嵌入式原理及应用第三版

64 位
Cortex-A8 Cortex-A7 ARM 11 Cortex-A5 Cortex-R7 Cortex-R5 ARM 9 Cortex-M3 ARM 7 2003 Cortex-M1 Cortex-M0 Cortex-R4 Cortex-M4 32 位 ARM 专家处理器 (SecurCore)
第一章 嵌入式系统概论
• • • • • • • 1.1 嵌入式系统概述 1.2 嵌入式处理器 1.3 嵌入式系统的组成 1.4 嵌入式操作系统 1.5 嵌入式系统的设计方法 1.6 嵌入式系统的软件设计 1.7嵌入式系统开发与调试工具
1.1 嵌入式系统概述
1.1.1 嵌入式系统的概念 通常，计算机连同一些常规的外设是作为独 立的系统而存在，并非为某一方面的专门应 用而存在的。例如一台PC机就是一个计算机 系统，整个系统存在的目的就是为人们提供 一台可编程、会计算、能处理数据的机器。 可以用它作为科学计算的工具，也可以用它 作为企业管理的工具。人们把这样的计算机 系统称为通用计算机系统。但是有些系统却
• 习，主要是相关的基本硬件知识，如嵌入 式处理器及接口电路（Flash/ SRAM/SDRAM /Cache, UART，Timer, GPIO, Watchdog、USB、IIC、RTC， Ethernet...）等硬件知识，至少掌握一种嵌 入式处理器的体系结构；至少了解一种操 作系统（中断，优先级，任务间通信，同 步...）。对于应用编程，要掌握C、C++及 汇编语言程序设计（至少会C），对处理器 的体系结构、组织结构、指令系统、编程
• 床，过程控制，数据采集与处理）、办公 自动化（通用计算机中的智能接口）、电 网安全与电网设备检测、商业应用（电子 秤，POS机，条码识别机）、安全防范 （防火、防盗、防泄漏等报警系统）、网 络通信（路由器、网关、手机、PDA等、 无线传感器网络）、汽车电子与航空航天 （汽车防盗报警器、汽车和飞行器黑匣子、 导航仪以及飞行控制器等）以及军事领域 等各个领域。如图1.1所示。
MMU/Cache
硬 件
Timer/RTC CAN 以太网 DMA UART和IrDA
Flash E2PROM 内 SRAM 存 SDRAM
输 入 输 出 接 口
看门狗及 复位电路
人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标
•
图1.2 典型嵌入式系统的组成
• 1.3.1 嵌入式系统的硬件 • 从实际应用角度来看，典型的嵌入式硬件 系统如图1.3所示。嵌入式系统硬件包括嵌 入式最小系统（嵌入式处理器、存储模块、 复位模块、电源模块以及调试接口）、输 入通道（数字输入、模拟输入）、输出通 道（数字输出、模拟输出）、人机交互通 道（键盘、显示器）以及通信互连通道组 成（各种通信接口）。
• 1.1.2 嵌入式系统的特点 • 由于嵌入式系统是一种特殊形式的专用计 算机系统，因此同计算机系统一样，嵌入 式系统由硬件和软件构成。与以PC机为代 表的通用计算机系统比较，嵌入式系统是 由定义中的三个基本要素衍生出来的，不 同的嵌入式系统其特点会有所差异，其主 要特点概括如下： • 1.嵌入式系统是专用的计算机系统
嵌入式系统原理及应用第三版
第一章 嵌入式系统概论（第三版） 第二章 嵌入式处理器（第三版） 第三章 嵌入式系统程序设计（第三版） 第四章 嵌入式最小系统设计（第三版） 第五章 数字输入输出接口原理及其应用（第三版） 第六章 定时计数器组件及其应用（第三版） 第七章 模拟输入输出接口原理及其应用（第三版） 第八章 互连通信接口设计（第三版）
航空航天领域 飞行导航控制
军事国防领域 军事电子
工业领域
消费电子领域
工控设备
信息家电 智能玩具
工业过程控制
嵌入式系统的 应用领域
智能仪表
通信设备
汽车电子
网络设备
传感器网络 网络领域
电子商务
移动存贮
• 图 1.1 嵌入式系统的应用领域 • 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它 们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动
• 节将从嵌入式系统所涉及的基础知识讲起， 从硬件到软件逐步深入，从内部结构到外 围接口，从指令系统到程序设计，直到嵌 入式系统的设计。 • 1.2 嵌入式处理器 • 1.2.1 嵌入式处理器种类 • 嵌入式处理器主要有四类： • 1.嵌入式微处理器 • 2.嵌入式微控制器
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3. 嵌入式数字信号处理器 4．嵌入式片上系统 1.2.2 ARM嵌入式处理器简介 英国ARM(Advanced RISC Machines)Limited公司成立于1990年， ARM是公司的名称，但作为嵌入式处理器 的杰出代表，ARM已成为嵌入式处理器的 代名词了。目前，ARM架构处理器已在高 性能、低功耗、低成本应用领域中占据领 先地位。
• 不是这样的。例如，电视机顶盒、POS机、 飞机黑匣子、汽车导航仪，包括智能手环、 智能手机等等也各是一个系统，这里面都 有计算机，但是这种计算机是作为某个专 用系统中的一个部件而存在的。像这样嵌 入到专用系统中的计算机，称之为嵌入式 计算机。所谓将计算机嵌入到系统中，一 般并不是指直接把一台通用计算机原封不 动地安装到目标系统中，也不只是简单地 把原有的机壳拆掉并安装到机壳中，而是
• ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权 IP供应商。它为ARM架构处理器提供了 ARM处理器内核(如ARM7、ARM9、 ARM11以及ARM Cortex－A、Cortex－M 和Cortex－R等)。 • ARM公司把ARM处理器分为经典ARM处理 器、ARM Cortex嵌入式处理器、ARM Cortex实时嵌入式处理器、ARM Cortex应 用处理器、以及专家处理器四大类，如图 1.1所示。
嵌入式最小系统 数字量 I/O 接口 隔离电路 调试 接口 时钟 模块 模拟输出 通用 设备
输入通道（前向通道） 嵌入式处理器 模拟量 模拟输入 内部存储器 存储模块 显示器 人机交互通道 键 盘 供电 模块 复位 模块 通信接口 相互互连通道 外部存储器 器 隔离电路 开关量 伺服驱动控制
输出通道 （后向通道）
•
图1.3 典型嵌入式系统硬件组成
• 不同应用场合选择不同的嵌入式处理器， 不同嵌入式处理器内置硬件组件有所不同， 内置外设的接口也有差异，因此，嵌入式 系统的硬件要根据实际应用选择或裁剪， 以最少成本满足应用系统的要求。 • 1.3.2 嵌入式系统的软件 • 嵌入式系统的软件包括设备驱动层、嵌入 式操作系统（如果需要嵌入式操作系统的 话）、应用程序接口API层以及实际用户应 用程序层。对于简单的嵌入式系统，可以 没有
• 指为目标系统量身定制的计算机，再把它 有机地植入，融入目标系统。 • 1. 嵌入式系统的定义 • （1）IEEE（国际电气和电子工程师协会） 的定义 • （2） 国内公认的较全面的定义 • （3） 简单定义 • 2. 嵌入式系统的三个要素
• 嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系 统的三个基本要素。 • 3. 嵌入式技术 • 4. 嵌入式产品 • 5. 嵌入式 • 6. 嵌入式产业 • 7. 嵌入式系统开发工具 • 8. 嵌入式系统开发平台
• 2.嵌入式系统对环境的要求 • 3.嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要 求的计算机系统 • 4.嵌入式系统集计算机技术与各行业于一体 的集成系统 • 5.嵌入式系统具有较长的生命周期 • 6.嵌入式系统的软件固体在非易失性存储器 中 • 7.嵌入式系统的实时性要求
• 8.嵌入式系统需专用开发环境和开发工具进 行设计 • 1.1.3 嵌入式系统的发展 • 20世纪60年代末期，随着微电子技术的发 展，嵌入式计算机开始逐步兴起。随着计 算机技术、通信技术、电子技术一体化进 程不断加剧，目前嵌入式技术已成为广大 技术人员的研究热点。 • 1．嵌入式系统发展的四个阶段
• 发应用是非常重要的。 • 技术基础决定了一个人学习知识、掌握技 能的能力。嵌入式技术融合具体应用系统 技术、嵌入式处理器技术、系统芯片SoC设 计制造技术、应用电子技术和嵌入式操作 系统及应用软件技术，具有极高的系统集 成性，可以满足不断增长的信息处理技术 对嵌入式系统设计的要求。 • 因此学习嵌入式系统首先是基础知识的学
• 模式、对应用编程要有一定的了解。在此 基础上必须在实际工程实践中掌握一定的 实际项目开发技能。 • 其次对于嵌入式系统的学习，必须要有一 个较好的嵌入式系统开发平台和开发环境。 功能全面的开发平台一方面为学习提供了 良好的开发环境，另一方面开发平台本身 也是一般的典型实际应用系统。一般开发 平台上商家已经提供了一些基础例程和典 型实际应用例程，对于初学者和进行实际
• （1）8位/16位单片机为核心的初级嵌入式 系统 • （2）以32位嵌入式微控制器为基础的中级 嵌入式系统 • （3）以嵌入式操作系统为标志的中高级嵌 入式系统 • （4）以Internet为标志的高级嵌入式系统 • 2．嵌入式系统的发展趋势 • （1）联网成为必然趋势
• （2）支持小型电子设备实现小尺寸、微功 耗和低成本 • （3）提供精巧的多媒体人机界面 • 1.1.4 嵌入式系统的应用 • 嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是 现代计算机技术改造传统产业、提升许多 领域技术水平的有力工具。主要应用领域 包括产品智能化（智能仪表、智能和信息 家电）、工业自动化（测控装置，数控机
功 能 性 能
经典 ARM 处理器 (ARM n)
ARM Cortex 嵌入式 处理器 (Cortex-M)
ARM Cortex 实时嵌入式 处理器 (Cortex-R) Cortex-A15 Cortex-A9
Cortex-A73 ARM Cortex Cortex-A72 应用处理器 (Cortex-A) Cortex-A57 Cortex-A53 Cortex-A35(32/64 ) Cortex-A32(32 位) Cortex-M7
• 工程应用也是非常有参考价值的，可以从 典型范例入手，先调通示例，再做自己的 应用程序。 • 嵌入式操作系统也是嵌入式系统学习重要 的一部分，在有嵌入式操作系统的环境下， 在此基础上可以方便的进行各种设备驱动 应用程序开发。 • 因此本教材就是本着学好嵌入式系统及其 应用为目的来组织教学内容的，下面的章
SC300 （基于 M3) 300 SC100(基于 M0) SC000(基于 ARM7TDMI) 推出时间 2013 2015
2005
2009
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图 1.1 ARM处理器内核应用分类
• 经典ARM处理器包括传统的ARM7、ARM9、 ARM10和ARM11等，这些ARM内核已经在 ARM公司主页上找不到了，已经全面转向 基于ARM Corttex内核的处理器，这是ARM 的发展方向。因此本书不再以经典ARM （如ARM7和ARM9等）内核为主线，而是 以流行的ARM Cortex系列最为常用的ARM Cortex-M（如M0或M3、M4）为例介绍嵌 入式系统的应用。
• 洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统 应用的例子。嵌入式系统广泛的适应能力 和多样性，使得视听、工作场所甚至健身 设备中到处都有嵌入式系统的影子。 因此 可以说嵌入式系统无处不在。 • 1.1.5 嵌入式系统的学习方法 • 既然嵌入式系统的应用如此广泛，对于计 算机专业、电子信息专业、自动化专业以 及机电一体化等专业学生以及需要掌握嵌 入式技术的人员，学习嵌入式系统及其开
• 1.3 嵌入式系统的组成 • 嵌入式系统既然是一种专用的计算机应用 系统，当然应该包括嵌入式系统的硬件和 软件两大部分，由于嵌入式系统是一个应 用系统，因此还有应用中的执行机构，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等 功能。典型的嵌入式系统如图1.2所示。
执 行 机 构
驱动器1 驱动器2 驱动器3 „„ 驱动器n 被控对象
传感器1 传感器2 传感器3 „„ 传感器n
应用层 软 件
应用程序 文件系统/图形用户应用程序接口
OS层 中间层 电 源 管 理
实时操作系统（RTOS） 设备驱动程序、硬件抽象层HAL、板级支持包BSP SOC/SOPC GPIO I2C USB LCD ADC/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱAC DSP/浮点运算协处理器 FPGA/CPLD 处理器/ARM核