嵌入式系统原理与应用绪论

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,STM32F10x,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,嵌入式系统原理与应用,嵌入式系统的基本概念,ARM,微处理器,ARM Cortex,系列,微处理器,STM32,系列,微处理器,1.1,1.2,1.3,1.4,第一章绪论,1.1,嵌入式系统的基本概念,1、定义,2,、组成,3,、特点,4、分类,嵌入式处理器,5,、嵌入式操作系统,手持的,MP3,1、定义,嵌入,到对象体系内部的,专用,计算机系统，称为,嵌入式系统,工业控制系统,火星探测器,2,、组成,MPU,电源,模块,时钟,复位,Flash,RAM,ROM,USB,LCD,Keyboard,外围电路,Other,外设,（,1,）嵌入式系统,硬件组成,嵌入式 微 处 理 器,（,2,）嵌入式系统,组成,一般有以下五个（四个）部分组成,嵌入式微处理器,外围硬件设备,硬件,软件,实现对其它设备的控制、监视、管理等功能,（驱动程序 ）,(,可选,),嵌入式操作系统,(,可选,),应用程序,操作系统,应用程序,嵌入式系统组成,驱动程序,底层硬件,软 件 组 成,（,）,组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选）和用户的应用程序等部分组成。,嵌入式系统一般是,专用,系统，而,PC,是通用计算平台,嵌入式系统的,资源,比,PC,少得多,嵌入式系统,可靠性,要求高，故障带来的后果比,PC,机大得多,嵌入式系统大都有,成本,、,功耗、体积,的要求,嵌入式系统一般采用,实时,操作系统,3,、特点：,-,嵌入式系统与,PC,之间的区别,4、分类,按,实时性,要求分：,（软件范畴）,非实时系统（,PDA,，Personal Digital Assistant,個人數字助理,）,软实时系统（消费类产品）,硬实时系统（工业和军工系统）,两种类型的实时系统,软实时系统:,不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；,硬实时系统:,对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。,5,、嵌入式操作系统,1,、,uC/OS-II,2,、,嵌入式,Linux,3,、,Windows CE,4,、,VxWorks,5,、,Nucleus,几种最常见的,RTOS,（,Real Time Operation System,）,软实时,RTOS,嵌入式,Linux,Win CE,硬实时,RTOS,VxWorks,OSE,Nuclear,著名的,open RTOS,ucOS,/II,RTEMS,自主知识产权的,RTOS,HOPEN,Delta OS,嵌入式处理器,嵌入式处理器可以分为三类：,嵌入式,微控制器,(MCU,，即,Micro Controller Unit,):,又称单片机，将,CPU,、,存储器（少量的,RAM,、,ROM,或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有,80,C51,系列单片机等,。,嵌入式,数字信号处理器,（DSP,即,Digital Signal Processor,）:,专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、,FFT,、,谱分析、图像处理的分析等领域，,DSP,正在大量进入嵌入式市场。,嵌入式,微处理器（,MPU,，,即,Micro Processor Unit,）:它是专用的,CPU,不同于,通用计算机的,CPU,。,在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：,ARM,、,PowerPC,、,Motorola 68000,系列等。,1.2 ARM,微处理器,1.2,.2 ARM,分类,1.2,.1,ARM,简介,1.2,.3 ARM,体系结构 的发展,1.2,.4 ARM,与单片机的主要区别,ARM,（,Advanced RISC Machines,）：,既可以认为是一个,公司,的,名字,，,也可以认为是对,一类,微处理器,的,通称,，,还可以认为是一种,技术,的,名字,。,1991,年,ARM,公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，基于,ARM,技术的微处理器应用约占据了,32,位,RISC,微处理器,70,以上的市场份额。,ARM,公司是专门从事基于,RISC,技术,的芯片设计开发公司。,1.2,.1,ARM,简介,RISC,的三个要素是：,(1),一个,有限的,简单的,指令集,；,(2) CPU,配备,大量的,通用,寄存器,；,(3),强调对,指令流水线,的,优化,。,RISC,的目标,：,不是简单地 缩减指令系统。 而是使处理器的,结构,更,简单,， 具有,更快,的处理,速度,。,RISC CPU,一定,是,流水,CPU,，但流水,CPU,不一定是,RISC CPU,。,例如,:,意法半导体公司,: STM32F103,TI,公司,(,原,Luminary Micro,公司,),：,LM3S811,ATMEL,公司,: ATSAM3U,NXP公司（恩智浦半导体）,公司,: LPC1768,Cortex-M3,内,核,另外也提供基于ARM架构的开发设计技术,，软件工具, 调试工具,应用软件, 评估板, 总线架构, 外围设备单元，等等,。,Realview MDK,集成开发环境,:,源自,Keil,公司,（现在已经被,ARM,公司收购），,是,ARM,公司最新推出的，针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。它包括大家非常熟悉的,uVision4,集成开发环境,和,RealView,编译器。,ARM,合作伙伴,正中间,是和,ARM,公司合作最紧密的公司，它们都是一些大的半导体公司，也是,ARM,公司最直接的客户，比如,ST,、,TI,、,IBM、OKI、MOTOROLA、SHARP、PHILIPS,等等,旁边这四个角,分别是技术共享计划合作伙伴、开发工具合作伙伴、软件应用合作伙伴、操作系统合作伙伴。这是比较早期的一个图片，很多公司都没有出现在这上面，实际上,ARM,公司的合作伙伴类型和数量都远远不止这些。,S3C2410, S3C2440,1.2,.2 ARM,分类,1.2,.3 ARM,体系结构的发展,5,、,ARMv5,体系结构,2,、,ARMv2,体系结构,3,、,ARMv3,体系结构,4,、,ARMv4,体系结构,:,1,、,ARMv1,体系结构,6,、,ARMv6,体系结构,7,、,ARMv7,体系结构,1.2,.3 ARM,体系结构的发展,5,、,ARMv5,体系结构：,提升了,ARM,和,Thumb,指令的交互工作能力。,2,、,ARMv2,体系结构,3,、,ARMv3,体系结构,4,、,ARMv4,体系结构：,加入了半字存储操作。,1,、,ARMv1,体系结构,6,、,ARMv6,体系结构：,增加了媒体指令,7,、,ARMv7,体系结构：定义了三种独立的内核,: A,（应用领域）、,R,（实时领域）、,M,（控制领域）,ARM,系列 与,ARM,体系结构 对照表：,ARM,系列,ARM,体系结构,ARM7,ARMv,4T,(ARMv4,的改进版,),ARM9,ARMv,4T,(ARMv4,的改进版,),ARM9E,ARMv,5,ARM10E,ARMv,5,ARM11,ARMv6,ARM Cortex,ARMv7,注意：,ARM7,系列不是采用,ARMv7,的体系结构，不要混淆！,ARM7,和,ARMv7,，两者不是一回事。,1.2,.4 ARM,与单片机的主要区别,6.,体系结构复杂,底层硬件,应用软件,底层硬件,驱动程序,操作系统,应用软件,ARM,嵌入式系统,单片机,上面的单片机：就是指通常说的单片机。,上面的,ARM,：指可装复杂操作系统的,ARM,例如,ARM9,，,CORTEX-A8,单片机和 嵌入式系统的关系：,单片机是嵌入式系统的一类，,某些嵌入式系统可是单片机，例如,ARM-Cortex M3,是单片机。,1.3 ARM,Cortex,系列,微处理器,1.3.1,分类,1.3.2,优势,1.3.3,性能,ARM Cortex,系列 微处理器：,分为,A,/,R,/,M,三大系列,，即,Cortex-A,、,Cortex-R,、,Cortex-M,三类。,1.3.1,分类,Cortex-,A,：,应用,(,A,pplication),处理器,系列，专门为,复杂,操作系统与使用者应用所开发。（强调的是应用，建立在复杂操作系统上的应用）,Cortex-,R,:,支持各种,实时（,R,eal time,）系统的嵌入式处理器,Cortex-,M,:,针对,微控制器,（,M,CU,）和低成本所设计的嵌入式处理器。正是由于其面向控制，,其操作系统能力很弱，,仅仅支持,UCOS,等简易操作系统，和,linux,的简化版,uclinux,等。,1.3.2,优势,Cortex,的优势应该在于,低功耗,、,低成本,、,高性能,的结合。,Cortex-M3,简写作,CM3,Cortex-M3,性能,体系结构,ARMv7-M,存储结构,哈佛结构,指令集,面向,C,语言设计的,Thumb-2,指令集，最大限度降低汇编语言的使用,流水线,3,级流水线,+,分支预测,Dhrystone,（整数运算）,1.25 DMIPS/MHz,功耗,0.19mW,/,MHZ,增强的指令,单周期,(32x32),乘法,和,硬件,除法,（,2-12,个周期）。,采用,时钟门控技术,和内置,睡眠模式,，适于低功耗的领域,1.3.3,性能,Simplicity of Cortex-M3 versus ARM7,ASM,C Files,ARM,Thumb,ARM,Thumb,Linker,ARM,ARM,Thumb,Thumb,ARM7 Objects,C Files,Linker,Thumb2,Cortex-M3 Objects,Cortex-M3 designed to be fully programmed in C: even reset, interrupts and exceptions,1.4,STM32,系列微控制器,1.4.1 STM32,系列微控制器 简介,1.4.2 STM32,F,系列微控制器 分类,1.4.5 STM32,F103CB,微控制器,1.4.6 STM32,系列微控制器 应用,1.4.3 STM32,F10x,系列微控制器 系统结构,1.4.4 STM32,F10x,系列微控制器 存储器组织,ST,M,32,系列微控制器：是由意法半导体公司（,ST,M,icroelectronics,）以,ARM,Cortex-M3,为内核开发生产的,32,位,微控制器（单片机）。,意法半导体（,ST,）集团于,1987,年,6,月成立，是由意大利的,S,GS,微电子公司和法国,T,homson,半导体公司合并而成。,1998,年,5,月，,S,GS-,T,HOMSON Microelectronics,将公司名称改为意法半导体有限公司（,ST,Microelectronics,）。,意法半导体有限公司,(STMicroelectronics),是全球独立的,半导体,公司，并成为各种,微电子,应用系列开发和转让芯片级解决方案的领导者。,1.4.1 STM32,系列微控制器 简介,意法半导体公司（,ST,M,icroelectronics,）,32,位,微控制器（单片机）,STM32,系列微控制器：基于,ARM Cortex-M3,内核。,STM32,F,系列是,STM32,系列的基础, F,：指,通用,类型。,超值型系列,STM32F100xx,基本型系列,STM32F101xx,USB,基本型系列,STM32F102xx,增强型,系列,STM32F,103,xx,互联型,系列,STM32F105/,107,xx,1.4.2 STM32,F,系列微控制器 分类,STM32F,系列包括,五个产品线,，满足工业、医疗和消费电子市场的各种应用需求。（ 以下五个产品线之间引脚、外设和软件兼容）：,STM32F,系列 图解,1.4.3 STM32,F10x,系列微控制器 系统结构,系统结构图, 四个驱动单元：,Cortex-M3,内核的,DCode,总线,(D-bus),系统总线,(S-bus),通用,DMA1,总线, 通用,DMA2,总线,四个被动单元, 内部,SRAM,内部闪存存储器接口（,FL,ITF,:,FL,ash,I,n,T,er,F,ace,）,FSMC (,F,lexible,s,tatic,m,emory,c,ontroller,灵活的静态存储器控制器,), AHB,到,APBx,的桥,(AHB2APBx),，它连接所有的,APB,设备,在小容量、中容量和 大容量产品中，主系统由以下部分构成：,ICode,总线,该总线将,Cortex-M3,内核的,指令总线,与,闪存指令接口,相连接。,指令预取,在此总线上完成。,DCode,总线,该总线将,Cortex-M3,内核的,DCode,总线,与,闪存,存储器的,数据接口,相连接,(,常量加载和调试访问,),。,系统总线,此总线连接,Cortex-M3,内核的,系统总线,(,外设总线,),到,总线矩阵,DMA,总线,此总线将,DMA,的,AHB,主控接口,与,总线矩阵,相联。,总线矩阵,包含,4,个驱动部件,(,DCode,总线、系统总线、,DMA1,总线和,DMA2,总线,),和,4,个被动部件,(,闪存存储器接口,(FLITF),、,SRAM,、,FSMC,和,AHB2APBx,桥,),。,AHB/APB,桥,(APB),两个,AHB/APB,桥在,AHB,和,2,个,APB,总线,间提供同步连接。,APB1,操作速度限于,36MHz,，,APB2,操作于全速,(,最高,72MHz),。,MCS-51,单片机 内部逻辑结构 如下：,控制器,运算器,并行输入输出,并行输入输出,内部,RAM,ROM,定时计数器,中断,串行,1.4.4 STM32,F10x,系列微控制器 存储器组织,4G,字节的寻址空间，地址范围：,0x0000 0000-0xffff ffff,1.,空间,共分为,8,块,：,block0,block7,，每块,512M,0x1fff ffff,2.,组成结构,外设寄存器组,（,PERIPHERALS,）,-,包括输入输出端口,数据存储器,(SRAM),程序存储器,(CODE),-,详见,stm32,的数据手册,APB1,APB2,AHB,0x4001 0000,0x4002 0000,0x4000 0000,3.,数据存储器格式,以,小端格式,(,Little End,),存放在存储器中,(,一个字里的最低地址字节被认为是该字的最低有效字节，而最高地址字节是最高有效字节。,),1.4.5 STM32,F103CB,微控制器,STM32,系列微控制器,本身就是一个高级单片机，它不可怕。,编程：进行,STM32,的编程，与单片机不同，它有一个固件库。所谓固件库，实际上就是一大堆用,C,语言所写的标准的函数（接口,-,与底层硬件的接口,），我们写程序的时候只要去调用它，即可实现对底层硬件的操作。用,C,语言，取代汇编语言对底层硬件进行操作。,实际上，固件库就是一个程序模板，利用该模板，在此基础上进行修改，即可快速地得到所用的程序,。该固件库使得用户在没有深入学习外围模块规格手册的情况下，也能够使用任何在用户应用中涉及到的设备。因此，使用该固件库可以节省您的许多时间，让您有更多的时间花费在编程方面，从而减少了在应用开发中的综合开销。,1.4.6 STM32,系列微控制器 应用,用于汽车控制系统,-,汽车控制系统解析,STM32,系列微控制器 各类应用,作业：,1,、,简述嵌入式系统、,ARM,微处理器、,ARM Cortex,系列微处理器、,STM32,系列微处理器之间的关系。,2,、总结本章所学的知识 和 学习体会。,