嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用緒論課件

嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用CollegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering嵌入式系統(tǒng)的基本概念A(yù)RM微處理器ARMCortex系列微處理器STM32系列微處理器1.1

1.21.31.4第一章緒論1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1、定義2、組成3、特點(diǎn)4、分類嵌入式處理器5、嵌入式操作系統(tǒng)2、組成MPU電源模塊時(shí)鐘復(fù)位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設(shè)（1）嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式微處理器（2）嵌入式系統(tǒng)組成一般有以下五個(gè)（四個(gè)）部分組成嵌入式微處理器外圍硬件設(shè)備硬件軟件實(shí)現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視、管理等功能（驅(qū)動(dòng)程序）(可選)嵌入式操作系統(tǒng)(可選)應(yīng)用程序操作系統(tǒng)應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)組成驅(qū)動(dòng)程序底層硬件軟件組成（）嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計(jì)算平臺嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)可靠性要求高，故障帶來的后果比PC機(jī)大得多嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗、體積的要求嵌入式系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)3、特點(diǎn)：---嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別4、分類按實(shí)時(shí)性要求分：（軟件范疇）非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（PDA，PersonalDigitalAssistant個(gè)人數(shù)字助理）軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（消費(fèi)類產(chǎn)品）硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng):不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好；硬實(shí)時(shí)系統(tǒng):對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就可能會引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤，一般在工業(yè)控制中應(yīng)用較多。幾種最常見的RTOS（RealTimeOperationSystem）軟實(shí)時(shí)RTOS嵌入式LinuxWinCE硬實(shí)時(shí)RTOSVxWorksOSENuclear著名的openRTOSucOS/IIRTEMS自主知識產(chǎn)權(quán)的RTOSHOPENDeltaOS嵌入式處理器嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微控制器(MCU，即MicroControllerUnit

):又稱單片機(jī)，將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路里。常見的有80C51系列單片機(jī)等。嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP,即DigitalSignalProcessor）:專門用來對離散時(shí)間信號進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理的分析等領(lǐng)域，DSP正在大量進(jìn)入嵌入式市場。

嵌入式微處理器（MPU，即MicroProcessorUnit

）:它是專用的CPU,不同于通用計(jì)算機(jī)的CPU。在應(yīng)用中，一般是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關(guān)的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式處理器主要包括：ARM

、

PowerPC、Motorola68000系列等。ARM（AdvancedRISCMachines）：既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器70％以上的市場份額。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)開發(fā)公司。1.2.1

ARM簡介RISC的三個(gè)要素是：(1)一個(gè)有限的簡單的指令集；

(2)CPU配備大量的通用寄存器；

(3)強(qiáng)調(diào)對指令流水線的優(yōu)化。RISC的目標(biāo)：不是簡單地縮減指令系統(tǒng)。

而是使處理器的①結(jié)構(gòu)更簡單，

②具有更快的處理速度。RISCCPU一定是流水CPU，但流水CPU不一定是RISCCPU。例如:意法半導(dǎo)體公司:STM32F103TI公司(原LuminaryMicro公司)：LM3S811

ATMEL公司:ATSAM3UNXP公司（恩智浦半導(dǎo)體）公司:LPC1768

Cortex-M3內(nèi)核另外也提供基于ARM架構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，軟件工具,調(diào)試工具,應(yīng)用軟件,評估板,總線架構(gòu),外圍設(shè)備單元，等等。RealviewMDK集成開發(fā)環(huán)境:源自Keil公司（現(xiàn)在已經(jīng)被ARM公司收購），是ARM公司最新推出的，針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。它包括大家非常熟悉的uVision4集成開發(fā)環(huán)境和RealView編譯器。ARM合作伙伴

正中間是和ARM公司合作最緊密的公司，它們都是一些大的半導(dǎo)體公司，也是ARM公司最直接的客戶，比如ST、TI、IBM、OKI、MOTOROLA、SHARP、PHILIPS等等旁邊這四個(gè)角分別是技術(shù)共享計(jì)劃合作伙伴、開發(fā)工具合作伙伴、軟件應(yīng)用合作伙伴、操作系統(tǒng)合作伙伴。這是比較早期的一個(gè)圖片，很多公司都沒有出現(xiàn)在這上面，實(shí)際上ARM公司的合作伙伴類型和數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。S3C2410,S3C24401.2.2ARM分類ARM系列與ARM體系結(jié)構(gòu)對照表：ARM系列ARM體系結(jié)構(gòu)ARM7ARMv4T(ARMv4的改進(jìn)版)ARM9ARMv4T(ARMv4的改進(jìn)版)ARM9EARMv5ARM10EARMv5ARM11ARMv6ARMCortexARMv7注意：ARM7系列不是采用ARMv7的體系結(jié)構(gòu)，不要混淆！

ARM7和ARMv7，兩者不是一回事。1.2.4ARM與單片機(jī)的主要區(qū)別6.

體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜底層硬件應(yīng)用軟件底層硬件驅(qū)動(dòng)程序操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件ARM嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)上面的單片機(jī)：就是指通常說的單片機(jī)。上面的ARM：指可裝復(fù)雜操作系統(tǒng)的ARM,例如ARM9，CORTEX-A8單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系：單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的一類，某些嵌入式系統(tǒng)可是單片機(jī)，例如ARM-CortexM3是單片機(jī)。1.3ARMCortex系列微處理器1.3.1分類1.3.2優(yōu)勢1.3.3性能ARMCortex系列微處理器：分為A/R/M

三大系列，即Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M

三類。1.3.1分類Cortex-A：應(yīng)用(Application)處理器

系列，專門為復(fù)雜操作系統(tǒng)與使用者應(yīng)用所開發(fā)。（強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)用，建立在復(fù)雜操作系統(tǒng)上的應(yīng)用）Cortex-R:支持各種

實(shí)時(shí)（Realtime）系統(tǒng)的嵌入式處理器Cortex-M:針對微控制器（MCU）和低成本所設(shè)計(jì)的嵌入式處理器。正是由于其面向控制，其操作系統(tǒng)能力很弱，僅僅支持UCOS等簡易操作系統(tǒng)，和linux的簡化版uclinux等。1.3.2優(yōu)勢Cortex的優(yōu)勢應(yīng)該在于低功耗、低成本、高性能的結(jié)合。Cortex-M3簡寫作CM3Cortex-M3性能體系結(jié)構(gòu)ARMv7-M存儲結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)指令集面向C語言設(shè)計(jì)的Thumb-2指令集，最大限度降低匯編語言的使用流水線3級流水線+分支預(yù)測Dhrystone（整數(shù)運(yùn)算）1.25DMIPS/MHz功耗0.19mW/MHZ增強(qiáng)的指令單周期

(32x32)乘法和硬件除法（2-12個(gè)周期）。采用時(shí)鐘門控技術(shù)和內(nèi)置睡眠模式，適于低功耗的領(lǐng)域1.3.3性能SimplicityofCortex-M3versusARM7ASMCFilesARMThumbARMThumbLinkerARMARMThumbThumbARM7ObjectsCFilesLinkerThumb2Cortex-M3ObjectsCortex-M3designedtobefullyprogrammedinC:evenreset,interruptsandexceptions1.4STM32系列微控制器1.4.1STM32系列微控制器簡介1.4.2STM32F系列微控制器分類1.4.5STM32F103CB微控制器1.4.6STM32系列微控制器應(yīng)用1.4.3STM32F10x系列微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4.4STM32F10x系列微控制器存儲器組織STM32系列微控制器：是由意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）以ARMCortex?-M3為內(nèi)核開發(fā)生產(chǎn)的32位微控制器（單片機(jī)）。意法半導(dǎo)體（ST）集團(tuán)于1987年6月成立，是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導(dǎo)體公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSONMicroelectronics將公司名稱改為意法半導(dǎo)體有限公司（STMicroelectronics）。意法半導(dǎo)體有限公司(STMicroelectronics)是全球獨(dú)立的半導(dǎo)體公司，并成為各種微電子應(yīng)用系列開發(fā)和轉(zhuǎn)讓芯片級解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。1.4.1STM32系列微控制器簡介意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）32位微控制器（單片機(jī)）STM32系列微控制器：基于ARMCortex?-M3內(nèi)核。STM32F系列是STM32系列的基礎(chǔ),F：指通用類型。超值型系列STM32F100xx基本型系列STM32F101xxUSB基本型系列STM32F102xx增強(qiáng)型系列STM32F103xx互聯(lián)型系列STM32F105/107xx1.4.2STM32F系列微控制器分類STM32F系列包括五個(gè)產(chǎn)品線，滿足工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)電子市場的各種應(yīng)用需求。（以下五個(gè)產(chǎn)品線之間引腳、外設(shè)和軟件兼容）：STM32F系列圖解1.4.3STM32F10x系列微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖●四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元：─Cortex?-M3內(nèi)核的DCode總線(D-bus)─系統(tǒng)總線(S-bus)─通用DMA1總線─通用DMA2總線●四個(gè)被動(dòng)單元─內(nèi)部SRAM─內(nèi)部閃存存儲器接口（FLITF:FLashInTerFace）─FSMC(Flexiblestaticmemorycontroller靈活的靜態(tài)存儲器控制器)─AHB到APBx的橋(AHB2APBx)，它連接所有的APB設(shè)備在小容量、中容量和大容量產(chǎn)品中，主系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：

ICode總線該總線將Cortex?-M3內(nèi)核的指令總線與閃存指令接口相連接。指令預(yù)取在此總線上完成。

DCode總線該總線將Cortex?-M3內(nèi)核的DCode總線與閃存存儲器的數(shù)據(jù)接口相連接(常量加載和調(diào)試訪問)。

系統(tǒng)總線此總線連接Cortex?-M3內(nèi)核的系統(tǒng)總線(外設(shè)總線)到總線矩陣DMA總線此總線將DMA的AHB主控接口與總線矩陣相聯(lián)。

總線矩陣包含4個(gè)驅(qū)動(dòng)部件(DCode總線、系統(tǒng)總線、DMA1總線和DMA2總線)和4個(gè)被動(dòng)部件(閃存存儲器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APBx橋)。AHB/APB橋(APB)兩個(gè)AHB/APB橋在AHB和2個(gè)APB總線間提供同步連接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如下：控制器運(yùn)算器并行輸入輸出并行輸入輸出內(nèi)部RAMROM定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷串行1.4.4STM32F10x系列微控制器存儲器組織4G字節(jié)的尋址空間，地址范圍：0x00000000----0xffffffff1.空間共分為8塊：block0～block7，每塊512M0x1fffffff2.

組成結(jié)構(gòu)外設(shè)寄存器組（PERIPHERALS）---包括輸入輸出端口數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)

程序存儲器(CODE)-----詳見stm