嵌入式課程-第一講

嵌入式系統(tǒng)綜述課程設(shè)置的必要性應(yīng)用需求日益復(fù)雜微處理器技術(shù)長足發(fā)展社會(huì)對嵌入式技術(shù)人才的需求 據(jù)統(tǒng)計(jì)2002年16/32位嵌入式處理器的銷售額已接近70億美元

嵌入式軟件技術(shù)成為核心嵌入式處理器快速成長$70億課程的主要內(nèi)容

以32位ARM微處理器和嵌入式linux為基礎(chǔ)全面闡述嵌入式系統(tǒng)的要素嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)嵌入式應(yīng)用開發(fā)流程與實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)

對嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的問題有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，基本掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，為今后從事嵌入式系統(tǒng)的研究打下良好的基礎(chǔ)。

課程安排（1）嵌入式系統(tǒng)綜述－－2學(xué)時(shí)ARM體系結(jié)構(gòu)－－4學(xué)時(shí)ARM指令系統(tǒng)－－4學(xué)時(shí)基于MC9328MX1的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)－－10學(xué)時(shí)嵌入式linux操作系統(tǒng)－－4學(xué)時(shí)linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)－－6學(xué)時(shí)應(yīng)用程序開發(fā)－－6學(xué)時(shí)課程安排（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)－－12學(xué)時(shí)

linux基本操作及交叉編譯環(huán)境的創(chuàng)建內(nèi)核裁減和文件系統(tǒng)創(chuàng)建鍵盤實(shí)驗(yàn)

LCD實(shí)驗(yàn)觸摸屏實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)驗(yàn)

推薦參考資料（1）馬忠梅，ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)，北航出版社，2002.陳章龍，嵌入式系統(tǒng)—IntelStrongARM結(jié)構(gòu)與開發(fā)，北航出版社，2002.李駒光，ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解，清華大學(xué)出版社，2003ARMSystem-on-chipArchiteture(中文版)，北航出版社，2002CraigHollabansh，陳雷等譯，嵌入式linux—硬件、軟件與接口，電子工業(yè)出版社，2003.推薦參考資料（2）AlessandroRubini，魏永明等譯，linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，第二版，中國電力出版社，2002.MC9328MX1用戶手冊，Motorola公司，2002.Lisoleg中國Linux論壇嵌入式開發(fā)網(wǎng)ARMLinuxDeveloper.uk/developer

專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（非PC智能電子設(shè)備）微處理器、定時(shí)器、存儲(chǔ)器、傳感器嵌入式的微型操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件嵌入式系統(tǒng)的定義（1）以應(yīng)用為中心的定義

以應(yīng)用為中心以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)為基礎(chǔ)軟件與硬件可剪裁滿足系統(tǒng)對功能、成本、體積和功耗等要求知識(shí)集成系統(tǒng)技術(shù)密集資金密集高度分散不可壟斷面向應(yīng)用不斷創(chuàng)新

嵌入式系統(tǒng)的定義（2）嵌入式Internet技術(shù)是指設(shè)備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet，以Internet為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的過程嵌入式硬件系統(tǒng)嵌入式處理器各種存儲(chǔ)器電源部分接口控制器及外圍設(shè)備嵌入式系統(tǒng)的組成要素嵌入式軟件系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)板級支持包(BSP)設(shè)備驅(qū)動(dòng)協(xié)議棧應(yīng)用程序等X86系列開發(fā)方便和移植容易體積大、功耗高、實(shí)時(shí)性差DSP系列具有較強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理能力，適合聲音、圖像等多媒體信息處理。處理能力弱、尋址范圍有限、I/O功能弱等。ARM系列（RISC處理器）小體積、低功耗、低成本、高性能支持16/32位雙指令集全球眾多的合作伙伴PowerPC系列

Motorola和IBM聯(lián)合開發(fā)的微處理器核嵌入式處理器嵌入式處理器核發(fā)展趨勢ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫，ARM處理器采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）技術(shù)，即采用精簡指令集體系結(jié)構(gòu)。RISC相對于CISC體系結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路是如何使計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運(yùn)行速度。目前它還沒有嚴(yán)格的定義。據(jù)統(tǒng)計(jì),CISC的指令集中，約20％的指令使用頻率占80％，而80％的指令的使用頻率僅占20％。ARM處理器(1)RISC體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用固定長度的指令格式，指令規(guī)整、簡單（ARM指令為32位）。使用單周期指令，便于流水線操作。大量使用寄存器（ARM共有37各寄存器），數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器操作，訪問存儲(chǔ)器只使用Load/Store指令。

ARM處理器(2)ARM處理器的特點(diǎn)小體積、低功耗、低成本、高性能支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集，提高指令密度大量使用寄存器大多少數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。尋找方式簡單靈活指令長度固定（16/32位）ARM處理器(3)ARM處理器的分類ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等ARM9系列:MX1采用ARM920T核ARM9E系列

ARM10系列

SecureCore系列

StrongARMXscaleARM處理器(4)ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等常見芯片主頻為20～133MHzARM720T以下沒有MMU適合對價(jià)位和功耗要求較高的產(chǎn)品。3級流水線和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)支持WindowCE、LinuxPalmOS等ARM處理器(5)ARM7TDMI核命名規(guī)則

7 =體系結(jié)構(gòu)T =Thumb代碼支持(16bit指令)D =Debug硬件調(diào)試模塊支持M =加強(qiáng)的乘法支持(DSP性能)I =EmbeddedICELogicARM9TDMI與ARM7TDMI相同，但是使用ARM9結(jié)構(gòu).ARM處理器(6)ARM9系列:MX1采用ARM920T核常見的芯片主頻為100～233MHz5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)支持32位的高速AMBA總線接口MMU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)CacheARM處理器(7)ARM9E系列5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)緊耦合的存儲(chǔ)器接口支持32位的高速AMBA總線接口MMU支持DSP指令集，適合高速數(shù)字信號(hào)處理支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)Cache支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器ARM處理器(8)ARM10系列6級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)支持64位的高速AHB總線接口MMU支持DSP指令集，適合高速數(shù)字信號(hào)處理支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)Cache支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器ARM處理器(9)SecureCore系列專為安全需要而設(shè)計(jì)靈活的保護(hù)單元StrongARM融合了Intel技術(shù)的具有ARM體系結(jié)構(gòu)的32位處理器XscaleIntel新一代的性能全、性價(jià)比高、低功耗的微處理器

ARM處理器(10)特點(diǎn)除具有普通操作系統(tǒng)的功能如任務(wù)調(diào)度、中斷處理等外，嵌入式操作系統(tǒng)還有以下特點(diǎn)：編碼體積小，適合有限的存儲(chǔ)空間面向應(yīng)用，可裁減和移植實(shí)時(shí)性強(qiáng)，又稱實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)?？煽啃愿咭约拜^強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能。嵌入式操作系統(tǒng)（1）分類Windows兼容的：WindowsCE,嵌入式Linux等工業(yè)與通信類：VxWorks、QNX等單片機(jī)類：uc/OS等面向Internet類：PalmOS、Hopen等嵌入式操作系統(tǒng)（2）嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能，及對外部或者內(nèi)部事件在同步或者異步時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)的系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)性的衡量指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間：對外部事件做出響應(yīng)的時(shí)間。生存時(shí)間：數(shù)據(jù)的有效時(shí)間。吞吐量：一定時(shí)間內(nèi)，處理事件的總數(shù)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念（1）實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類根據(jù)響應(yīng)時(shí)間分：弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)：要求各任務(wù)運(yùn)行越快越好，但并不嚴(yán)格限定在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，如手機(jī)、銀行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)：要求系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，如航天控制系統(tǒng)，通常在毫秒或微妙級。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念（2）實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類根據(jù)確定性分類：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，如果不能滿足，就會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或致命錯(cuò)誤。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有要求，但是，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致命錯(cuò)誤。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念（3）RTOS:實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS內(nèi)核提供CPU的管理,硬件初時(shí)化，MMU，定時(shí)器，中斷RTOS內(nèi)核提供任務(wù)，內(nèi)存管理RTOS提供設(shè)備管理，文件和網(wǎng)絡(luò)的支持RTOS提供C/C++，JAVA，圖形模塊(GUI)應(yīng)用支持RTOS普遍應(yīng)用于32bitCPU特點(diǎn)免費(fèi)和代碼公開支持多種硬件平臺(tái)可裁剪使用成本低強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能支持GUI開發(fā)豐富的開發(fā)技術(shù)資源嵌入式Linux幾種嵌入式Linux（1）uCLinux： 為支持沒有MMU的處理器而對標(biāo)準(zhǔn)Linux作出的修正，它不支持實(shí)時(shí)性。普通嵌入式Linux

通過普通Linux的裁剪可得到。支持MMU，非實(shí)時(shí)性。

幾種嵌入式Linux（2）RTLinux與RTAI RTLinux支持實(shí)時(shí)性，它通過在普通Linux內(nèi)核下層增加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性。

RTAI(Real-timeApplicationInterface)通過在Linux上定義一個(gè)實(shí)時(shí)硬件抽象層（RTHAL），為普通Linux的實(shí)時(shí)性提供了解決方案。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)家電多媒體通信個(gè)人數(shù)據(jù)處理國防工業(yè)智能交通微電子機(jī)械(MEMS)中的應(yīng)用工業(yè)控制

生物微電子技術(shù)中的應(yīng)用goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum嵌入式應(yīng)用的開發(fā)（1）開發(fā)的一般過程任務(wù)分析操作系統(tǒng)選擇處理器選擇硬件設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)移植應(yīng)用程序設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)及BSP設(shè)計(jì)代碼固化嵌入式應(yīng)用的開發(fā)（2）任務(wù)分析 由于嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，對系統(tǒng)的可靠性、系統(tǒng)的開發(fā)周期、體系成本等都有嚴(yán)格的要求。因此，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)首先要對任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)地分析，使得系統(tǒng)能較好地滿足要求。其中主要包括對系統(tǒng)功能的分析、對系統(tǒng)軟硬件的特殊要求、實(shí)時(shí)性的水平、系統(tǒng)模塊的分解、要達(dá)到的水平等。嵌入式應(yīng)用的開發(fā)（3）處理器選擇工作頻率處理器的核（ARM處理器）片內(nèi)存儲(chǔ)器容量片內(nèi)外圍電路及其擴(kuò)展能力嵌入式應(yīng)用的開發(fā)（4）操作系統(tǒng)選擇實(shí)時(shí)性、開發(fā)周期、開發(fā)資源等。硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序及BSP開發(fā)處理器供應(yīng)商可能會(huì)提供相關(guān)的內(nèi)容。操作系統(tǒng)的移植將所選的操作系統(tǒng)移植到設(shè)計(jì)的目標(biāo)板的過程

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)代碼固化嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（1）

由于嵌入式系統(tǒng)的可用資源有限，嵌入式開發(fā)和調(diào)試工作通常要通過高性能的宿主機(jī)完成。 嵌入式應(yīng)用軟件通過宿主機(jī)上的交叉編譯器，完成交叉編譯和連接后下載到目標(biāo)機(jī)。

宿主機(jī)：進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)的主機(jī)目標(biāo)機(jī)：將要開發(fā)的目標(biāo)板宿主機(jī)目標(biāo)機(jī)邏輯連接物理連接嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（2）模擬開發(fā)調(diào)試它通過基于宿主機(jī)的軟件，在主機(jī)上模擬目標(biāo)機(jī)中處理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模擬器。它雖然簡單可行，但是缺乏在線調(diào)試和實(shí)時(shí)仿真功能。嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（3）在線仿真(ICE)它通過在線仿真器，取代目標(biāo)板的CPU，仿真嵌入式處理器芯片的行為。它支持單步執(zhí)行、斷點(diǎn)、反匯編、源程序級調(diào)試。仿真器通常價(jià)格比較昂貴，通常用在ARM硬件開發(fā)中，軟件開發(fā)則較少用。

宿主機(jī)目標(biāo)板仿真器硬件連接示意圖嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（4）JTAG仿真器

ARM處理器內(nèi)含EmbededICE宏單元，并留有JTAG調(diào)試接口，支持在線仿真。它無需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的端口。

使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器是目前最常用的一種調(diào)試方式。

嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（4）ROMMonitor方式（或Angel方式）ROMMonitor（或Angel）是運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)的Flash或ROM的