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嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論課程內(nèi)容第01章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第02章
ARMCortex-M3處理器第03章
Thumb指令系統(tǒng)第04章
STM32微控制器第05章
STM32的GPIO第06章
CM3異常和STM32中斷第07章
STM32的USART第08章
STM32的DMA接口第09章
STM32的定時(shí)器接口第10章
STM32的模擬接口嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論主講教師:第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)本章內(nèi)容提要1.1嵌入式系統(tǒng)概述
1.什么是嵌入式系統(tǒng)
2.嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
3.嵌入式系統(tǒng)的組成1.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)
1.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式
2.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要的軟硬件
3.軟件開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品移動(dòng)終端平板電腦、智能手機(jī)信息家電智能冰箱、洗衣機(jī)、智能空調(diào)、微波爐數(shù)字電視、數(shù)碼相機(jī)與數(shù)碼攝像機(jī)、游戲機(jī)汽車電子車載、車控智能儀器儀表通訊設(shè)備其他Embedded什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為嵌入式系統(tǒng)常見的定義以應(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、以適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要的特點(diǎn)與具體應(yīng)用系統(tǒng)緊密結(jié)合,很強(qiáng)的專用性融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件高效設(shè)計(jì)、量體載衣嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)硬件的特點(diǎn)硬件電路高度集成、體積較小低成本、低功耗軟件的特點(diǎn)實(shí)時(shí)性和可靠性軟件剪裁和固化代碼高效嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)一般由4個(gè)部分組成嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)(可選)、用戶應(yīng)用程序用戶應(yīng)用程序嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式硬件平臺(tái)嵌入式處理器外圍硬件設(shè)備嵌入式處理器(EmbeddedProcessor)微控制器MCU
MicrocontrollerUnit(單片機(jī)SCM)
SingleChipMicrocomputer嵌入式微處理器MPU
MicroprocessorUnit數(shù)字信號(hào)處理器DSP
DigitalSignalProcessor片上系統(tǒng)SoC
SystemonChip外圍硬件設(shè)備半導(dǎo)體廠商配套常用接口電路系統(tǒng)基本電路 時(shí)鐘、復(fù)位、供電,以及存儲(chǔ)器等基本接口電路 通用I/O端口、通信接口、定時(shí)器、A/D等
常用支持電路
CAN總線、USB接口、存儲(chǔ)卡接口、以太網(wǎng)接口開發(fā)公司提供外圍器件和軟件系統(tǒng)控制具體行業(yè)的儀器設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)工作簡(jiǎn)單、任務(wù)單一的嵌入式系統(tǒng)可以不用操作系統(tǒng),或運(yùn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)性強(qiáng)、任務(wù)多樣的嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)uC/OS-II(現(xiàn)在已發(fā)展為uC/OS-III)VxWorks……功能強(qiáng)大、任務(wù)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)嵌入式Linux(完善的網(wǎng)絡(luò)支持)安卓Android(智能終端操作系統(tǒng))WindowsCE……嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員嵌入式硬件工程師硬件設(shè)計(jì) 器件選擇、PCB板設(shè)計(jì)等,使用HDL語言硬件的軟件接口
Bootloader程序等,使用C與匯編嵌入式軟件程序員系統(tǒng)程序員 嵌入式OS移植、驅(qū)動(dòng)程序移植等,使用C與匯編應(yīng)用程序員
應(yīng)用軟件開發(fā),使用C++、java等嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)模式宿主機(jī):通用微型機(jī)(PC機(jī))目標(biāo)機(jī):待開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)宿主機(jī)建立完整的開發(fā)環(huán)境交叉編譯產(chǎn)生目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行代碼通過JTAG、串口、USB接口、網(wǎng)絡(luò)等下載到目標(biāo)機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試軟件模擬(Simulator)在線硬件仿真(ICE:In-CircuitEmulator)宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)開發(fā)模式嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要的軟硬件開發(fā)工具套件Keil微控制器開發(fā)工具集(MDK-ARM)ARMDS-5(DevelopmentStudio5)IAR系統(tǒng)(ARMCortex-M的嵌入式工作平臺(tái))GNU編譯器集合(GCC)目標(biāo)板(開發(fā)板、評(píng)估板)調(diào)試適配器(仿真器)集成開發(fā)環(huán)境IDE下的軟件開發(fā)步驟創(chuàng)建工程項(xiàng)目添加工程文件選用啟動(dòng)代碼、頭文件和外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)創(chuàng)建源程序文件、編寫程序配置工程選項(xiàng)交叉編譯和連接程序下載(閃存編程)使用調(diào)試仿真器將目標(biāo)代碼下載到閃存(或SRAM)中運(yùn)行運(yùn)行和調(diào)試軟件開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論主講教師:第2章ARMCortex-M3處理器本章內(nèi)容提要2.1ARM處理器2.2Cortex-M3處理器結(jié)構(gòu)2.3Cortex-M3處理器的寄存器2.4Cortex-M3處理器的存儲(chǔ)器組織參考資料:ARM開發(fā)者網(wǎng)站Cortex-M3設(shè)備一般用戶指南
Cortex-M3DevicesGenericUserGuide為軟件開發(fā)人員提供的用戶指南提供程序員模型、核心外設(shè)的詳細(xì)信息、指令集的通用信息Cortex-M3技術(shù)參考手冊(cè)
Cortex-M3TechnicalReferenceManual
Cortex-M3處理器產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書(TRM)包括諸如指令時(shí)序、部分接口信息等參考資料:STM32網(wǎng)站編號(hào)PM0056的Cortex-M3編程手冊(cè)STM32F10xxxCortex-M3programmingmanual為使用STM32的開發(fā)人員提供Cortex-M3基本知識(shí)提供編程模型、指令集和核心外設(shè)的編程知識(shí)/content/st_com/zh.html/ARM(AdvancedRISCMachines)ARM公司著名的處理器設(shè)計(jì)公司,成立于1990年總部位于英國(guó)劍橋ARM處理器ARM公司專注于設(shè)計(jì)、并不制作和銷售處理器芯片授權(quán)轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可、合作公司開發(fā)生產(chǎn)芯片ARM技術(shù)體積小、功耗少、成本低、性能高等優(yōu)勢(shì)基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC思想2.1ARM處理器ARM處理器體系結(jié)構(gòu)8個(gè)版本的ARM體系結(jié)構(gòu)(Architecture)版本v4開始被廣泛應(yīng)用,目前主要使用v7、v8結(jié)構(gòu)授權(quán)廠商生產(chǎn)多種ARM處理器系列(family)基于不同版本的結(jié)構(gòu)版本號(hào)與處理器系列(數(shù)字)并不一致例如,ARM7、ARM9、ARM11等ARMv7、v8結(jié)構(gòu)使用Cortex作為ARM處理器商標(biāo)面向不同應(yīng)用領(lǐng)域劃分成3種系列·Cortex-A·Cortex-R·Cortex-M2021年,ARM宣布ARMv9體系結(jié)構(gòu)ARMCortex處理器Cortex-A(Application)基于ARMv7-A(ARMv8-A)體系結(jié)構(gòu)用于高性能開放應(yīng)用程序平臺(tái),支持操作系統(tǒng)Cortex-R(Real-time)基于ARMv7-R(ARMv8-R)體系結(jié)構(gòu)用于實(shí)時(shí)性要求的高端嵌入式系統(tǒng)Cortex-M(Microcontroller)基于ARMv7-M(ARMv8-M)和ARMv6-M體系結(jié)構(gòu)用于運(yùn)行實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的小規(guī)模應(yīng)用程序Cortex-M系列處理器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代微控制器產(chǎn)品、以及片上系統(tǒng)SoC和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品ASSPCortex-M3是ARM公司的第一個(gè)Cortex系列處理器Cortex-M3和Cortex-M4基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)Cortex-M0、Cortex-M0+和Cortex-M1
基于ARMv6-M體系結(jié)構(gòu),指令集更小Cortex-M0和Cortex-M0+針對(duì)低成本微控制器產(chǎn)品Cortex-M1專為FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)用于替代傳統(tǒng)的ARM7(甚至ARM9)處理器2.2Cortex-M3處理器結(jié)構(gòu)高性能、低功耗、32位RISC處理器基于ARMv7-M結(jié)構(gòu),只執(zhí)行Thumb-2指令3段指令流水線(取指-譯碼-執(zhí)行)可嵌套向量中斷控制器NVIC4GB地址空間,統(tǒng)一的存儲(chǔ)器地址分配哈佛(存儲(chǔ))結(jié)構(gòu)允許指令和數(shù)據(jù)同時(shí)訪問一系列內(nèi)部調(diào)試部件,支持多種調(diào)試接口(可選)存儲(chǔ)器保護(hù)單元MPU……復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC(CISC:ComplexInstructionSetComputer)指令豐富、程序設(shè)計(jì)方便、程序短小、執(zhí)行性能高處理器硬件復(fù)雜,不易使用先進(jìn)的流水線技術(shù),導(dǎo)致其執(zhí)行速度和性能難以進(jìn)一步提高精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC(RISC:ReducedInstructionSetComputer)指令系統(tǒng)很簡(jiǎn)單,只有少數(shù)簡(jiǎn)單、常用的指令處理器硬件簡(jiǎn)單,比較方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化RISC技術(shù)的主要特點(diǎn)指令條數(shù)較少尋址方式簡(jiǎn)單面向寄存器操作指令格式規(guī)整單周期執(zhí)行先進(jìn)的流水線技術(shù)編譯器優(yōu)化……Load-Store結(jié)構(gòu)Load:從主存讀取數(shù)據(jù)Store:把數(shù)據(jù)寫入主存Load-Store結(jié)構(gòu):只有Load和Store指令存取主存數(shù)據(jù),其他運(yùn)算指令的操作數(shù)均在寄存器中馮·諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)指令存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器哈弗結(jié)構(gòu)處理器總線總線存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)處理器總線馮·諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)只有一個(gè)存儲(chǔ)空間指令和數(shù)據(jù)共存于此占用不同的存儲(chǔ)區(qū)域哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有兩個(gè)存儲(chǔ)空間一個(gè)用于存儲(chǔ)指令一個(gè)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)Cortex-M3功能模塊Cortex-M3的兩個(gè)操作狀態(tài)工作狀態(tài)(ThumbState)Cortex-M3啟動(dòng)后 執(zhí)行程序代碼(Thumb指令)的工作狀態(tài)調(diào)試狀態(tài)(DebugState)通過調(diào)試程序的停止請(qǐng)求或者處理器調(diào)試事件 才能進(jìn)入的調(diào)試狀態(tài)停止執(zhí)行指令,只應(yīng)用于調(diào)試操作Thumb狀態(tài)和Debug狀態(tài)Cortex-M3的兩級(jí)特權(quán)層次在工作狀態(tài)時(shí),處理器具有兩級(jí)特權(quán)層次特權(quán)級(jí)(PrivilegedLevel)可以訪問所有處理器資源,執(zhí)行所有指令可執(zhí)行異常處理程序和應(yīng)用程序用戶級(jí)(非特權(quán)級(jí),UnprivilegedLevel)不能訪問部分受限的存儲(chǔ)區(qū)域和進(jìn)行部分操作只能執(zhí)行應(yīng)用程序特權(quán)級(jí)用戶級(jí)異常程序異常模式非法應(yīng)用程序線程模式線程模式Cortex-M3的兩種操作模式在工作狀態(tài)時(shí),處理器還具有兩種操作模式異常模式(例程模式,HandlerMode)只能在特權(quán)級(jí)下,執(zhí)行異常處理程序線程模式(ThreadMode)特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)下,執(zhí)行應(yīng)用程序復(fù)位后,處理器默認(rèn)進(jìn)入工作狀態(tài)的特權(quán)級(jí)下的線程模式執(zhí)行應(yīng)用程序特權(quán)級(jí)用戶級(jí)異常程序異常模式非法應(yīng)用程序線程模式線程模式兩級(jí)特權(quán)層次和兩種操作模式2.3Cortex-M3的寄存器通用寄存器應(yīng)用程序主要使用的寄存器16個(gè),32位,名稱:R0–R15R13是(堆)棧指針寄存器SP(StackPointer)R14是連接寄存器LR(LinkRegister)R15是程序計(jì)數(shù)器PC(ProgramCounter)專用寄存器程序狀態(tài)寄存器PSR(ProgramStatusRegister)中斷/異常屏蔽寄存器控制寄存器CONTROLCortex-M3的通用寄存器Cortex-M3的專用寄存器2.4Cortex-M3的存儲(chǔ)器組織32位地址,支持4GB線性地址空間0x00000000–0xFFFFFFFF哈佛(存儲(chǔ))結(jié)構(gòu),共用存儲(chǔ)器地址空間代碼區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)外設(shè)區(qū)處理器系統(tǒng)外設(shè)區(qū)等Cortex-M3的地址空間分配位帶區(qū)(BitBandRegion)數(shù)據(jù)位的常規(guī)操作外設(shè)控制常要針對(duì)字中某個(gè)位(Bit)操作以字節(jié)編址的存儲(chǔ)器地址空間中,需要3步驟1.(從外設(shè))讀取包含該位的字節(jié)數(shù)據(jù)2.設(shè)置該位為0或1、同時(shí)屏蔽其他位(不改)3.將包含該位的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入(外設(shè))
LDRr0,=0x20000300
LDRr1,[r0] ;讀取數(shù)據(jù)
ORRr1,r1,#0x4
;D2位設(shè)置為1
STRr1,[r0] ;寫回結(jié)果數(shù)據(jù)位的位段操作數(shù)據(jù)位若采用位編址(每位具有一個(gè)地址)就可以直接針對(duì)這個(gè)地址讀寫代碼會(huì)更加緊湊、執(zhí)行效率更高
LDRr0,=0x22006008MOVr1,#1 ;D2位設(shè)置為1
STRr1,[r0] ;寫入結(jié)果0x20000300
0x22006008
位帶區(qū)地址別名映射位帶區(qū)的地址映射0x20000000~0x200FFFFF
0x22000000~0x23FFFFFF
別名地址(32MB)數(shù)據(jù)區(qū)(1MB
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