S01第1講嵌入式系統(tǒng)及Cortex-M4簡(jiǎn)介D5

單片機(jī)（嵌入式微控制器）

原理與實(shí)驗(yàn)廈門(mén)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室胡曉毅（教授級(jí)高級(jí)工程師）解永軍（高級(jí)工程師）助教：陳楊教：沈舒講知識(shí)點(diǎn)：課程情況嵌入式系統(tǒng)概述嵌入系統(tǒng)的組成嵌入式微控制器的相關(guān)概念嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)ARM微處理器Cortex-M4處理器介紹2單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305課程性質(zhì)目的任務(wù)是以實(shí)踐為主的技術(shù)類(lèi)課程，有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景ARM公司的Cortex-M4是專(zhuān)門(mén)針對(duì)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的32位處理器內(nèi)核，具有高效的控制和信號(hào)處理功能本課程以TI公司基于Cortex-M4架構(gòu)的TM4C123單片機(jī)為例，主要講授單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、程序設(shè)計(jì)方法和硬件接口方法，介紹單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試方法通過(guò)學(xué)習(xí)該課程可以掌握單片機(jī)軟件編程和硬件電路的調(diào)試方法；建立單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念；為通信電子系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S3053教學(xué)基本要求實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)：德州儀器（TI）Cortex-M4F的32位單片機(jī)TM4C123學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)現(xiàn)代微控制器的體系結(jié)構(gòu)；熟練微控制器的編程和調(diào)試方法；掌握工作模式及硬件接口擴(kuò)展方法等基礎(chǔ)知識(shí)；學(xué)會(huì)單片機(jī)的I/O端口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A/D模塊、I2C模塊、SPI模塊等的使用方法；掌握單片機(jī)與外部液晶模塊、UART、Ｄ/Ａ、溫度傳感器、光照傳感器等的接口控制方法單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S3054課程學(xué)習(xí)與考核前修課程電子線路；數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)；C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)；軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程教材、參考書(shū)教材：《嵌入式系統(tǒng)教程——基于TivaC系列ARMCortex-M4微控制器》北京航空航天大學(xué)出版社，2015年5月參考書(shū)：《TM4C123微處理器原理與實(shí)踐》清華大學(xué)出版社，2014年1月考試形式：實(shí)驗(yàn)考試平時(shí)成績(jī)（20%）平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)（40%）期末實(shí)驗(yàn)成績(jī)（40%）實(shí)踐能力！單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S3055關(guān)于課程資料課件ppt、實(shí)驗(yàn)資料、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等登陸點(diǎn)“信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院”，找到“單片機(jī)原理與實(shí)驗(yàn)（通信系2013級(jí)）”課程加入班級(jí)碼：tm4c123用到的軟件等工具

ftp://tm4c:tm4c@單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S3056單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S3057嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)(embeddedsystem)

定義以應(yīng)用為中心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：是一種專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：性能、功能應(yīng)用差異性大是裝置或設(shè)備的一部分多任務(wù)，實(shí)時(shí)性好很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)能力低功率消耗：毫瓦或微瓦小尺寸低成本完善的開(kāi)發(fā)工具，便于快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S3058嵌入式系統(tǒng)示例：ADSL/Router4微處理器6RAM7flash單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30591966年由MIT儀器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)完成：ApolloGuidanceComputerIntel4004單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30510第一臺(tái)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30511單片機(jī)（微控制器）的一些應(yīng)用單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30512單片機(jī)（微控制器）的一些應(yīng)用單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30513嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的硬件核心芯片：嵌入式處理器存儲(chǔ)器系統(tǒng)外部接口嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)語(yǔ)言編譯器連接定位器調(diào)試器單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30514嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式處理器不同型號(hào)，不同體系，存儲(chǔ)器容量不同，速度不同嵌入式微處理器MPU:（MicroProcessingUnit）主頻>500MHz，大容量存儲(chǔ)，完整的操作系統(tǒng)，如：ARMCortex-A，MIPS,X86嵌入式控制器MCU（MicroControllerUnit）：主頻:8～200MHz，幾百KB的容量存儲(chǔ)，有RTOS或無(wú)操作系統(tǒng)。如：ARMCortex-M、AVR、PIC、MSP430、MCS51等嵌入式DSP（DigitalSignalProcessing）：專(zhuān)用信號(hào)處理器，乘累加功能，音視頻編解碼，馬達(dá)控制等嵌入式片上系統(tǒng)SOC（SystemOnChip）：轉(zhuǎn)為某些應(yīng)用定制的，將微處理器和某些外設(shè)結(jié)合在一起。Wifi，Bluetooth單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30515微處理器是指功能較強(qiáng)大的CPU，通常電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱(chēng)為單板計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式處理器16單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式處理器常見(jiàn)的有ARM微處理器（如SamSungS3C2410，F(xiàn)reescaleM21/M31等），Intel的80x86系列，Motorola的68K系列、PowerPC系列等17單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305Intel80486Intel80486芯片內(nèi)核Theprototypeof68kSingleBoardComputer嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式處理器常見(jiàn)的有ARM微處理器（如SamSungS3C2410，F(xiàn)reescaleM21/M31等），Intel的80x86系列，Motorola的68K系列、PowerPC系列等18單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305Motorola-XPC603PRX180LEMotorola-XPC603FE75-2B嵌入式處理器單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30519嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式微控制器嵌入式微控制器又稱(chēng)單片機(jī)，是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash等各種功能和外設(shè)20單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305經(jīng)典系列MCS-51（Intel，8051）PIC（Microchip，8位、16位、32位全系列）MSP430（TI，16位，超低功耗）AVR/AT89S51（Atmel，8位）68HCxx（Motorola，8位）飛思卡爾、新唐、凌陽(yáng)、STC、NEC、東芝、富士通、NS、Epson、三星、華邦、SST、Zilog……Cortex-Mx系列內(nèi)核（ARM公司授權(quán)）單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305幾種早期的單片機(jī)22單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305單片機(jī)/微控制器（MCU）單片微型計(jì)算機(jī)（single-chipmicrocomputer），又稱(chēng)微控制器（microcontroller）可看作是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（timer/counter）、各種輸入/輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S30523嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式微控制器Modern16-bitRISCCPU

Ultra-low-powerconsumptionaslowas0.1uARAMretentionmode

Integratedhigh-performanceanaloganddigitalperipherals

In-systemprogrammableFlash

CompleteIDEstartingat$99

Keyapplicationsinclude:

-

Metering

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Portableinstrumentation

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Consumer24單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式微控制器目前常見(jiàn)的基于ARM核的嵌入式微控制器：Philips的LPC21xx,Atmel的SAM7,ST的STR71x、91x,STM32等25PhilipsLPC2129(ARM7)STR912開(kāi)發(fā)板AtmelAT91SAM7X256(ARM7TDMI)嵌入式系統(tǒng)的組成——嵌入式DSP處理器

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)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單品機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)濾到采用嵌入式DSP處理器嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP5600系列26嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備，用于存取數(shù)據(jù)和程序代碼27隨機(jī)存取RAM只讀存儲(chǔ)器ROM嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)分類(lèi)：嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)易失性只讀性位容量速度功耗可靠性?xún)r(jià)格 多級(jí)多層次的存儲(chǔ)器系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器SRAM速度較快：~幾百KB高速緩沖寄存器（Cache）DRAM：容量大（>16MB）成本低，需定時(shí)刷新。在MPU系統(tǒng)中是主存易失性存儲(chǔ)器非易失性，主要存儲(chǔ)程序和不常存取的數(shù)據(jù)可擦寫(xiě)次數(shù)約10萬(wàn)次，存放系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)FLASH存儲(chǔ)器又稱(chēng)閃存，是一種可在線多次擦除的非易失性存儲(chǔ)器?？刹翆?xiě)次數(shù)約1萬(wàn)次，但擦寫(xiě)單位較大為幾百B~幾KB非易失性，體積小，功耗低，抗振性強(qiáng)，密度高，可直接執(zhí)行在微控制器中主要用作存放程序代碼單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器FlashMemory和EEPROM的性能對(duì)比單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器FLASH存儲(chǔ)器主要分為兩種NOR型FLASHNAND型FLASH主要區(qū)別如下單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的組成——存儲(chǔ)器Flash單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的組成——外設(shè)外設(shè)與系統(tǒng)外部完成I/O操作34單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305內(nèi)部外設(shè)：與處理器在一塊芯片上外部外設(shè)：與處理器不在一塊芯片上嵌入式微控制器的相關(guān)概念計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)35單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305流水線工作將芯片內(nèi)、外的存儲(chǔ)器和外設(shè)編址的方法大多微處理器是統(tǒng)一編址的將外設(shè)當(dāng)作存儲(chǔ)器單元，與存儲(chǔ)器一起進(jìn)行編址片內(nèi)存儲(chǔ)器映射地址是廠家規(guī)定好的，需要看數(shù)據(jù)手冊(cè)當(dāng)需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，需要進(jìn)行地址譯碼，與微控制器內(nèi)部存儲(chǔ)器一起進(jìn)行編址譯碼方法：詳見(jiàn)課本Page60譯碼器譯碼與非門(mén)譯碼PLD邏輯譯碼存儲(chǔ)器空間映射36單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的方式大端模式：

高位地址存數(shù)據(jù)的高字節(jié)，地位地址存數(shù)據(jù)的低字節(jié)小端模式：存儲(chǔ)方向與上面相反嵌入式微控制器的相關(guān)概念37單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)特點(diǎn)目標(biāo)機(jī)不具備自主開(kāi)發(fā)能力：宿主機(jī)：執(zhí)行編譯、鏈接和定址過(guò)程的計(jì)算機(jī)目標(biāo)機(jī)：運(yùn)行嵌入式軟件的硬件平臺(tái)，因資源有限，它不是用于目標(biāo)機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)運(yùn)行的指令集一般是不一樣的嵌入式需要特殊的軟硬件將其固化到嵌入式系統(tǒng)中嵌入式開(kāi)發(fā)的調(diào)試需要利用調(diào)試器來(lái)跟蹤程序的執(zhí)行情況嵌入式軟件開(kāi)發(fā)多采用遠(yuǎn)程調(diào)試（交叉調(diào)試）方式38單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程39單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305聯(lián)機(jī)調(diào)試就調(diào)試方法而言，調(diào)試方法分為以下兩種：就操作系統(tǒng)調(diào)試的層次而言，分為以下兩種：軟件調(diào)試：使用軟件調(diào)試器調(diào)試嵌入式系統(tǒng)軟件連接定位器：使用仿真調(diào)試器協(xié)助調(diào)試過(guò)程調(diào)試嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)試嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序40單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)交叉調(diào)試調(diào)試器運(yùn)行在主機(jī)上，被調(diào)試程序運(yùn)行的在目標(biāo)機(jī)上，主機(jī)和目標(biāo)機(jī)通過(guò)某種通信手段（并行口，USB總線，以太網(wǎng)，仿真器等）連接，這樣調(diào)試器就可以控制、跟蹤被調(diào)試的程序示例如下圖：調(diào)試主機(jī)（PC)調(diào)試器目標(biāo)機(jī)USB或以太網(wǎng)

JTAG仿真頭程序編輯、編譯、定位鏈接運(yùn)行程序41單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法Monitor方式：調(diào)試器與目標(biāo)操作系統(tǒng)通過(guò)指定的通信端口并依據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)通信在線ICE：InCircuitEmulator片上調(diào)試方式：目標(biāo)機(jī)處理器內(nèi)部嵌入額外的硬件控制模塊，滿(mǎn)足特定的觸發(fā)條件時(shí)，進(jìn)入某種特殊狀態(tài)JTAG仿真器嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)4242單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)JTAG仿真JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試電路TAP（TestAccessPort，測(cè)試訪問(wèn)口），通過(guò)專(zhuān)用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試硬件：一個(gè)連接計(jì)算機(jī)的接口；一個(gè)連接目標(biāo)處理器上JTAG引腳的接口軟件：把調(diào)試命令和數(shù)據(jù)通過(guò)仿真器發(fā)送到目標(biāo)處理器中，然后接收目標(biāo)處理器的狀態(tài)信息；并通過(guò)JTAG命令控制目標(biāo)處理器的運(yùn)行43單片機(jī)與嵌入式實(shí)驗(yàn)室S305嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)JTAG仿真器特點(diǎn)（1）采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)（2）JTAG命令獨(dú)立于處理器的指令系統(tǒng)（3）JTAG標(biāo)準(zhǔn)僅定義了與處理器的通信協(xié)議IEEE1149.1JTAG引腳描述4