嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用緒論

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,STM32F10x,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用,嵌入式系統(tǒng)的基本概念,ARM,微處理器,ARM Cortex,系列,微處理器,STM32,系列,微處理器,1.1,1.2,1.3,1.4,,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,

2、5,、嵌入式操作系統(tǒng),,,手持的,MP3,1、定義,嵌入,到對象體系內(nèi)部的,專用,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為,嵌入式系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng),火星探測器,?,,,2,、組成,MPU,,電源,,模塊,時(shí)鐘,復(fù)位,Flash,RAM,ROM,USB,LCD,Keyboard,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

3、系統(tǒng)組成,驅(qū)動(dòng)程序,底層硬件,軟 件 組 成,（,）,?,,,組成：由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選）和用戶的應(yīng)用程序等部分組成。,,,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,，Personal Digital Assistant,個(gè)

4、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。,,?,,,5,、嵌入式操作系統(tǒng),1,、,uC/OS-II,,2,、,嵌入式,Linux,,,3,、,Windows CE,,4,、,VxWorks,,5,、,Nucleus,,?,,,幾種最常見的,RTOS,（,Real Time Operation System,）,軟實(shí)時(shí),RTO

5、S,,嵌入式,Linux,,Win CE,,,硬實(shí)時(shí),RTOS,,VxWorks,,OSE,,Nuclear,,,著名的,open RTOS,,ucOS,/II,,RTEMS,,,自主知識產(chǎn)權(quán)的,RTOS,,HOPEN,,Delta OS,,,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,Micro Controller Unit,,):,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,80,C51,系列單片機(jī)等,。,,嵌入式,數(shù)字信號處理器,（DSP,,即,Digital Signal P

6、rocessor,）:,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,Micro Processor Unit,,）: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,、,Motorola 68000,系列等。,,,,,1.2 ARM,微處理

7、器,1.2,.2 ARM,分類,1.2,.1,,ARM,簡介,1.2,.3 ARM,體系結(jié)構(gòu) 的發(fā)展,1.2,.4 ARM,與單片機(jī)的主要區(qū)別,,,ARM,（,Advanced RISC Machines,）：,,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.

8、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,。,RISC CPU,一定,是,流水,CPU,，但流水,CPU,不一定是,RISC CPU,。,,,,,例如,:,意法半導(dǎo)體公司,: STM32F103,,TI,公司,

9、(,原,Luminary Micro,公司,),：,LM3S811,,,ATMEL,公司,: ATSAM3U,,NXP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,。,Realview MDK,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。,

10、,,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, S3C2440,1.2,.2 ARM,分類,?,,,1.2,.3 ARM,體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,5,、,ARMv5,體系結(jié)構(gòu),2,、,AR

11、Mv2,體系結(jié)構(gòu),3,、,ARMv3,體系結(jié)構(gòu),4,、,ARMv4,體系結(jié)構(gòu),:,1,、,ARMv1,體系結(jié)構(gòu),6,、,ARMv6,體系結(jié)構(gòu),7,、,ARMv7,體系結(jié)構(gòu),,,1.2,.3 ARM,體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,5,、,ARMv5,體系結(jié)構(gòu)：,提升了,ARM,和,Thumb,指令的交互工作能力。,2,、,ARMv2,體系結(jié)構(gòu),3,、,ARMv3,體系結(jié)構(gòu),4,、,ARMv4,體系結(jié)構(gòu)：,加入了半字存儲操作。,1,、,ARMv1,體系結(jié)構(gòu),6,、,ARMv6,體系結(jié)構(gòu)：,增加了媒體指令,7,、,ARMv7,體系結(jié)構(gòu)：定義了三種獨(dú)立的內(nèi)核,: A,（應(yīng)用領(lǐng)域）、,R,（實(shí)時(shí)領(lǐng)域）、,M,（控制

12、領(lǐng)域）,,,ARM,系列 與,ARM,體系結(jié)構(gòu) 對照表：,ARM,系列,ARM,體系結(jié)構(gòu),ARM7,ARMv,4T,(ARMv4,的改進(jìn)版,),ARM9,ARMv,4T,(ARMv4,的改進(jìn)版,),ARM9E,ARMv,5,ARM10E,ARMv,5,ARM11,ARMv6,ARM Cortex,ARMv7,,,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,.4 ARM,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)

13、,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-Cortex M3,是單片機(jī)。,,,1.3 ARM,Cortex,系列,微處理器,1.3.1,分類,1.3.2,優(yōu)勢,1.3.3,性能,,,ARM Cortex,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)

14、用,(,A,pplication),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)（,R,eal time,）系統(tǒng)的嵌入式處理器,Cortex-,M,:,針對,微控制器,（,M,CU,）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,CM3,,,Cortex-M

15、3,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）,1.25 DMIPS/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,,,Simplicity of Cortex-M3 versus ARM7,ASM,C Files,ARM,Thumb,ARM,Thumb,Linker,ARM

16、,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 簡介,1.4.2 STM32,F,系列微控制器 分類,1.4.5 STM32,F103CB,微控制器,1.4.6 STM32,系列微控制器 應(yīng)用,1.4.3 STM32,F10x,系列微

17、控制器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1.4.4 STM32,F10x,系列微控制器 存儲器組織,,,ST,M,32,系列微控制器：是由意法半導(dǎo)體公司（,ST,M,icroelectronics,）以,ARM,Cortex?-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,S,GS,微電子公司和法國,T,homson,半導(dǎo)體公司合并而成。,1998,年,5,月，,S,GS-,T,HOMSON Microelectronics,將公司名稱改為意法半導(dǎo)體有限公司（,ST,Microelectronics,）。,意法半導(dǎo)體有限公司,(S

18、TMicroelectronics),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。,1.4.1 STM32,系列微控制器 簡介,意法半導(dǎo)體公司（,ST,M,icroelectronics,）,32,位,微控制器（單片機(jī)）,,,STM32,系列微控制器：基于,ARM Cortex?-M3,內(nèi)核。,STM32,F,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,STM32F101xx,,USB,基本型系列,STM32F102xx,,增強(qiáng)型,系列,STM32F,103,xx,,互聯(lián)

19、型,系列,STM32F105/,107,xx,1.4.2 STM32,F,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,?,,,1.4.3 STM32,F10x,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（,FL,

20、ITF,:,FL,ash,I,n,T,er,F,ace,）,,─,FSMC (,F,lexible,s,tatic,m,emory,c,ontroller,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

21、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,(

22、,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,RAM,ROM,定時(shí)計(jì)數(shù)器,中斷,串行,,,1.4.4 STM32,F10x,系列微控制器 存儲器組織,4G,字節(jié)的尋址空間，地址范圍：,0x0000 0000----0xffff ffff,1.,空間,共分為,8,塊,：,block0,～,block7,，每塊,512M,0x1fff ffff,,,2.,,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),---

23、--,詳見,stm32,的數(shù)據(jù)手冊,,,APB1,APB2,AHB,0x4001 0000,0x4002 0000,0x4000 0000,,,3.,數(shù)據(jù)存儲器格式,以,小端格式,(,Little End,),存放在存儲器中,?,(,一個(gè)字里的最低地址字節(jié)被認(rèn)為是該字的最低有效字節(jié)，而最高地址字節(jié)是最高有效字節(jié)。,),,,1.4.5 STM32,F103CB,微控制器,,,STM32,系列微控制器,,本身就是一個(gè)高級單片機(jī)，∴它不可怕。,編程：進(jìn)行,STM32,的編程，與單片機(jī)不同，它有一個(gè)固件庫。所謂固件庫，實(shí)際上就是一大堆用,C,語言所寫的標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)（接口,----,與底層硬件的接口,）

24、，我們寫程序的時(shí)候只要去調(diào)用它，即可實(shí)現(xiàn)對底層硬件的操作。用,C,語言，取代匯編語言對底層硬件進(jìn)行操作。,實(shí)際上，固件庫就是一個(gè)程序模板，利用該模板，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，即可快速地得到所用的程序,。該固件庫使得用戶在沒有深入學(xué)習(xí)外圍模塊規(guī)格手冊的情況下，也能夠使用任何在用戶應(yīng)用中涉及到的設(shè)備。因此，使用該固件庫可以節(jié)省您的許多時(shí)間，讓您有更多的時(shí)間花費(fèi)在編程方面，從而減少了在應(yīng)用開發(fā)中的綜合開銷。,?,,,1.4.6 STM32,系列微控制器 應(yīng)用,用于汽車控制系統(tǒng),,,-----,汽車控制系統(tǒng)解析,,,STM32,系列微控制器 各類應(yīng)用,,,作業(yè)：,1,、,簡述嵌入式系統(tǒng)、,ARM,微處理器、,ARM Cortex,系列微處理器、,STM32,系列微處理器之間的關(guān)系。,2,、總結(jié)本章所學(xué)的知識 和 學(xué)習(xí)體會。,,,