嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教案

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教案TOC\o"1-5"\h\z課程總學(xué)時(shí)： 32講課學(xué)時(shí)： 24實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 8授課人： 楊詞慧南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院II/39目錄嵌入式系統(tǒng)概述1TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"嵌入式系統(tǒng)的基本概念 1\o"CurrentDocument"嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 2\o"CurrentDocument"嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 2\o"CurrentDocument"嵌入式處理器 3\o"CurrentDocument"嵌入式操作系統(tǒng) 4\o"CurrentDocument"嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 72ARM體系結(jié)構(gòu)7ARM設(shè)計(jì)思想7\o"CurrentDocument"ARM體系結(jié)構(gòu)分析 8\o"CurrentDocument"ARM 處理器系列 10\o"CurrentDocument"ARM 處理器模式 15\o"CurrentDocument"ARM體系的異常處理 16ARM 內(nèi)部寄存器 18ARM體系的存儲(chǔ)系統(tǒng) 19\o"CurrentDocument"3ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 20ARM尋址方式20ARM指令集23Thumb指令集323.4343.534嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程 344STM32微控制器35TM32微控制器的性能指標(biāo) 36/39;設(shè)置所有標(biāo)志位(9)異常/中斷指令(續(xù))SWISWI{<cond>}<24位立即數(shù)>產(chǎn)生SWI異常中斷，以實(shí)現(xiàn)在用戶模式下調(diào)用操作系統(tǒng)的監(jiān)控功能程序 。它將處理器置于管理(SVC)模式。例如：SWI0x01 ；調(diào)用編號(hào)為01的系統(tǒng)例程BKPTBKPT<16位立即數(shù)>產(chǎn)生軟件斷點(diǎn)中斷，可用于程序調(diào)試。例如BKPT0xF010(10)協(xié)處理器指令CDPCDP{<cond>}<CP#>,<Cop1>,CRd,CRn,CRm{,<Cop2>}編號(hào)為CP#的協(xié)處理器接受指令并執(zhí)行。 具體操作由Cop1和Cop2定義，CRn和CRm為源操作數(shù)，結(jié)果CRd。例如：CDPP6,2,C5,C10,C3,16;激活協(xié)處理器P6的操作，操作碼1和操作碼2值分另為2和16,目標(biāo)寄存器為C5,源操作數(shù)寄存器為C10和C3MRC和MRCMRC|MCR{<cond>}<CP#>,<Cop1>,CRd,CRn,CRm{,<Cop2>}在ARM與協(xié)處理器寄存器間傳送數(shù)據(jù)。MRC:ARM寄存器協(xié)處理器寄存器MCR:協(xié)處理器寄存器 ARM寄存器例如：MCRP3,3,R0,C4,C5,6;ARM處理器R0協(xié)處理器P3的寄存器C4和C5LDC和STC在協(xié)處理器寄存器與存儲(chǔ)器間傳送數(shù)據(jù)LDC:協(xié)處理器寄存器 存儲(chǔ)器STC:存儲(chǔ)器協(xié)處理器寄存器前變址格式LDC|STC{<cond>}{L}<CP#>,CRd,[Rn,<offset>]{!}后變址格式LDC|STC{<cond>}{L}<CP#>,CRd,Rn,<offset>3.3Thumb指令集

是ARM指令集壓縮形式的子集，所有Thumb指令均有對(duì)應(yīng)的ARM指令。采用16位二進(jìn)制編碼，代碼密度小。執(zhí)行Thumb指令時(shí)，先動(dòng)態(tài)解壓縮，然后作為標(biāo)準(zhǔn)的 ARM指令執(zhí)行。如何區(qū)分指令流取決于CPSR的位To大多Thumb數(shù)據(jù)處理指令采用2地址格式。移位操作變成單獨(dú)指令。沒有協(xié)處理器指令、單寄存器交換指令、乘加指令、 64位乘法指令及程序寄存器處理指令。僅分支指令B有條件執(zhí)行功能。3132-bitARM指令32-bitARM指令A(yù)DDSr2,r27#l16-bitThumb指令16-bitThumb指令Thumb狀態(tài)切換ARM狀態(tài)進(jìn)入Thumb狀態(tài)執(zhí)行帶狀態(tài)切換的轉(zhuǎn)移指令BX。例如:BXR0;若R0最低位為1,則轉(zhuǎn)Thumb狀態(tài)- 1URnARM/Thumb選擇一0-ARM狀變1*Thi*nb狀左Thumb模式。異常返回。通常用于返回到進(jìn)入異常前所執(zhí)行的指令流，而不是特地用于切換到適用于異常前執(zhí)行的是ThumbThumb模式。Thumb狀態(tài)進(jìn)入ARM狀態(tài)執(zhí)行BX指令。利用異常進(jìn)入ARM指令流。⑶Thumb指令寄存器的使用對(duì)R0~R7具有全部訪問權(quán)限。R8~R12的訪問受到限制，只能通過 MOV、ADD和CMP訪問。在每一種特權(quán)模式下都有一組 SP、LR和SPSR,分別對(duì)應(yīng)ARM狀態(tài)的R13、R14和R15。Thumb指令與ARM指令的相似點(diǎn)Load/Store結(jié)構(gòu)。支持8位字節(jié)、16位半字和32位字?jǐn)?shù)據(jù)類型。半字以2字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)，字以4字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)。Thumb指令與ARM指令差異點(diǎn)跳轉(zhuǎn)指令：條件跳轉(zhuǎn)在范圍上有更多的限制，轉(zhuǎn)向子程序只具有無條件轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)處理指令：對(duì)通用寄存器進(jìn)行操作，操作結(jié)果需放入其中一個(gè)操作數(shù)寄存器。因此，許多Thumb指令采用2地址格式，ARM數(shù)據(jù)處理指令大多采用3地址格式。單寄存器加載和存儲(chǔ)指令：只能訪問 R0~R7oPUSH和POP指令使用堆棧指針R13作為基址實(shí)現(xiàn)滿遞減堆棧，除 R0~R7外，PUSH指令還可存儲(chǔ)R14,POP指令可加載程序指令PC。大多數(shù)Thumb指令是無條件執(zhí)行的，所有ARM指令都是條件執(zhí)行的。由于采用高密度編碼，Thumb指令格式?jīng)]有ARM指令格式規(guī)則。Thumb分支指令a)B指令 目標(biāo)為Thumb代碼B〈條件碼><Label>15 1211 87 II|條件碼| 8位偏移量偏移量左移1位B指令是Thumb指令集中唯一可條件執(zhí)行的指令。PC=PC+(SignExtend(signed_immed_8)<<1)B<Label>15 1111)01110011位偏移量嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程(1)嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn)需要交叉開發(fā)環(huán)境交叉開發(fā)環(huán)境：實(shí)現(xiàn)編譯、鏈接和調(diào)試應(yīng)用程序代碼的環(huán)境，它分散在有通信連接的宿主機(jī)與目標(biāo)環(huán)境之中。宿主機(jī)(Host)是一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)，一般是PC機(jī)。目標(biāo)機(jī)(Target)可以是嵌入式應(yīng)用軟件的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境， 也可以是能替代實(shí)際環(huán)境的仿真系統(tǒng)。交叉軟件開發(fā)工具包括：交叉編譯器、交叉調(diào)試器和模擬軟件等。引入任務(wù)設(shè)計(jì)方法嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)以任務(wù)為基本執(zhí)行單元用多個(gè)并發(fā)的任務(wù)代替通用軟件的多個(gè)模塊需要固化程序軟件開發(fā)難度大實(shí)時(shí)性。穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性。軟硬件平臺(tái)的選擇選擇處理器需考慮的因素處理性能技術(shù)指標(biāo)、功耗軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具供應(yīng)商是否提供評(píng)估板軟件平臺(tái)的選擇操作系統(tǒng)。開發(fā)工具，與硬件接口難度，內(nèi)存，是否提供硬件驅(qū)動(dòng)程序，可裁剪性、實(shí)時(shí)性等編程語言。通用性、可移植性、執(zhí)行效率、可維護(hù)性等集成開發(fā)環(huán)境嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)流程需求分析體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件的設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試系統(tǒng)集成系統(tǒng)性能測(cè)試及可靠性測(cè)試4STM32微控制器教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)STM32的性能指標(biāo)、硬件結(jié)構(gòu)有一定的了解。教學(xué)重點(diǎn)： STM32 的硬件結(jié)構(gòu)。教學(xué)難點(diǎn)： STM32 的硬件結(jié)構(gòu)。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： 4課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容STM32微控制器的性能指標(biāo)STM32F103的主要功能ARMCortex-M3核最高主頻72MHz512kBFlash、64kBRAM個(gè)USB、1個(gè)CAN、5個(gè)USART、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、112個(gè)GPIO個(gè)ADC、2個(gè)DAC、8個(gè)定時(shí)器FSMC總線(支持 NOR，NAND，SRAM)通道DMA控制器Serialwiredebug(SWD)、JTAG接口啟動(dòng)：用戶Flash、系統(tǒng)存儲(chǔ)器、SRAMJC-STM32CB核心板核心芯片：STSTM32F103ZET68MNORFlash：SST39VF6401，16bit128MNANDFlash：K9F1G08U0C，8bit8MHzCPU晶振，32768HzRTC晶振1個(gè)10M/100M以太網(wǎng)接口1路音頻輸出和1路音頻輸入1個(gè)10-pinJTAG調(diào)試接口1個(gè)4-pinSWD串行調(diào)試接口Reset按鈕、自定義LED,電源LED1個(gè)精密可調(diào)電阻連接到片內(nèi)ADC輸入使用CPLD擴(kuò)展IO口及地址譯碼，型號(hào) EPM240T100C5N板載10/100M網(wǎng)卡控制器，型號(hào) DM9000AEP，16bit總線接口>DDJ'g2HLPAUPAUPA1IFA1-3y09876n

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