、人機接口的顯示器/鍵盤、串行通信接口等。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類。1、存儲器2、通信接口3、輸入輸出設(shè)備4、設(shè)備擴展接口5、電源及輔助設(shè)備1、存儲器類型

存儲器是嵌入式系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)和程序的部件，存儲介質(zhì)有各自特性，該根據(jù)應(yīng)用需求選擇使用。常見類型：靜態(tài)易失型存儲器（RAM，SRAM）動態(tài)存儲器（DRAM）非易失性存儲器ROM（MASKROM，EPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH）硬盤、軟盤、CD－ROM等FLASH閃存，以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等優(yōu)點在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。按存儲器所處的位置分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器：內(nèi)部存儲器位于嵌入式處理器所在的同一個芯片中，這樣就不需要多余的訪問電路就可快速地訪問內(nèi)部存儲器。外部存儲器與嵌入式處理器分別處于不同的芯片中。2、通信接口目前存在的所有計算機通信接口在嵌入式領(lǐng)域中都有其廣泛的應(yīng)用，如：RS-232串行接口、RS-485串行接口；USB通用串行總線接口；

IrDA紅外線接口；

SPI串行外圍設(shè)備接口；I2C兩線式串行總線，連接微控制器及其外圍設(shè)備；CAN總線接口Bluetooth藍(lán)牙接口；

Ethernet，以太網(wǎng)接口；IEEE1394接口GPIO通用可編程接口。3、輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備：鼠標(biāo)、掃描儀、鍵盤、麥克風(fēng)、攝像頭…

輸出設(shè)備：顯示屏、繪圖儀、打印機、音箱…

觸摸屏嵌入式系統(tǒng)中重要的信息輸入輸出設(shè)備，可以方便的實現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤功能，4、設(shè)備擴展接口

一般的嵌入式系統(tǒng)都是專用的并不需要設(shè)計多少擴展接口。民用型，常用的存儲擴展有各種CF卡、SD卡、MemoryStick等。5、電源及輔助設(shè)備嵌人式系統(tǒng)力求外觀小型化、重量輕以及電源使用壽命長，例如移動電話或PDA，體積較大或者過重的機型已經(jīng)被淘汰。目前發(fā)展的目標(biāo)是體積小、易攜帶和外觀設(shè)計新穎等。在便攜式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，必須特別關(guān)注電源裝置等輔助設(shè)備。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.2.3嵌入式軟件--4個層次1、設(shè)備驅(qū)動接口（DDI）負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息交互；2、實時操作系統(tǒng)（RTOS）分成基本和擴展兩部分，前者是操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，存儲分配、時鐘管理和中斷管理，提供文件、圖形用戶界面（GUI）等基本服務(wù),后者是為用戶提供操作系統(tǒng)的擴展功能，包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等；3、可編程應(yīng)用接口（API）也稱為編程中間件、應(yīng)用中間軟件，是為編制應(yīng)用程序提供的各種編程接口庫，它針對不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同的安全要求分別構(gòu)建，從而減輕應(yīng)用開發(fā)者的負(fù)擔(dān)；4、應(yīng)用軟件由開發(fā)者根據(jù)需求編寫的軟件。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式外圍設(shè)備1.2.3嵌入式軟件1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)1.2.4

嵌入式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)OS(OperatingSystem)：是用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口，通過OS能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。嵌入式操作系統(tǒng)就是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)必須包括操作系統(tǒng)的一些最基本功能，如中斷處理與進程調(diào)度，用戶可通過API來使用操作系統(tǒng)。好處：可使應(yīng)用程序設(shè)計人員無須考慮硬件只專注于所擅長領(lǐng)域的開發(fā)，提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率、和應(yīng)用軟件的可移植性；嵌入式操作系統(tǒng)大部分是實時操作系統(tǒng)。OS體系結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用程序驅(qū)動程序、硬件抽象層、板級支持包驅(qū)動層應(yīng)用層OS層基本模塊進程調(diào)度內(nèi)存管理調(diào)度文件管理OS核

硬件（Hardware）擴展模塊圖形驅(qū)動數(shù)據(jù)庫模塊網(wǎng)絡(luò)模塊調(diào)度應(yīng)用程序接口（API）中間件層實時操作系統(tǒng)RTOS實時操作系統(tǒng)RTOS(RealTimeOperatingSystem):

相對于分時操作系統(tǒng)(Time-SharingOS)的一個概念，一個優(yōu)先等級高的任務(wù)能夠獲得立即的、無延遲的服務(wù)，不需等候任何其它任務(wù)，可以一直執(zhí)行到工作結(jié)束或有更高等級的任務(wù)出現(xiàn)為止。實時操作系統(tǒng)RTOS實時有兩種類型：軟實時系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運行得越快越好的，它可以容忍偶然的超時錯誤。硬實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求，它不允許任何超出時限的錯誤，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，就可能引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤，工業(yè)控制中應(yīng)用較多。實時操作系統(tǒng)RTOSRTOS可靠性和可信度很高的實時內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序編程接口API，并根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時間。RTOS是針對不同處理器優(yōu)化設(shè)計的高效率實時多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)秀的RTOS可以面對幾十個系列的嵌入式MPU、MCU、DSP、SoC等提供類同的API接口，因此基于RTOS上的C語言程序具有極大的可移植性。實時操作系統(tǒng)可以根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境的要求對內(nèi)核進行剪裁和重新配置，組成可根據(jù)實際的不同應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。像實時內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)組件、文件系統(tǒng)和圖形接口等是基本模塊。典型嵌入式操作系統(tǒng)商用型：VxWorks、WindowsCE、WindowsXPEmbedded、Psos、PalmOS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等;優(yōu)點：功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)；缺點：昂貴、源代碼封閉，限制了開發(fā)者的積極性免費型：Linux、μC/OS-II比如嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大、易于移植而且程序源碼全部公開等優(yōu)點正在被廣泛采用，成為新興的力量。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)1.3.2

哈佛體系結(jié)構(gòu)1.3.3

流水線技術(shù)1.3.4

RISC精簡指令集計算機1.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)1946年美籍匈牙利人馮·諾依曼提出了存儲程序原理，奠定了計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的技術(shù)基礎(chǔ)。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2將數(shù)據(jù)和指令都存儲在同一個存儲器中，統(tǒng)一編址，指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計算機工作過程：取指—譯碼—執(zhí)行。FetchDecodeExecute取指級：從存儲器中讀取指令。譯碼級：對指令進行譯碼。執(zhí)行級：寄存器讀，移位、ALU操作，寄存器寫等。PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM

Thumb第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)1.3.2

哈佛體系結(jié)構(gòu)1.3.3

流水線技術(shù)1.3.4

RISC精簡指令集計算機1.3.2哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)：為數(shù)據(jù)和程序提供了各自獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，與之相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線（程序總線和數(shù)據(jù)總線），從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)1.3.2

哈佛體系結(jié)構(gòu)1.3.3

流水線技術(shù)1.3.4

RISC精簡指令集計算機三級流水線技術(shù)任意時刻，可能有3種不同的指令占有這3級中的一級。也就是說每一級的硬件是獨立操作，不會同時做2個（及以上）同樣的事情。ARM7及以下版本采用單周期指令的三級流水線操作：fetchdecodeexcutefetchdecodeexcutefetchdecodeexcute123指令

時間TT舉例：三級流水線操作最佳流水線該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）指令周期數(shù)(CPI)=1

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchLDR流水線舉例該例中，有一條LDR指令傳送數(shù)據(jù)，用6周期執(zhí)行了4條指令指令周期數(shù)(CPI)=1.5周期

操作 1 2 3 4 5 6ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchARM9核采用Harvard架構(gòu)，五級流水線技術(shù)，可以實現(xiàn)對指令和數(shù)據(jù)存儲器的同時訪問。本例中包含LDR指令，用了6個時鐘周期執(zhí)行6條指令，指令周期數(shù)CPI=1，達(dá)到最佳水平。F–取指（Fetch）D

–解碼（Decode） E–執(zhí)行（Execute）I–互鎖（Interlock）M–存儲器（Memory）W–寫回（Writeback）周期操作ADD R1,R1,R2SUB R3,R4,R1ORR R8,R3,R4AND R6,R3,R1EOR R3,R1,R2LDR R4,[R7]123456789FDEWFDEWFEWFDEWFDWEFDEWMD各版本AMR核采用的流水線技術(shù)各版本AMR核采用的流水線技術(shù)：第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)1.3.2

哈佛體系結(jié)構(gòu)1.3.3

流水線技術(shù)1.3.4

RISC精簡指令集計算機1.3.4

RISC精簡指令集計算機CISC（ComplexInstructionSetComputer,復(fù)雜指令集計算機），結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)也會越來越復(fù)雜。CISC各種指令使用頻率相差懸殊:20％的指令會被反復(fù)使用，占整個程序代碼的80％；80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20％；1979年由美國加州大學(xué)伯克利分校提出RISC（ReducedInstructionSetComputer,精簡指令集計算機）。RISC精簡指令集計算機RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點：采用固定長度的指令格式,指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種。使用單周期指令,便于流水線操作執(zhí)行。大量使用寄存器,數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作,只有加載/存儲指令可以訪問存儲器,以提高指令的執(zhí)行效率。所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行,從而提高指令的執(zhí)行效率?？捎眉虞d/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)的傳輸效率?？稍谝粭l數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。RISC精簡指令集計算機RISC并非只是簡單地去減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。決不能認(rèn)為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu)，RISC和CISC各有優(yōu)勢，而且界限并不那么明顯?，F(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍，內(nèi)部加入了RISC的特性,如超長指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢，成為未來的CPU發(fā)展方向之一。最成功的也是第一個商業(yè)化的RISC實例就是ARM，因此RISC就是ARM的別名。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.4Cortex-M3體系簡介1.4.1ARM發(fā)展的歷程1.4.2CortexTM-M3處理器簡介1.4.3

STM32

系列微控制器1.4.4嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計與開發(fā)1.4.1ARM發(fā)展的歷程1985年4月英國AcornComputerGroup開發(fā)出RISC處理器。1990年成立ARM(AdvancedRISCMachineLimited，英美)。1993年推出第一款嵌入式RISC核心，即ARM6；1993年ARM7；1997年ARM9TDMI；2002年發(fā)布ARM11；2004發(fā)布首款基于ARMv7體系結(jié)構(gòu)的Cortex-M3處理器（而不再繼續(xù)稱ARM12），M系列主要是針對微控制器領(lǐng)域;2005發(fā)布Cortex-A8，A系列開放式操作系統(tǒng)的高性能處理器；2006年發(fā)布Cortex-R4,R系列則面向深層嵌入式實時系統(tǒng)應(yīng)用,如汽車電子；2007推出SecurCoreSC300處理器,面向智能卡領(lǐng)域；2009發(fā)布2GHz頻率的

Cortex-A9

雙核處理器，和積最小、功耗最低和能效最高的

Cortex-M0處理器（兼容M3）；ARM發(fā)展的歷程ARM發(fā)展的歷程按照ARM公司的經(jīng)營模式，ARM只提供IP核（知識產(chǎn)權(quán)），ARM公司本身并不生產(chǎn)銷售集成電路芯片。ARM是業(yè)界領(lǐng)先的微處理器技術(shù)提供商，提供最廣泛的微處理器內(nèi)核，可滿足幾乎所有應(yīng)用市場對性能、功耗及成本的要求。再加上一個富有活力的生態(tài)系統(tǒng)（擁有1000多家可提供芯片、開發(fā)工具和軟件的合作伙伴）。至2013年已售出超過300億個處理器，每天的銷量超過1600萬，是真正意義上的“TheArchitecturefortheDigitalWorld?”（面向數(shù)字世界的體系結(jié)構(gòu)）。2001年ARM進入中國。目前在中國發(fā)展迅速，每年都有超過10萬名工程師、大學(xué)生得到相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)，所有高校開設(shè)了ARM課程。ARM發(fā)展的歷程--Cortex系列按嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用分類：Cortex-A：高性能（HighPerformance），針對日益增長的運行Linux、WinCE、Symbian等操作系統(tǒng)在內(nèi)的消費者娛樂和無線產(chǎn)品設(shè)計與實現(xiàn)。Cortex-M：微控制器類（Microcontroller），針對應(yīng)用系統(tǒng)對功耗、成本敏感，同時對微處理器性能要求較高的工業(yè)領(lǐng)域（汽車、家電、醫(yī)療器械等）。Cortex-R：實時類（Real

Time），針對實時性要求較高的領(lǐng)域，可以運行RTOSCortex不再區(qū)分微處理器ARM和Thumb兩種工作狀態(tài)，指令完全采用Thumb-2體系架構(gòu)。ARM發(fā)展的歷程--Cortex系列Cortex是ARM的新一代處理器內(nèi)核，它在本質(zhì)上也是ARMv7架構(gòu)的實現(xiàn)。Cortex系列是全新開發(fā)的，老版本的程序必須經(jīng)過移植才能在Cortex上運行。ARMCortex-M3處理器還首次配備了嵌入式中斷向量控制器NVIC，采用搶占、尾鏈、遲到等中斷處理新技術(shù)，能夠以最小的時鐘開銷，實現(xiàn)了出色的中斷處理。憑借0.35微米和0.25微米先進集成電路生產(chǎn)工藝，Cortex實現(xiàn)了成本與性能的理想折衷，Cortex在未來將獲得更為廣泛的應(yīng)用。第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.4Cortex-M3體系簡介1.4.1ARM發(fā)展的歷程1.4.2CortexTM-M3處理器簡介1.4.3

STM32

系列微控制器1.4.5嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計與開發(fā)1.4.2CortexTM-M3處理器簡介該處理器是首款基于ARMv7-M架構(gòu)的處理器，采用了純Thumb2指令的執(zhí)行方式，具有極高的運算能力和中斷相應(yīng)能力。Cortex-M3采用的V7指令集，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，并且能實現(xiàn)更小芯片面積，利于將更多功能整合在更小的芯片尺寸中。

Cortex-M3采用了新型的單線調(diào)試(SingleWire)技術(shù)，專門拿出一個引腳來做調(diào)試，從而節(jié)約了大筆的調(diào)試工具費用。同時，Cortex-M3中還集成了大部分存儲器控制器，這樣工程師可以直接在MCU外連接Flash，降低了設(shè)計難度和應(yīng)用障礙。CortexTM-M3處理器簡介Cortex-M3采用哈佛結(jié)構(gòu)擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，但這兩條總線共享一個存儲器空間ARMCortex-M3處理器結(jié)合了多種突破性技術(shù)，令芯片供應(yīng)商提供超低費用的芯片，僅33000門的內(nèi)核性能可達(dá)1.2DMIPS/MHz。該處理器還集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè)，令系統(tǒng)能滿足下一代產(chǎn)品的控制需求。ARM公司希望Cortex-M3核的推出，能幫助單片機廠商實現(xiàn)由8位(16位)向32位微處理器的快速移值。Cortex-M3主要應(yīng)用于汽車車身系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。目前最便宜的基于該內(nèi)核的ARM單片機售價為1美元。擁有R0~R15的寄存器組，其中R13作為堆棧指針SP。SP有兩個，但在同一時刻只能看到一個，這就是所謂的"banked"寄存器。

第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.4Cortex-M3體系簡介1.4.1ARM發(fā)展的歷程1.4.2CortexTM-M3處理器簡介1.4.3

STM32

系列微控制器1.4.4嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計與開發(fā)1.4.3

STM32

系列微控制器Actel，Broadcom，TI，ST、Fujitsu、NXP等業(yè)界重量級公司，在標(biāo)準(zhǔn)CortexM3內(nèi)核的基礎(chǔ)上，結(jié)合各自的技術(shù)優(yōu)勢進行生產(chǎn)銷售，對Cortex內(nèi)核進行少量定制修改，集成大容量Flash（數(shù)十KB到數(shù)百K），進一步擴充GPIO、USART、Timer、I2C、SPI、CAN、USB、A/D等外部設(shè)備。幾乎可以用一塊芯片就能夠構(gòu)建一個低成本、高性能的監(jiān)測系統(tǒng)，在實際中使用更加方便，受到廣大工程師歡迎。STM32F10X各功能模塊STM32F10X應(yīng)用領(lǐng)域第一章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用1.2嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)1.3計算機體系結(jié)構(gòu)1.4Cortex-M3體系簡介1.4.1ARM發(fā)展的歷程1.4.2CortexTM-M3處理器簡介1.4.3

STM32

系列微控制器1.4.4嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計與開發(fā)1.4.5嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計與開發(fā)大致可分為四個階段：需求分析：

功能需求分析；性能需求分析；安全性分析；可靠性分析；成本分析；市場需求分析等。2.架構(gòu)及概要設(shè)計3.詳細(xì)設(shè)計開發(fā)4.測試、提高、完善STM32F學(xué)習(xí)網(wǎng)站/club/bbs/list.asp?boardid=49/619//mcu/html/bbs.html1.4

嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件是實現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的關(guān)鍵，好的應(yīng)用軟件使得同樣的硬件平臺更好、更高效的完成系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)具有更大的經(jīng)濟價值。1.4.1嵌入式軟件開發(fā)與開發(fā)特點1.4.2嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境1.4.3嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的基本流程1.4.1嵌入式軟件開發(fā)與開發(fā)特點嵌入式應(yīng)用軟件是針對特定應(yīng)用的、基于相應(yīng)的硬件平臺，為完成用戶預(yù)期任務(wù)而設(shè)計的計算機軟件。開發(fā)特點：嵌入式軟件開發(fā)需要軟硬件開發(fā)環(huán)境和工具。嵌入式軟硬件必須協(xié)同設(shè)計。需要新的任務(wù)設(shè)計方法。開發(fā)過程完成后，系統(tǒng)應(yīng)用程序代碼需要固化到系統(tǒng)中進行功能、性能和可靠性測試。技術(shù)挑戰(zhàn)：軟件的要求更高，開發(fā)工作量和難度更大1.4.2嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境

嵌入式開發(fā)環(huán)境組成1、交叉開發(fā)環(huán)境2、軟件模擬開發(fā)環(huán)境3、評估電路板評估電路板交叉開發(fā)環(huán)境IDE（也包含模擬環(huán)境）JTAG仿真器1、交叉開發(fā)環(huán)境交叉開發(fā)是指在一臺PC(稱宿主機)進行軟件的編輯編譯，然后下載到嵌入式設(shè)備(稱為目標(biāo)機)中進行運行調(diào)試。交叉開發(fā)環(huán)境由運行于宿主機上的交叉開發(fā)軟件(最少須包含編譯調(diào)試模塊)、宿主機到目標(biāo)機的調(diào)試通道組成。交叉開發(fā)軟件是一個整合編輯、編譯匯編鏈接、調(diào)試、工程管理及函數(shù)庫等功能模塊的集成開發(fā)環(huán)境IDE。交叉開發(fā)環(huán)境三種方式：☆JTAG仿真器在線調(diào)試ICD(In-CircuitDebugger)：將ARM芯片的JTAG邊界掃描口與PC的并口、串口、網(wǎng)口、USB口連接進行調(diào)試。屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調(diào)試，它無需目標(biāo)存儲器，不占用目標(biāo)機的端口。

☆在線仿真器ICE(In-CircuitEmulator)。（用的少）☆ROM調(diào)試監(jiān)控軟件，程序下載到目標(biāo)板調(diào)試，用的少。2、軟件模擬開發(fā)環(huán)境為保證項目進度，硬件和軟件開發(fā)往往同時進行，軟件的開發(fā)就需要在宿主機上一個模擬環(huán)境來進行調(diào)試。模擬硬件環(huán)境是非常復(fù)雜的，由于指令集模擬器ISS與真實的硬件環(huán)境相差很大，只能作為一種初步調(diào)試。主要是用作用戶程序的模擬運行，用來檢查語法、程序的結(jié)構(gòu)等簡單錯誤。集成開發(fā)環(huán)境IDE一般也集成了軟件模擬器。3、評估電路板評估電路板，也稱作開發(fā)板，用來作學(xué)習(xí)板、實驗板，也可作為應(yīng)用目標(biāo)板出來之前的軟件測試、硬件調(diào)試的電路板。一般來說一套具備最基本功能的交叉開發(fā)環(huán)境是ARM嵌入式開發(fā)必不可少的，至于嵌入式實時操作系統(tǒng)、評估板等其他開發(fā)工具則可以根據(jù)應(yīng)用軟件規(guī)模和開發(fā)計劃選用。1.4.3嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的基本流程工程建立

源文件

編譯

調(diào)試

固化C語源言程序*.c匯編源程序*.s鏈接腳本文件*.ld命令腳本文件*.CS存儲區(qū)映像文件*.map1.5

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程1.5.1嵌入式開發(fā)的考慮要素1.5.2軟硬件協(xié)同設(shè)計1.5.3嵌入式開發(fā)的基本流程1.5.1嵌入式開發(fā)的考慮要素嵌入式系統(tǒng)運行于特定的目標(biāo)環(huán)境，功能比較專一,考慮以下因素：

功能可靠實用、便于升級；

實時并發(fā)處理，及時響應(yīng)；

體積符合要求，結(jié)構(gòu)緊湊；

接口符合規(guī)范，易于操作；配置精簡穩(wěn)定，維護便利；功耗管理嚴(yán)格，成本低廉。1.5.2軟硬件協(xié)同設(shè)計嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是使用一組物理硬件和軟件來完成所需功能的過程。軟件設(shè)計和硬件設(shè)計是緊密結(jié)合、相互協(xié)調(diào)。系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計整個流程是從確定系統(tǒng)要求開始，包含系統(tǒng)要求的功能、性能、功耗、成本、可靠性和開發(fā)時間等。針對一個系統(tǒng)可以建立多種模型，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的仿真和先