第1章 嵌入式系统原理与应用 绪论

物理与电子信息工程学院嵌入式系统原理与应用CollegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering王峰[e-mail]嵌入式系统的基本概念ARM微处理器ARMCortex系列微处理器STM32系列微处理器1.11.21.31.4第一章绪论STM32F10x1.1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STM32F10x手持的MP31、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STM32F10x2、组成MPU电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设（1）嵌入式系统硬件组成嵌入式微处理器STM32F10x（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STM32F10x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（）STM32F10x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STM32F10x4、分类按实时性要求分：（软件范畴）非实时系统（PDA，PersonalDigitalAssistant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）STM32F10x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。STM32F10x5、嵌入式操作系统1、uC/OS-II2、嵌入式Linux3、WindowsCE4、VxWorks5、NucleusSTM32F10x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MicroControllerUnit):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80C51系列单片机等。嵌入式数字信号处理器（DSP,即DigitalSignalProcessor）: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MicroProcessorUnit）: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、Motorola68000系列等。STM32F10xSTM32F10x1.2ARM微处理器1.2.2ARM分类1.2.1ARM简介1.2.3ARM体系结构的发展1.2.4ARM与单片机的主要区别STM32F10xARM（AdvancedRISCMachines）：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。1.2.1ARM简介STM32F10xARM公司有个非常大的特点，就是ARM公司是一个内核设计公司，是知识产权IP（IntellectualProperty）供应商，它本身既不生产具体的芯片，也不销售芯片，而是通过转让设计许可赚钱。也就是说ARM公司将它们设计的各种内核授权给全球各大半导体公司，再由半导体公司根据自己公司的产品定位，在内核的外围添加各种设计形成芯片产品。这一类以ARM为内核的芯片统称为ARM芯片。（所以说大家不要以为ARM芯片就是ARM公司生产的芯片，实际上它是由ARM公司提供内核，各半导体公司生产出来的芯片。）例如:三星公司:S3C44B0X飞利浦公司:LPC2104意法半导体公司:STR710FARM7TDMI内核STM32F10x例如:意法半导体公司:STM32F103TI公司(原LuminaryMicro公司)：LM3S811ATMEL公司:ATSAM3UNXP公司（恩智浦半导体）公司:LPC1768Cortex-M3内核STM32F10x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。RealviewMDK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。STM32F10xSTM32F10xSTM32F10xS3C2410,S3C24401.2.2ARM分类STM32F10x1.2.3ARM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STM32F10xARM系列与ARM体系结构对照表：ARM系列ARM体系结构ARM7ARMv4T(ARMv4的改进版)ARM9ARMv4T(ARMv4的改进版)ARM9EARMv5ARM10EARMv5ARM11ARMv6ARMCortexARMv7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。STM32F10x1.2.4ARM与单片机的主要区别STM32F10xSTM32F10xSTM32F10x6.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STM32F10x1.3ARMCortex系列微处理器1.3.1分类1.3.2优势1.3.3性能STM32F10xARMCortex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(Application)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（Realtime）系统的嵌入式处理器Cortex-M:针对微控制器（MCU）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。STM32F10x1.3.2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CM3STM32F10xCortex-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）1.25DMIPS/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STM32F10xSimplicityofCortex-M3versusARM7ASMCFilesARMThumbARMThumbLinkerARMARMThumbThumbARM7ObjectsCFilesLinkerThumb2Cortex-M3ObjectsCortex-M3designedtobefullyprogrammedinC:evenreset,interruptsandexceptionsSTM32F10xSTM32F10x1.4STM32系列微控制器1.4.1STM32系列微控制器简介1.4.2STM32F系列微控制器分类1.4.5STM32F103CB微控制器1.4.6STM32系列微控制器应用1.4.3STM32F10x系列微控制器系统结构1.4.4STM32F10x系列微控制器存储器组织STM32F10xSTM32系列微控制器：是由意法半导体公司（STMicroelectronics）以ARMCortex™-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SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSONMicroelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司（STMicroelectronics）。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。1.4.1STM32系列微控制器简介意法半导体公司（STMicroelectronics）32位微控制器（单片机）STM32F10xSTM32系列微控制器：基于ARMCortex™-M3内核。STM32F系列是STM32系列的基础,F：指通用类型。STM32F10x超值型系列STM32F100xx基本型系列STM32F101xxUSB基本型系列STM32F102xx增强型系列STM32F103xx互联型系列STM32F105/107xx1.4.2STM32F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）：STM32F10xSTM32F系列图解STM32F10x1.4.3STM32F10x系列微控制器系统结构系统结构图STM32F10x●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（FLITF:FLashInTerFace）─FSMC(Flexiblestaticmemorycontroller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：STM32F10x•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。STM32F10x•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)。STM32F10x1.4.4STM32F10x系列微控制器存储器组织4G