嵌入式01绪论

嵌入式系统设计主讲：薛峙Email：[e-mail]：15320332899使用教材及主要参考书参考教材ARMCortex-M3权威指南，宋岩译，北京航空航天大学出版社，2009.7月（ARM-M3硬件内核的体系结构与工作原理）ARM嵌入式系统基础教程(第2版)，周立功，北京航空航天大学出版社，2008.9（基于ARM7/9、包括嵌入式操作系统软件的完整教材）ARM体系结构与程序设计,熊茂华,清华大学（基于ARM7/9的程序设计）嵌入式系统原理与接口技术，张学武，电子工业出版社，2013.8（涉及M3的硬件结构、基于外设函数库的接口原理和编程）STM32自学日记，蒙博宇，北京航空航天出版社STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器开发与应用，喻金钱，喻斌，清华大学出版社，2011.4月（基于M3外设函数库的接口程序设计）课程教学安排课程性质：限选教学总学时：48其中，理论：40学时，实践：8学时学分：3考试方式考试方式：笔试；成绩构成：卷面成绩：70%平时成绩：30%：考勤、作业课程内容的选择基于80X86的PC机；接口概念、译码电路、M接口；主体内容：I/O接口：硬件结构与工作原理、汇编编程：中断系统、定时器、并行、串行、DMA、人机交互接口；8位单片机：51系列、Holtek；32位微处理器：ARM；了解：16位嵌入式系统的市场地位？课程主要内容嵌入式系统的概念；系统工程设计模式；微处理器ARM硬件结构、指令系统；汇编编程、C编程、混合编程；IDE开发环境；中断处理机制；嵌入式操作系统与程序设计；嵌入式硬件系统：STM32系列：MPU、M、I/O接口；接口及应用编程、实例；课程基本特点硬件：ARM+外围电路；软件：嵌入式操作系统+应用程序；编程工具：C或C++、汇编；32位嵌入式系统的应用领域、移植性1、ARM型号和硬件系统结构、指令系统；2、操作系统与应用程序的紧密结合；实验环境：ARM型号和硬件系统类型、操作系统类型；第1章绪论嵌入式系统原理与接口技术1.1嵌入式系统概述什么是嵌入式系统？嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求，软硬件资源可以高度定制和裁剪的专用计算机系统。•嵌入式系统是专用计算机系统，因此必须要有处理器，具备计算机系统的基本特征。•嵌入式系统的功能是有严格要求并按照指定的应用而设计的。嵌入式系统原理与接口技术91.1嵌入式系统概述嵌入式系统有哪些特点？嵌入式系统具有特定功能，用于特定的任务•嵌入式系统功能不断发展丰富，但是仍然有所侧重。嵌入式系统原理与接口技术101.1嵌入式系统概述嵌入式系统更为关注成本•举例说明并讨论有哪些控制成本的方法。•探讨联发科的成功案例。•右图为曾经引起轰动的75元•的手机，分析为何这款手机能够•做到那么低的价格？嵌入式系统原理与接口技术111.1嵌入式系统概述嵌入式系统一般都有功耗要求•移动设备、便携设备嵌入式系统通常有实时性的要求•汽车电子、工业电子嵌入式系统的软件通常使用固态化存储嵌入式系统的软硬件可靠性要求更高嵌入式系统相关产品具有较长的生命周期嵌入式系统原理与接口技术12嵌入式系统由哪几部分组成？嵌入式系统的核心部分由硬件部分和软件部分组成。•硬件部分主要包括嵌入式处理器、存储器、输入/输出设备等。其中嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，它将许多通用处理器需要外接辅助设备的功能使用芯片内部的资源完成，因此在使用上可以根据应用的不同而进行功能上的组合和裁剪，同时也具有更高的效率和可靠性能。•软件部分主要包括操作系统和应用程序。1.1嵌入式系统概述嵌入式系统原理与接口技术13嵌入式系统的历史及现状嵌入式系统起源于微型机时代，真正发展则是在微处理器问世之后。目前嵌入式系统开发应用需求越来越大，使嵌入式系统成为继PC和Internet之后IT技术的最大热点，构成嵌入式系统的主流趋势是32位嵌入式微处理器加实时多任务操作系统。1.1嵌入式系统概述嵌入式系统原理与接口技术14嵌入式系统的发展趋势结合嵌入式产品的发展现状，我们不难得出嵌入式系统未来的发展趋势。•嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。•网络化、信息化的要求随着因特网技术成熟、带宽增加而日益提高，使得以往单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂。•精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。•提供友好的多媒体人机界面。1.1嵌入式系统概述嵌入式系统原理与接口技术15处理器体系结构处理器体系结构包含以下两类：•冯·诺依曼结构。其内部程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的。通用CPU采用这种结构。•哈佛结构。它是一种将程序和数据存储在不同存储器中的结构，取指令和执行可以重叠运行，从而使数据吞吐率大大提升。大部分嵌入式处理器采用这种结构。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术16冯·诺依曼结构冯·诺依曼结构（VonNeumann）也称普林斯顿结构（PrincetonArchitecture），是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，由于取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐量低，但是管理同一存储器需要的总线数量少。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术17哈佛结构哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储器中，每个独立的存储器独立编址，独立访问。该结构在片内设置了与两个存储器相对应的程序总线和数据总线，取指令和执行能重叠运行，故数据的吞吐率提高了一倍。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术18改进的哈佛结构当一条指令同时取两个操作数，在流水线处理时，同时还有一个取指操作，如果程序和数据通过一条总线访问，取指和取数必会产生冲突，而这对大运算量循环的执行效率很不利。改进的哈佛结构，它具有以下特点：•允许数据存放在程序存储器中，并被算数运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。•指令存储在高速缓冲器中，当执行此指令时不需要再从存储器中读取指令，节约一个指令周期，大大提高了运行速度。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术19CISC指令集与RISC指令集指令强弱是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。指令集可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两部分。•CISC是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的晶片设计体系。x86架构就是属于CISC体系的。•RISC是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系。ARM体系结构则是属于RISC体系。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术20CISC指令集CISC具有大量的指令，因此CISC体系的优缺点也很明显。有以下优点：•具有丰富的指令系统，简化了程序设计的难度。•CISC中不要求指令长度统一，可以节省存储空间。•CISC指令可直接对存储器操作，所需通用寄存器数目较少。CISC优点很多，但是缺点也不少。•由于指令系统庞大，导致设计成本较高。•指令操作复杂、执行周期长、速度低。•许多指令使用频率低，降低了性价比。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术21RISC指令集RISC尽量简化计算机的指令功能，从而降低硬件执行指令的复杂度，它具有以下优势：•精简指令系统的设计适合大规模集成电路的实现。•相比CISC而言，RISC系统具有更快的运行速度。•RISC处理器设计简单，耗时少。•直接支持高级语言，简化编译程序的设计。RISC也具有一些缺陷。•由于指令少，增加了机器语言程序的长度，从而占用了较大的存储空间。•指令简单，处理器的性能依赖于编译器的效率。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术22x86指令集x86指令集是Intel为其第一块16位CPU专门开发的，后来的计算机为提高浮点数据处理能力而开发了x87指令，以后就将它们统称为x86指令集。除具备CISC的诸多特性外，还有以下缺点：•通用寄存器组——对CPU内核结构的影响。•解码——对CPU外核的影响。•寻址范围小——约束了用户需要。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术23ARM指令集以RISC为架构体系的ARM指令集指令格式统一，种类比较少，寻址方式少，处理速度快。除具备RISC的诸多特性之外，还有以下特点：•体积小，低功耗，低成本，高性能。•支持Thumb/ARM双指令集，兼容8位/16位器件。•大量使用寄存器，指令执行速度更快。•大多数数据操作都在寄存器中完成。•寻址方式灵活简单，执行效率高。•指令长度固定。•流水线处理方式。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术24嵌入式处理器的分类目前市面上的嵌入式处理器种类繁多，但总体而言可以分为以下四类：•嵌入式微控制器。•嵌入式微处理器。•嵌入式DSP处理器。•嵌入式片上系统。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术25嵌入式微控制器嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）就是我们俗称的单片机。其最大的特点就是单片化，芯片内部一般继承了总线、总线逻辑、Flash、RAM、定时/计数器等必要的处理器外设，一般情况下只需要在外围加上时钟、电源等极少的电路就可以构成一个嵌入式系统。由于需要的外围元件较少，采用单片机构成的系统通常具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低的优势。典型代表是51系列单片机。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术26嵌入式微处理器嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用计算机中的CPU演变而来的，一般位数都在32位以上，具有较高的性能。与通用计算机处理器不同的是在实际嵌入式系统的应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能部件，除去其他冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求。典型代表是ARM处理器。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术27嵌入式DSP处理器嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）是专门用于信号处理的处理器，DSP对系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，具有很高的编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT等方面DSP算法正大量进入嵌入式领域，在语音合成和编解码器中得到了广泛应用。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术28嵌入式片上系统嵌入式片上系统（SystemonChip，SOC）是目前嵌入式应用领域最热门的方向之一。SOC最大的特点就是成功实现了软、硬件的无缝结合，可以直接在片内嵌入操作系统的代码模块。SOC具有极高的综合性，能够使用硬件描述语言或者高级语言来实现一个复杂的系统。由于其绝大部分构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统体积和功耗，而且提高了系统的可靠性。1.2嵌入式处理器嵌入式系统原理与接口技术29嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议等。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。常用的嵌入式操作系统如下：•C/OS•嵌入式Linux•WindowsCE、WindowsMobile、WindowsPhone•VxWorks1.3嵌入式操作系统嵌入式系统原理与接口技术30C/OSC/OS和C/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪及占先式的实时多任务操作系统。具有以下特点：•公开源代码。•可移植性：源码使用C语言编写，方便移植。•可固化。•可裁剪性：可根据需要减少所需的硬件资源要求。•占先式：系统总是运行优先级最高的任务。•多任务：最多可以管理64个任务。•可确定性