嵌入式系統(tǒng)課件第1章

1、嵌入式系統(tǒng)原理v課程教學(xué)內(nèi)容：(嵌入式系統(tǒng)原理及接口技術(shù))v1，緒論 介紹嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用、開(kāi)發(fā)環(huán)境；v2，體系結(jié)構(gòu) 介紹ARM9體系結(jié)構(gòu)；v3，匯編語(yǔ)言 介紹ARM9匯編指令系統(tǒng)，啟動(dòng)程序；v4，存儲(chǔ)器接口 介紹存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)技術(shù)；v5，中斷機(jī)制 介紹中斷控制機(jī)制級(jí)編程；v6，I/O接口 介紹通用I/O接口技術(shù)；v7，定時(shí)/計(jì)數(shù)器 介紹定時(shí)器原理及控制；v8，通信接口 介紹RS-232、I2C總線。v實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：v1，ADS1.2開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用；（20分）v2，系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)程序?qū)W習(xí)并設(shè)計(jì)；（20分）v3，定時(shí)器程序?qū)W習(xí)并設(shè)計(jì)（含中斷）； （30分）v4，通信程序的學(xué)習(xí)并設(shè)計(jì)；（30分

2、）v課程考試要求： v1，平時(shí)實(shí)驗(yàn)交實(shí)驗(yàn)報(bào)告100分，占總成績(jī)的30；v2，期終開(kāi)卷筆試100分，占總成績(jī)的70。第一章 緒論本章學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求1. 了解什么是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式計(jì)算的特點(diǎn)；2. 了解嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)的發(fā)展；3. 描述嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及前景；4. 描述嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境；5. 了解并掌握ADS1.2開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用。1.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 什么是嵌入式系統(tǒng)，目前對(duì)嵌入式系統(tǒng)有多種定義。 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)定義是：嵌入式計(jì)算系統(tǒng)是嵌入在其他設(shè)備中，起智能控制作用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 目前流行的嵌入式系統(tǒng)定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪

3、，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)（圖）計(jì)算技術(shù)及計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段計(jì)算模式的發(fā)展階段計(jì)算機(jī)的發(fā)展主機(jī)計(jì)算模式大型計(jì)算機(jī)中型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī),工作站臺(tái)式PC機(jī)個(gè)人計(jì)算模式筆記本電腦計(jì)算機(jī)+網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算模式普適計(jì)算模式嵌入式系統(tǒng),移動(dòng)通信計(jì)算模式發(fā)展階段v計(jì)算模式的發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展而發(fā)展。計(jì)算模式的發(fā)展可以歸納為四個(gè)階段：主機(jī)計(jì)算模式、個(gè)人計(jì)算模式、分布式計(jì)算模式、普適計(jì)算模式。圖為美國(guó)于20世紀(jì)50年代生產(chǎn)的IBM704型采用電子管的第一代電子計(jì)算機(jī)1.1.1 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的發(fā)展（續(xù)）v微處理器的出現(xiàn)已有很長(zhǎng)時(shí)間了，傳統(tǒng)的嵌入式

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)起源于二十世紀(jì)七十年代初，但是嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息技術(shù)（IT）產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生強(qiáng)有力的影響還只是近幾年的事。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法已不能滿足快速、高效地設(shè)計(jì)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的要求。（續(xù)）v根據(jù)摩爾定律，微處理器飛速發(fā)展的結(jié)果是嵌入式計(jì)算成為一門學(xué)科 。在嵌入式系統(tǒng)的早期階段，所有基本硬件構(gòu)件相對(duì)較小也較簡(jiǎn)單，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶體管等，其軟件子系統(tǒng)是采用一體化的監(jiān)控程序，不存在操作系統(tǒng)平臺(tái)。而今天組成嵌入式系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)件已較復(fù)雜，如：16位、32位CPU或特殊功能的微處理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜

5、性成倍增長(zhǎng)。因此研究嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及技術(shù)，提供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)工具是嵌入式計(jì)算學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)。（圖）v各發(fā)展階段典型的嵌入式CPU（續(xù)）v目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到幾個(gè)GB，處理速度從0.1 MIPS到2000 MIPS。根據(jù)不同的應(yīng)用狀況，嵌入式處理器可以分成下面幾類： v1、嵌入式微處理器 v2、嵌入式微控制器 v3、嵌入式DSP處理器 v4、嵌入式片上系統(tǒng)SOC 1.1.2 嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)的發(fā)展（續(xù)）v嵌入式系統(tǒng)的軟件部分包括系統(tǒng)軟件（既嵌入式操作系統(tǒng)）和應(yīng)用軟件，通

6、常設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起，作為一個(gè)有機(jī)的整體存在。嵌入式系統(tǒng)軟件的要求與臺(tái)式通用計(jì)算機(jī)有所不同，其特點(diǎn)主要有： v 軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)；v 軟件代碼要求高效率、高可靠性；v 系統(tǒng)軟件(OS)有較高的實(shí)時(shí)性要求。 （續(xù)）比較著名和流行的嵌入式操作系統(tǒng)有： v Windows CE；v VxWorks；v 嵌入式Linux；1.2 嵌入式計(jì)算的特點(diǎn)v嵌入式系統(tǒng)是以微處理器為核心的，嵌入在其他設(shè)備中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它設(shè)計(jì)中所面臨的問(wèn)題有許多是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所面臨的共性問(wèn)題。但由于嵌入式系統(tǒng)并不是獨(dú)立的，它與所嵌入的設(shè)備緊密關(guān)聯(lián)，因此，與通用臺(tái)式計(jì)算機(jī)比較而言，它的設(shè)計(jì)還是具有許多特殊性。

7、 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求v嵌入式計(jì)算技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)源于基礎(chǔ)技術(shù)的迅猛發(fā)展及用戶需求的不斷提高。在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的功能性對(duì)于通用臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是非常重要的，但是，與通用臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比較，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有其許多特殊的要求，主要體現(xiàn)在以下幾方面： v1、實(shí)時(shí)性 v2、功耗 v3、低成本 v4、環(huán)境相關(guān)性 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題v外部約束是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遇到困難的一個(gè)重要來(lái)源。下面是所面臨的主要問(wèn)題：v（1）需要多少硬件 在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)不僅需考慮選擇何種CPU，同樣需考慮存儲(chǔ)器容量、I/O設(shè)備及其他外圍電路。 v（2）如何滿足實(shí)時(shí)性 單純用提高CPU速度的方法來(lái)使程序

8、運(yùn)行的速度加快從而解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題的方法是不可取的。應(yīng)精確設(shè)計(jì)程序以滿足實(shí)時(shí)性要求。 v（3）如何減少系統(tǒng)的功耗 降低嵌入式系統(tǒng)功耗的一種方法就是降低它的運(yùn)算速度。但是單純地降低運(yùn)算速度會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性能不滿足。 v（4）如何保證系統(tǒng)可升級(jí) v（5）系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜 v（6）開(kāi)發(fā)環(huán)境受限 1.3 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用信息家電v信息家電是指所有能提供信息服務(wù)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費(fèi)類電子產(chǎn)品。 v后PC時(shí)代，計(jì)算將無(wú)處不在，家用電器將向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，電視機(jī)、冰箱、微波爐、電話等都將嵌入計(jì)算機(jī)，并通過(guò)家庭服務(wù)器與Internet連接，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)家電，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家電控制、遠(yuǎn)程教育等新功能。 移動(dòng)計(jì)

9、算設(shè)備v移動(dòng)計(jì)算設(shè)備包括智能手機(jī)、PDA、電子導(dǎo)航系統(tǒng)等。中國(guó)擁有世界上最大的手機(jī)用戶群，智能手機(jī)已向著具有強(qiáng)大計(jì)算功能的方向發(fā)展，而不僅僅只用于通信。在未來(lái)，新的移動(dòng)、手持式設(shè)備將會(huì)得到極大的發(fā)展，通過(guò)這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)人們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行互聯(lián)訪問(wèn)。 汽車電子v汽車電子包括：車載音響、車載電話、防盜系統(tǒng)等產(chǎn)品。還包括汽車儀表、導(dǎo)航系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(如空燃比控制、點(diǎn)火正時(shí)控制)、底盤控制器(如制動(dòng)防抱死控制、驅(qū)動(dòng)防滑控制、車輛穩(wěn)定性控制) 等技術(shù)含量高的產(chǎn)品。在將來(lái)，汽車將成為娛樂(lè)中心和移動(dòng)辦公中心，汽車電子的各組成部分將要建立在標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議基礎(chǔ)上。 工業(yè)控制v基于嵌入式微處理器的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備獲

10、得了迅速發(fā)展，目前已有大量8位、16位和32位嵌入式微處理器應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控等領(lǐng)域中。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端產(chǎn)品往往是8位單片機(jī)。但隨著技術(shù)的發(fā)展，32位和64位處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心。相對(duì)于其他領(lǐng)域，機(jī)電產(chǎn)品可以說(shuō)是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中最典型、最廣泛的領(lǐng)域之一。從最初的51系列等單片機(jī)到現(xiàn)在的工控機(jī)、SOC等，在各種機(jī)電產(chǎn)品中占有巨大的市場(chǎng)。 1.4 嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)板圖v各種基于ARM的開(kāi)發(fā)板目標(biāo)系統(tǒng)及生成目標(biāo)v在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)調(diào)試中，需要了解下面兩個(gè)概念：v（1）目標(biāo)系統(tǒng)（target system） 指應(yīng)用程序所運(yùn)行的嵌入式

11、環(huán)境，可以是實(shí)際的、基于ARM的硬件系統(tǒng)，也可以是在臺(tái)式PC主機(jī)上的ARM仿真運(yùn)行環(huán)境。v（2）生成目標(biāo)（build target） 指的是用于生成特定目標(biāo)文件的生成選項(xiàng)以及所用的所有文件的集合。生成選項(xiàng)包括匯編選項(xiàng)、編譯選項(xiàng)、連接選項(xiàng)和連接后處理選項(xiàng)等。通常一個(gè)生成目標(biāo)對(duì)應(yīng)著一個(gè)目標(biāo)文件。例如，ARM提供的可執(zhí)行映像文件的模板包括了下面3個(gè)生成目標(biāo)。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介v CodeWarrior for ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是ADS1.2（ARM Developer Suite）開(kāi)發(fā)工具套件中的一個(gè)重要組成部分，是ARM公司推出的、針對(duì)基于ARM系列芯片開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用的開(kāi)發(fā)工具。宿主機(jī)（

12、運(yùn)行調(diào)試工具軟件）通信信道目標(biāo)機(jī)（內(nèi)嵌的調(diào)試部件）（續(xù)）vCodeWarrior for ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的主要功能是：v（1）以工程項(xiàng)目的方式來(lái)管理源代碼文件、庫(kù)文件以及其他文件。v（2）內(nèi)含一個(gè)源代碼編輯器。在此編輯器中可以進(jìn)行ARM匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言等的源程序編輯。v（3）可進(jìn)行各種生成選項(xiàng)設(shè)置，以生成不同配置的映像文件。v（4）在文本文件中進(jìn)行字符串的搜索和替換。v（5）文本文件比較功能。v（6）用戶還可以根據(jù)自己的愛(ài)好設(shè)置集成環(huán)境的特色界面。 （續(xù)）vCodeWarrior for ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中是采樣工程項(xiàng)目來(lái)管理應(yīng)用程序的源文件、庫(kù)文件、頭文件以及其他的輸入文件，這些文件可

13、以按照某種邏輯關(guān)系進(jìn)行分組。一個(gè)工程項(xiàng)目中至少包含一個(gè)生成目標(biāo)，每個(gè)生成目標(biāo)定義了一組選項(xiàng)，用于生成特定的目標(biāo)文件。 圖1-1（續(xù)）v如圖1-1所示，F(xiàn)iles選項(xiàng)卡中包含了該工程項(xiàng)目中所包含的文件。這些文件可以根據(jù)一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行分組，如：scr組，init組，int組，startup組，uhal組等。對(duì)于不包含在當(dāng)前生成目標(biāo)中的文件，在Files選項(xiàng)卡中也列舉出來(lái)了。 vLink Oeder選項(xiàng)卡，其中包含了在當(dāng)前生成目標(biāo)中的所有輸入文件。這一點(diǎn)與Files選項(xiàng)卡不同，F(xiàn)iles選項(xiàng)卡包含了當(dāng)前工程項(xiàng)目中的所有輸入文件，而不僅是包含在當(dāng)前生成目標(biāo)中的文件。Link Oeder選項(xiàng)卡主要用

14、來(lái)控制各輸入文件在鏈接時(shí)順序。默認(rèn)情況下，Link Oeder選項(xiàng)卡中各輸入文件的排列順序與Files選項(xiàng)卡中各文件的排列順序是相同的。（續(xù)）vTarget選項(xiàng)卡如圖1-3所示。Target選項(xiàng)卡中列舉了一個(gè)工程項(xiàng)目中的生成目標(biāo)以及它們之間的相互依存關(guān)系。在圖1-3的Target選項(xiàng)卡中包含了下面2個(gè)生成目標(biāo)。vReleasevDebug圖1-3新建工程項(xiàng)目v新建一個(gè)工程項(xiàng)目的步驟如下：v選擇菜單File下的New子菜單，打開(kāi)其對(duì)話框，如圖1-4所示。此對(duì)話框中有3個(gè)選項(xiàng)卡，即Project選項(xiàng)卡、File選項(xiàng)卡、Object選項(xiàng)卡。 圖1-4配置生成目標(biāo) v對(duì)于一個(gè)工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，我們可以建立

15、其多個(gè)生成目標(biāo)。不同的生成目標(biāo)其生成選項(xiàng)可以互不相同，這些選項(xiàng)包括編譯器選項(xiàng)、匯編器選項(xiàng)和連接器選項(xiàng)等，它們決定了CodeWarrior IDE如何處理本工程項(xiàng)目，以生成特定的輸出文件。 v在ADS1.2中，通過(guò)Debug Settings對(duì)話框來(lái)設(shè)置一個(gè)工程項(xiàng)目中各生成目標(biāo)的生成選項(xiàng)。 （續(xù)）v打開(kāi)Debug Settings對(duì)話框的操作步驟如下：v （1）打開(kāi)一個(gè)工程項(xiàng)目。v（2）在工程項(xiàng)目窗口中打開(kāi)生成目標(biāo)選擇下拉列表框，選擇一個(gè)生成目標(biāo)。v （3）通過(guò)下面的操作彈出Debug Settings對(duì)話框，如圖所示。v在工程項(xiàng)目窗口中單擊Target Settings按鈕。v選擇Edit菜單中的Debug Settings子菜單。v在Target Settings Panels對(duì)話框中包括下面6個(gè)面板，用戶可以選擇某個(gè)面板設(shè)置相關(guān)的生成選項(xiàng)。這些選項(xiàng)作用于工程項(xiàng)目中當(dāng)前生成目標(biāo)。 （續(xù)）v生成目標(biāo)的基本選項(xiàng)用于設(shè)置當(dāng)前生成目標(biāo)的一些基本信息