ARM嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)-第1章-嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述課件

第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用1.3嵌入式系統(tǒng)的總體組成1.4常用的嵌入式處理器1.5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1.6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)1.8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討習(xí)題1第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187或者直接輸入下面地址：2在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：http://www.shangfuwang第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述

本章概括地闡述了嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法等，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、發(fā)展應(yīng)用、總體組成、常用的嵌入式處理器、常用的嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討等內(nèi)容。

3第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1．1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)

1．1．1嵌入式系統(tǒng)的定義IEEE的定義：嵌入式系統(tǒng)是用來(lái)控制、監(jiān)控或者輔助操作機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。我國(guó)通常定義：嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）就是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)基本要素。具體地講，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，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)。41．1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)1．1．1

1．1．2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1．嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2．嵌入式系統(tǒng)須滿足系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的要求3．嵌入式系統(tǒng)需滿足對(duì)象系統(tǒng)的控制要求4．嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)集成應(yīng)用系統(tǒng)5．嵌入式系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的應(yīng)用生命周期6．嵌入式系統(tǒng)軟件固化在非易失性存儲(chǔ)器中7．多數(shù)嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性要求8．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需專用的開發(fā)環(huán)境和工具51．1．2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1．嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)1．2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用1．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個(gè)階段1）以單片機(jī)為核心的低級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能單一，處理效率不高，存儲(chǔ)容量較小，用戶接口簡(jiǎn)單或沒(méi)有用戶接口，但它使用簡(jiǎn)單，成本低廉。2）以嵌入式微處理器為基礎(chǔ)的初級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是處理器種類多，通用性較弱；系統(tǒng)效率高，成本低；操作系統(tǒng)具有兼容性、擴(kuò)展性，但用戶界面簡(jiǎn)單。3）以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的中級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同嵌入式處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且可任意裁剪；具有文件和目錄管理、多任務(wù)功能，支持網(wǎng)絡(luò)、具有圖形窗口以及良好的用戶界面；具有大量的應(yīng)用程序接口，嵌入式應(yīng)用軟件豐富。1．2．1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展61．2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用1．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展4）以Internet為標(biāo)志的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)大多孤立于Intemet，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，隨著信息家電的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用必將與Internet有機(jī)結(jié)合在一起，成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)?；?2位/64位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①芯片內(nèi)外資源豐富，硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單；②可運(yùn)行各種操作系統(tǒng)，降低了復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的難度；可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序開發(fā)難度降低，系統(tǒng)人機(jī)界面友好；③系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，控制精度高；④有成熟的開發(fā)工具，豐富的開發(fā)資源和資料；⑤32位/64位的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人群不斷增多，有助于降低企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)成本、保持開發(fā)的連續(xù)性。74）以Internet為標(biāo)志的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)72．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1）嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，硬件向集成化發(fā)展，軟件將逐漸PC化2）嵌入式系統(tǒng)的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、微功耗和低成本3）不斷改善人機(jī)交互的手段，提供精巧的多媒體人機(jī)界面4）云計(jì)算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)5）嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)可升級(jí)，代碼可復(fù)用將更受重視其中：云計(jì)算（Cloud）是將計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，這樣我們只需要一個(gè)終端，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的計(jì)算任務(wù)，甚至是超級(jí)計(jì)算任務(wù)。可重構(gòu)性是指在一個(gè)系統(tǒng)中，其硬件模塊或（和）軟件模塊均能根據(jù)變化的數(shù)據(jù)流或控制流對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或算法進(jìn)行重新配置（或重新設(shè)置）。虛擬化是指計(jì)算機(jī)軟件在一個(gè)虛擬的平臺(tái)上而不是一個(gè)真實(shí)的硬件上運(yùn)行。82．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)8嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、提升多領(lǐng)域技術(shù)水平的有力主具，可以說(shuō)嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能產(chǎn)品（智能儀表、智能和信息家電）、工業(yè)自動(dòng)化（測(cè)控裝置、數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)采集與處理）、辦公自動(dòng)化（通用計(jì)算機(jī)中的智能接口）、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備檢測(cè)、石油化工、商業(yè)應(yīng)用（電子秤，POS機(jī)，條碼識(shí)別機(jī)）、安全防范（防火、防盜、防泄漏等報(bào)警系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)通信（路由器、網(wǎng)關(guān)、手機(jī)、PDA、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、汽車電子與航空航天（汽車防盜報(bào)警器、汽車和飛行器黑匣子）以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域，如圖1．1所示。1．2．2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用9嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)圖1．1嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

10圖1．1嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域101．3嵌入式系統(tǒng)的總體組成圖1．2基于控制領(lǐng)域的典型嵌入式系統(tǒng)111．3嵌入式系統(tǒng)的總體組成圖1．2基于控制領(lǐng)域的典型1．3．1嵌入式系統(tǒng)的硬件圖1．3典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成121．3．1嵌入式系統(tǒng)的硬件圖1．3典型的嵌入式系統(tǒng)硬1．中間層程序中間層程序主要為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口，它包括硬件抽象層（HardwareAbstractionLayer，HAL）、板級(jí)支持包（BoardSupportPackage，BSP）以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。1）硬件抽象層硬件抽象層就是通過(guò)程序來(lái)控制處理器、I/O接口以及存儲(chǔ)器等所有硬件的操作，這樣使系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，提高了系統(tǒng)中的移植性。它包括相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置等操作。2）板級(jí)支持包板級(jí)支持包主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。BSP實(shí)現(xiàn)的功能主要有：①系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)硬件初始化；②為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件的手段，BootLoader便屬于此類。1．3．2嵌入式系統(tǒng)的軟件131．中間層程序1．3．2嵌入式系統(tǒng)的軟件133）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈榆浖峁┱{(diào)用的操作接口。驅(qū)動(dòng)程序除了實(shí)現(xiàn)本的功能函數(shù)外（初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等），還具備完善的錯(cuò)誤處理函數(shù)。2．嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，有了嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)程管理、進(jìn)程間的通信、內(nèi)存管理、文件管理、驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方可實(shí)現(xiàn)。3．應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件是在嵌入式操作系統(tǒng)支持下通過(guò)調(diào)用API函數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用編制的用戶軟件。如抄表系統(tǒng)的軟件、掌上信息查詢軟件等。143）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序14嵌入式微處理器（EmbeddedMicrocomputerUnit，EMPU）、嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMCU）嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）嵌入式可編程片上系統(tǒng)（SystemOnaProgrammableChip，SOPC)。1．4常用的嵌入式處理器1．4．1嵌入式處理器的種類15嵌入式微處理器（EmbeddedMicroco

1．嵌入式微處理器嵌入式微處理器是由PC中的CPU演變而來(lái)的，與通用PC的微處理器不同的是，它只保留了與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件。典型的EMPU有PowerPC、MIPS、MC68000、i386EX、AMDK62E以及ARM等，其中ARM是應(yīng)用最廣、最具代表性的嵌入式微處理器。2．嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，其內(nèi)部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)器、看門狗、I/O接口等各種必要的功能部件。典型的EMCU有51系列、MC68系列、PIC系列、MSP430系列等。3．嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是專門用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，因而具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。典型的EDSP有TMS32010系列、TMS32020系列等。161．嵌入式微處理器16

4．嵌入式片上系統(tǒng)SOC是一個(gè)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，它一般將一個(gè)完整的產(chǎn)品的各功能集成在一個(gè)芯片上或芯片組上，其中可能包括處理器CPU、存儲(chǔ)器、硬件加速單元、與外圍設(shè)備的接口I/F，模數(shù)混合放大電路，甚至延伸到傳感器、微機(jī)電和微光電單元。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器的片內(nèi)嵌入了操作系統(tǒng)。由于片上系統(tǒng)絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。5．嵌入式可編程片上系統(tǒng)可編程片上系統(tǒng)SOPC是一種基于FPGA的可重構(gòu)SOC，它集成了硬IP核或軟IP核CPU、DSP、存儲(chǔ)器、外圍I/O及可編程邏輯，是更加靈活、高效的SOC解決方案。SOC與SOPC的區(qū)別：SOC是專用集成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本高，SOPC是基于FPGA的可重構(gòu)SOC，是一種通用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低。174．嵌入式片上系統(tǒng)17英國(guó)ARM（AdvancedRISCMachines）公司成立于1990年。在1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生（在美國(guó)VLSI公司制造）。目前，ARM架構(gòu)處理器已在高性能、低功耗、低成本應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先地位。ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供了ARM處理器內(nèi)核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等）和ARM處理器宏核（ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等），由各半導(dǎo)體公司（ARM公司合作伙伴）在上述處理器內(nèi)核或處理器宏核基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種嵌入式微處理器（EMPU）或嵌入式微控制器（EMCU）。1．4．2典型ARM微處理器系列18英國(guó)ARM（AdvancedRISCMachiARM處理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E為4個(gè)通用嵌入式微處理器系列，每個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，有多個(gè)廠家生產(chǎn)；SecurCore系列則是專門為安全性要求較高的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的；StrongARM是Intel公司生產(chǎn)的用于便攜式通信產(chǎn)品和消費(fèi)電子產(chǎn)品的理想嵌入式微處理器，應(yīng)用于多家掌上電腦系列產(chǎn)品；Xscale是Intel公司推出的基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的全性能、高性價(jià)比、低功耗的嵌入式微處理器，應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Cortex-A8處理器是第一款基于下一代ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來(lái)更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?-2技術(shù)。19ARM處理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、AR圖1.4基于ARM核的典型嵌入式處理器系列20圖1.4基于ARM核的典型嵌入式處理器系列201．4．3典型ARM微處理器簡(jiǎn)介1．S3C44B0X微處理器簡(jiǎn)介S3C44B0X是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提高的高性價(jià)比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微處理器。它使用ARM7TDMI核，工作在75MHz。S3C44B0X采用0．25um制造工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器，它耗能低、精簡(jiǎn)及出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)非常適用于對(duì)成本和功耗要求較高的場(chǎng)合。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了若干部件，主要包括8KBCache（數(shù)據(jù)/指令）、內(nèi)部SRAM、外部?jī)?chǔ)存器控制器、LCD（LiquidCrystalDisplay）控制器、4個(gè)DMA通道、帶自動(dòng)握手的2通道UART、一個(gè)多主I2C（InterIntegrateCircuit）總線控制器、1個(gè)I2S（InterIntegrateCircuitSoundBus）總線控制器、5通道PWM定時(shí)器、一個(gè)看門狗定時(shí)器、71個(gè)通用I/O口、8個(gè)外部中斷源、具有日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、8通道10位A/D轉(zhuǎn)化器、1個(gè)SIO接口以及PLL（鎖相環(huán)）時(shí)鐘發(fā)生器。S3C44B0X采用新型的總線結(jié)構(gòu)，即三星ARMCPU嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)SAMBAII。211．4．3典型ARM微處理器簡(jiǎn)介212．S3C2410X/S3C2440X微處理器簡(jiǎn)介S3C2410X/S3C2440X是三星公司出品的基ARM920T核的嵌入式微處理器，它與基于ARM7的S3C44B0X的最大區(qū)別在于，S3C2410X/S3C2440X內(nèi)部帶有全性能的內(nèi)存管理單元（MMU），適用于設(shè)計(jì)移動(dòng)手持設(shè)備類產(chǎn)品，具有高性能、低功耗、接口豐富及體積小等優(yōu)良特性。S3C2410X/S3C2440X提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備：如雙重分離的16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存、MMU虛擬存儲(chǔ)器管理部件、LCD控制器、支持NAND的Flash系統(tǒng)引導(dǎo)、外部存儲(chǔ)控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時(shí)器、I/O端口、定時(shí)器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、觸摸屏接口、I2C總線接口、USB主機(jī)、USB設(shè)備、SD主卡及MMC卡接口、2通道SPI以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器。222．S3C2410X/S3C2440X微處理器簡(jiǎn)介23．LPC2000系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介L(zhǎng)PC2000系列嵌入式微控制器是基于ARM7TDMI-SCPU內(nèi)核的，它支持ARM和Thumb指令集，芯片內(nèi)集成豐富外設(shè)，而且具有非常低的功率消耗。該系列微控制特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)等場(chǎng)合。有關(guān)其系列產(chǎn)品的主要信息見表1．1。4．AT91系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介美國(guó)AtmelAT91系列微控制器是基于ARM7TDMI（有的基ARM920T）的嵌入式微處理器的16/32位微控制器，是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的ARM芯片之一。AT91系列微控制器定位在低功耗和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用領(lǐng)域，它們已成功應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、MP3/WMA播放器、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、BP機(jī)、POS機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、GPS和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)品中。AT91系列微控制器為工業(yè)級(jí)芯片，價(jià)格比較便宜?；贏RM技術(shù)的Atmel微控制器為AT91系列，其中有幾種類型，AT91RXXXX和AT91MXXXX（內(nèi)部帶有RAM，但沒(méi)有程序存儲(chǔ)器類型）、AT91RMXXXX（內(nèi)部帶有RAM，有ROM類型），AT91FRXXXX（內(nèi)部帶有RAM，有Flash程序存儲(chǔ)器類型）。233．LPC2000系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介235．XScale微體系結(jié)構(gòu)微處理器簡(jiǎn)介IntelXScale微體系結(jié)構(gòu)提供了一種全新的、高性價(jià)比、低功耗且基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP擴(kuò)充?；赬Scale技術(shù)開發(fā)的微處理器，可用于手機(jī)、便攜式終端（PDA）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備及骨干網(wǎng)（BackBone）路由器等。IntelPXA250微處理器芯片就是一款集成了32位IntelXScale微處理器核的應(yīng)用處理器。6．STR710F系列嵌入式處理器簡(jiǎn)介STR710F系列嵌入式處理器產(chǎn)品是意法半導(dǎo)體有限公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM7TDMI32位RISCCPU為內(nèi)核，特別適用于需要尺寸緊湊、CPU功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)和可升級(jí)的解決方案，如用戶界面要求高的系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化系統(tǒng)和銷售點(diǎn)（POS）應(yīng)用等。245．XScale微體系結(jié)構(gòu)微處理器簡(jiǎn)介24嵌入式操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)等活動(dòng)，它是嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率大大提高，系統(tǒng)開發(fā)的總工作量大大減少，并且極大地提高了嵌入式軟件的可移植性。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，嵌入式操作系統(tǒng)必須包含操作系統(tǒng)的一些最基本的功能，用戶可以通過(guò)API函數(shù)來(lái)使用操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)具有編碼體積小、面向應(yīng)用、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可移植性好、可靠性高以及專用性強(qiáng)等特點(diǎn)。1．5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1．5．1嵌入式操作系統(tǒng)及其特點(diǎn)25嵌入式操作系統(tǒng)（OperatingSystem，O

1．LinuxLinux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，它得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛好者LinusTorvalds。目前存在著許多不同的Linux，，但它們都使用了Linux內(nèi)核。Linux可安裝在各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中，從手機(jī)、平板電腦、路由器和視頻游戲控制臺(tái)，到臺(tái)式計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)。Linux是一個(gè)領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，世界上運(yùn)算最快的10臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的都是Linux操作系統(tǒng)。一些流行的主流Linux發(fā)行版，包括Debian（及其派生物Ubuntu），F(xiàn)edora和openSUSE等。2．μC/OS-IIμC/OS-II是一個(gè)可裁剪、源代碼開放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該操作系統(tǒng)支持多達(dá)64個(gè)任務(wù)，大部分嵌入式微處理器均支持μC/OS-II。1．5．2幾種常用嵌入式操作系統(tǒng)261．Linux1．5．2幾種常用嵌入式操作系統(tǒng)2

3．WindowsCEMicrosoftWindowsCE是Microsoft公司產(chǎn)品，是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。該操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核至少需要200KB的ROM。從游戲機(jī)到現(xiàn)在大部分的掌上電腦都采用了WindowsCE作為操作系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)軟件價(jià)格過(guò)高，影響整個(gè)產(chǎn)品的成本控制。4．VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高、精、尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。但大多數(shù)的VxWorksAPI是專用的，VxWorks的價(jià)格昂貴。273．WindowsCE275．pSOSpSOS是ISI公司研發(fā)的產(chǎn)品。pSOS是一個(gè)模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或商業(yè)的硬件上具有高性能和高可靠性。6．PalmOS3COM公司的PalmOS在掌上電腦和PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。在開發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows和Macintosh下安裝PalmPilotDesktop。7．QNXQNX是由加拿大QSSL公司開發(fā)的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)既能運(yùn)行于以IntelX86、Pentium等CPU為核心硬件環(huán)境下，也能運(yùn)行于以PowerPC、MIPS等CPU為核心的硬件環(huán)境。它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化、控制、機(jī)器人科學(xué)、電信、數(shù)據(jù)通信、航空航天、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器設(shè)備、交通運(yùn)輸、安全防衛(wèi)系統(tǒng)、POS機(jī)、零售機(jī)等任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用領(lǐng)域。285．pSOS288．蘋果iOSiOS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng)。它是以Darwin為基礎(chǔ)的，主要是給iPhone、iPodtouch以及iPad使用。原本這個(gè)系統(tǒng)名為iPhoneOS，直到2010年6月7日WWDC大會(huì)上宣布改名為iOS。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為四個(gè)層次：核心操作系統(tǒng)層、核心服務(wù)層、媒體層、可輕觸層。系統(tǒng)操作占用大概240MB的存儲(chǔ)器空間。9．AndroidAndroid是一種以Linux為基礎(chǔ)的開放源碼操作系統(tǒng)，主要使用于便攜設(shè)備。Android操作系統(tǒng)最初由AndyRubin開發(fā)，最初主要支持手機(jī)。2005年由Google收購(gòu)注資，并拉攏多家制造商組成開放手機(jī)聯(lián)盟開發(fā)改良，逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。2010年末數(shù)據(jù)顯示，僅正式推出兩年的操作系統(tǒng)的Android已經(jīng)超越稱霸十年的諾基亞Symbian系統(tǒng)，躍居全球最受歡迎的智能手機(jī)平臺(tái)。298．蘋果iOS29

1．6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1．嵌入式微處理器及操作系統(tǒng)的選擇嵌入式微處理器可謂多種多樣，品種繁多，而且都在一定領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)也有不少，如VxWorks、Linux，Nuc1ears、WindowsCE等，即使在一個(gè)公司之內(nèi)，也會(huì)同時(shí)使用好幾種處理器，甚至幾種嵌入式操作系統(tǒng)。2．開發(fā)工具的選擇目前用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)工具種類繁多，不僅各種操作系統(tǒng)有各自的開發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開發(fā)的不同階段也使用不同的開發(fā)工具。3．對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的觀察與控制要使系統(tǒng)能正常工作，軟件開發(fā)者必須要對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)具有完全的觀察和控制能力，如硬件的各種寄存器、內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)的信號(hào)量、消息隊(duì)列、任務(wù)、堆棧等。1．6．1嵌入式系統(tǒng)的總體考慮301．6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1．嵌1．6．2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖1．5嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程311．6．2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖1．5嵌入式系統(tǒng)設(shè)1．6．3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法圖1．6單片機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程比較321．6．3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法圖1．6單片機(jī)系統(tǒng)和圖1．7傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和嵌人式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的比較軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比有2個(gè)顯著的特點(diǎn)：①描述軟、硬件使用統(tǒng)一的表示形式；②硬、軟件劃分可以選擇多種方案，直到滿足要求。33圖1．7傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和嵌人式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般由三個(gè)部分組成：宿主機(jī)、調(diào)試仿真器和目標(biāo)機(jī)。其中宿主機(jī)用來(lái)完成源代碼編輯、編譯、顯示一部分運(yùn)行結(jié)果等，操作系統(tǒng)可以是UNIX、Linux和Windows等，硬件可以是PC和工作站等。目標(biāo)機(jī)就是用戶嵌入式程序的運(yùn)行環(huán)境，CPU可能是任何CPU，常用的有ARM、MIPS、PowerPC、DrangonBall等。操作系統(tǒng)常用的有Linux、μC/OS-II、WindowsCE、Vxworks、等，或者根本沒(méi)有操作系統(tǒng)。使用集成開發(fā)軟件開發(fā)基于ARM的應(yīng)用軟件，可以完成系統(tǒng)軟件的編輯、編譯、匯編和鏈接等工作；通過(guò)調(diào)試仿真器可以在PC上實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟件的調(diào)試；再使用燒寫軟件，將開發(fā)成功的應(yīng)用系統(tǒng)從宿主機(jī)向目標(biāo)機(jī)下載移植，從而完成整個(gè)開發(fā)過(guò)程。1．7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)1．7．1嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境34嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般由三個(gè)部分組成：宿主機(jī)、調(diào)試圖1．8嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試環(huán)境示意圖35圖1．8嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試環(huán)境示意圖351．指令集模擬器部分嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境提供了指令集模擬器，可方便用戶在PC上完成一部分簡(jiǎn)單的調(diào)試工作，但是由于指令集模擬器與真實(shí)的硬件環(huán)境相差很大，因此即使用戶是用指令集模擬器調(diào)試通過(guò)的程序也有可能無(wú)法在真實(shí)的硬件環(huán)境下運(yùn)行，用戶最終必須在硬件平臺(tái)上完成整個(gè)應(yīng)用的開發(fā)。2．駐留監(jiān)控軟件駐留監(jiān)控軟件（ResidentMonitors）是一段運(yùn)行在目標(biāo)板上的程序，集成開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試軟件通過(guò)以太網(wǎng)口、并行端口、串行端口等通信端口與駐留監(jiān)控軟件進(jìn)行交互，由調(diào)試軟件發(fā)布命令，通知駐留監(jiān)控軟件控制程序執(zhí)行、讀/寫儲(chǔ)存器、讀/寫寄存器和設(shè)置斷點(diǎn)等。駐留監(jiān)控軟件是一種比較低廉有效的調(diào)節(jié)方式，不需要任何其它的硬件調(diào)試和仿真設(shè)備。駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對(duì)硬件設(shè)備的要求比較高。1．7．2嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工具361．指令集模擬器1．7．2嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工具3

3．JTAG仿真器JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過(guò)ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與ARMCPU核通信，它無(wú)需目標(biāo)儲(chǔ)存器，不占用目標(biāo)端口的任何端口。另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行的仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問(wèn)題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配、電線長(zhǎng)度的限制等被最小化了。使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)節(jié)方式。4．在線仿真器在線仿真器使用仿真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調(diào)試功能。但這類仿真器為了能夠全速仿真時(shí)鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝，因而價(jià)格比較昂貴。在線仿真器常用在ARM的硬件開發(fā)中，在軟件的開發(fā)中使用較少，其價(jià)格昂貴也是在線仿真器難以普及的因素。373．JTAG仿真器371．非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用，主要是在一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中或在實(shí)時(shí)性要求非常高的系統(tǒng)中，許多時(shí)候用于代替原來(lái)8位/16位單片機(jī)的應(yīng)用。隨著32位單片機(jī)成本的不斷降低，其成本已與8位單片機(jī)相差無(wú)幾。因此，非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。2．操作系統(tǒng)非GUI層次的應(yīng)用操作系統(tǒng)非GUI層次的應(yīng)用，主要是指其應(yīng)用程序建立在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，是為了實(shí)現(xiàn)程序的多任務(wù)及實(shí)時(shí)性，此類應(yīng)用在人機(jī)交互方面沒(méi)有很高的要求，可選擇的操作系統(tǒng)有許多。3．操作系統(tǒng)GUI層次的應(yīng)用操作系統(tǒng)GUI層次的應(yīng)用，主要是為了方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能、網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)據(jù)庫(kù)功能以及其它更復(fù)雜的應(yīng)用。GUI層次的開發(fā)，除了借助于操作系統(tǒng)及GUI庫(kù)強(qiáng)大的功能，更重要的是可以讓程序開發(fā)人員把關(guān)注點(diǎn)集中在高層的目標(biāo)與任務(wù)的實(shí)現(xiàn)中，使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)更簡(jiǎn)單，讓開發(fā)速度及開發(fā)效率更高1．7．3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式381．非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用1．7．3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)

1．需要交叉編譯工具嵌入式系統(tǒng)采用的處理器一般與PC不同，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，功耗較低。由于嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)機(jī)上的資源較為有限（內(nèi)存外存容量小，顯示功能弱），直接在目標(biāo)機(jī)上開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用軟件幾乎不可能。因此，目標(biāo)機(jī)的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)需要放在高性能計(jì)算機(jī)上的集成開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行，由于PC的大量普及和使用，現(xiàn)在的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境也大多運(yùn)行在PC上。需要交叉編譯工具的另一個(gè)原因是嵌入式系統(tǒng)處理器芯片的指令系統(tǒng)與PC處理器芯片的指令系統(tǒng)不同。一般情況下，PC的處理器芯片是X86芯片，使用的指令系統(tǒng)是X86指令系統(tǒng)，而ARM9芯片運(yùn)行的是ARM指令系統(tǒng)，兩者有很大差別。因此，用ARMADS集成開發(fā)環(huán)境編寫的C語(yǔ)言程序需要經(jīng)過(guò)交叉編譯器才能生成運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的ARM9機(jī)器語(yǔ)言程序。1．7．4嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)391．需要交叉編譯工具1．7．4嵌入式應(yīng)用軟件的開2．通過(guò)仿真手段進(jìn)行調(diào)試目標(biāo)機(jī)執(zhí)行程序經(jīng)過(guò)交叉編譯后，還要經(jīng)過(guò)調(diào)試排錯(cuò)，確認(rèn)能夠正常運(yùn)行才能使用。那么如何進(jìn)行調(diào)試排錯(cuò)呢？顯然在目標(biāo)機(jī)上調(diào)試排錯(cuò)是非常困難的。原因是輸入輸出方式較少，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)顯示面積小，甚至沒(méi)有顯示屏，從而無(wú)法顯示調(diào)試信息；調(diào)試工具需要較大存儲(chǔ)空間，對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比較困難。但對(duì)于臺(tái)式機(jī)而言，這些條件很容易滿足。因此，通常的調(diào)試也是在PC上完成的，方式就是仿真調(diào)試。3．目標(biāo)機(jī)是最終的運(yùn)行環(huán)境對(duì)嵌入式應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，其開發(fā)、調(diào)試往往是在PC上完成的，但它最終的運(yùn)行環(huán)境是目標(biāo)機(jī)。嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)調(diào)試完成后，要下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，正確無(wú)誤運(yùn)行后才表示成功。如果不成功或需要進(jìn)一步完善，則需重新回到PC上運(yùn)行修改調(diào)試。402．通過(guò)仿真手段進(jìn)行調(diào)試404．執(zhí)行應(yīng)用程序的指令通常寫入操作系統(tǒng)在常用的嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用程序的啟動(dòng)執(zhí)行指令通常需要預(yù)先寫入操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度程序里，編輯在目標(biāo)程序中。因此，嵌入式應(yīng)用程序許與操作系統(tǒng)有一定聯(lián)系，開發(fā)者不僅要了解應(yīng)用程序，也要了解操作系統(tǒng)，知道如何讓一個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行。5．系統(tǒng)資源有限在進(jìn)行嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)時(shí)，就必須考慮可用資源問(wèn)題。以存儲(chǔ)容量為例，嵌入式系統(tǒng)的ROM容量一般只有幾兆字節(jié)，對(duì)目標(biāo)程序有嚴(yán)格的長(zhǎng)度限制，這樣程序員在編程時(shí)就必須考慮這個(gè)限制。6．控制特定部件在嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程中，程序員往往需要針對(duì)特定的部件做更加細(xì)致的編寫作業(yè)。414．執(zhí)行應(yīng)用程序的指令通常寫入操作系統(tǒng)41嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，就是利用嵌入式微處理器/微控制器內(nèi)部的特定資源和擴(kuò)展的外部資源，來(lái)設(shè)計(jì)和開發(fā)特定的目標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)于基于ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，初步具備從事ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的能力，作者認(rèn)為應(yīng)掌握ARM嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、Linux開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建、Linux操作系統(tǒng)的移植和開發(fā)工具的使用，ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)方法，包括嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、ARM處理器芯片的選擇、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與接口設(shè)計(jì)、嵌入式設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)的使用等內(nèi)容。同時(shí)應(yīng)熟悉與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的有關(guān)領(lǐng)域知識(shí)。增多，有助于降低企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)成本、保持開發(fā)的連續(xù)性。1．8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討1．8．1嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容42嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，就是利用嵌入式微處理器/微要學(xué)好嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用，首先必須掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)是進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)和開發(fā)的關(guān)鍵。技術(shù)基礎(chǔ)決定了一個(gè)人學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握技能的能力。其次，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，必須要有一個(gè)較好的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境。功能全面的開發(fā)平臺(tái)一方面為學(xué)習(xí)提供了良好的開發(fā)環(huán)境，另一方面開發(fā)平臺(tái)本身也是一般的典型實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。最后，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，必須要有一個(gè)較好的教師指導(dǎo)，并選用幾本好的教材，采用合適、有效的學(xué)習(xí)方法。嵌入式技術(shù)，內(nèi)容新穎，綜合性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。因此需要理論與實(shí)踐相結(jié)合，課內(nèi)與課外相結(jié)合，研究性學(xué)習(xí)與課題開發(fā)相結(jié)合。在具備嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能后，進(jìn)行課題的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)一個(gè)非常有效的方法。1．8．2嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)條件43要學(xué)好嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用，首先必須掌握嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)采用課堂教學(xué)與課后研究探討自學(xué)相結(jié)合，理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的方法，研究性教學(xué)與課題開發(fā)相結(jié)合。其中應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)踐則是熟悉和掌握嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用開發(fā)技巧的最好方法。利用ARM嵌入式系統(tǒng)開展本科生研究性教學(xué)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)先進(jìn)，社會(huì)急需，綜合性強(qiáng)，創(chuàng)新性強(qiáng)，成本低廉。為了描述基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)的研究背景、主要研究目標(biāo)、主要研究?jī)?nèi)容以及主要研究期望，圖1.9給出了基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)模型。1．8．3嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法44學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)采用課堂教學(xué)與課后研究探討自學(xué)相圖1.9基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)模型45圖1.9基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)模型451.利用ARM嵌入式系統(tǒng)開展研究性教學(xué)的研究?jī)?nèi)容（1）ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)基礎(chǔ)研究：主要包括ARM器件結(jié)構(gòu)；ARM匯編語(yǔ)言；C/C++語(yǔ)言；操作系統(tǒng)移植；應(yīng)用程序開發(fā)；驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論、基本方法、基本工具的學(xué)習(xí)與使用。（2）ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與生實(shí)現(xiàn)相關(guān)研究：主要是與課題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、工業(yè)智能控制、網(wǎng)絡(luò)通信控制、數(shù)字家電控制等基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)算法和系統(tǒng)仿真等研究，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)算法的設(shè)計(jì)、選擇和仿真。（3）基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析；ARM實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)；ARM操作系統(tǒng)移植；ARM應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；ARM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；ARM系統(tǒng)組裝與調(diào)試。461.利用ARM嵌入式系統(tǒng)開展研究性教學(xué)的研究?jī)?nèi)容2.基于ARM嵌入式系統(tǒng)開展研究性教學(xué)的主要形式基于ARM嵌入式系統(tǒng)開展研究性教學(xué)的主要形式，包括組建ARM嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)興趣小組、課題系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究小組和選撥教師科研項(xiàng)目助理等，通過(guò)專題訓(xùn)練、分散研究、定期討論、按需答疑、總結(jié)匯報(bào)等形式開展研究活動(dòng)。3.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)的主要成效（1）熟練掌握ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、基本方法、基本技巧、調(diào)試方法和調(diào)試技巧。（2）熟練掌握與ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)課題相關(guān)的基礎(chǔ)理論、基本方法、基本技巧。（3）全面提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力通過(guò)研究性學(xué)習(xí)訓(xùn)練的學(xué)生，不但具有良好的參考文獻(xiàn)查找能力、分析利用和文檔處理能力，同時(shí)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力大為提高，就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高，80%的學(xué)生畢業(yè)時(shí)均能找到從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的工作，并且工資待遇也相當(dāng)不錯(cuò)。472.基于ARM嵌入式系統(tǒng)開展研究性教學(xué)的主要形習(xí)題11．什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？2．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展階段及特點(diǎn)3．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。4．嵌入式系統(tǒng)有哪些組成部分？各部分的功能和作用是什么？5．簡(jiǎn)述嵌入式處理器的分類及各自的主要特點(diǎn)。6．寫出EMPU、EMCU、EDSP、SOC和SOPC的全稱，并解釋其含義。7．簡(jiǎn)述典型的嵌入式微處理器和微控制器的系列及應(yīng)用領(lǐng)域。8．簡(jiǎn)單分析幾種嵌入式操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，包括嵌入式Linux，WindowsCE，μC/OS-II及VxWorks。9．嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式有哪幾種？各有什么有缺點(diǎn)？10．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮哪些因素。11．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境的組成，解釋其中的基本概念。12．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法。13．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。14．簡(jiǎn)述嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)的特點(diǎn)。48習(xí)題148第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用1.3嵌入式系統(tǒng)的總體組成1.4常用的嵌入式處理器1.5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1.6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)1.8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討習(xí)題49第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187或者直接輸入下面地址：50在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：http://www.shangfuwang第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述

本章概括地闡述了嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法等，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、發(fā)展應(yīng)用、總體組成、常用的嵌入式處理器、常用的嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討等內(nèi)容。

51第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1．1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)

1．1．1嵌入式系統(tǒng)的定義IEEE的定義：嵌入式系統(tǒng)是用來(lái)控制、監(jiān)控或者輔助操作機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。我國(guó)通常定義：嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）就是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)基本要素。具體地講，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，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)。521．1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)1．1．1

1．1．2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1．嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2．嵌入式系統(tǒng)須滿足系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的要求3．嵌入式系統(tǒng)需滿足對(duì)象系統(tǒng)的控制要求4．嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)集成應(yīng)用系統(tǒng)5．嵌入式系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的應(yīng)用生命周期6．嵌入式系統(tǒng)軟件固化在非易失性存儲(chǔ)器中7．多數(shù)嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性要求8．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需專用的開發(fā)環(huán)境和工具531．1．2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1．嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)1．2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用1．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個(gè)階段1）以單片機(jī)為核心的低級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能單一，處理效率不高，存儲(chǔ)容量較小，用戶接口簡(jiǎn)單或沒(méi)有用戶接口，但它使用簡(jiǎn)單，成本低廉。2）以嵌入式微處理器為基礎(chǔ)的初級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是處理器種類多，通用性較弱；系統(tǒng)效率高，成本低；操作系統(tǒng)具有兼容性、擴(kuò)展性，但用戶界面簡(jiǎn)單。3）以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的中級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同嵌入式處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且可任意裁剪；具有文件和目錄管理、多任務(wù)功能，支持網(wǎng)絡(luò)、具有圖形窗口以及良好的用戶界面；具有大量的應(yīng)用程序接口，嵌入式應(yīng)用軟件豐富。1．2．1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展541．2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用1．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展4）以Internet為標(biāo)志的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)大多孤立于Intemet，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，隨著信息家電的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用必將與Internet有機(jī)結(jié)合在一起，成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)?；?2位/64位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①芯片內(nèi)外資源豐富，硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單；②可運(yùn)行各種操作系統(tǒng)，降低了復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的難度；可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序開發(fā)難度降低，系統(tǒng)人機(jī)界面友好；③系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，控制精度高；④有成熟的開發(fā)工具，豐富的開發(fā)資源和資料；⑤32位/64位的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人群不斷增多，有助于降低企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)成本、保持開發(fā)的連續(xù)性。554）以Internet為標(biāo)志的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)72．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1）嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，硬件向集成化發(fā)展，軟件將逐漸PC化2）嵌入式系統(tǒng)的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、微功耗和低成本3）不斷改善人機(jī)交互的手段，提供精巧的多媒體人機(jī)界面4）云計(jì)算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)5）嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)可升級(jí)，代碼可復(fù)用將更受重視其中：云計(jì)算（Cloud）是將計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，這樣我們只需要一個(gè)終端，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的計(jì)算任務(wù)，甚至是超級(jí)計(jì)算任務(wù)?？芍貥?gòu)性是指在一個(gè)系統(tǒng)中，其硬件模塊或（和）軟件模塊均能根據(jù)變化的數(shù)據(jù)流或控制流對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或算法進(jìn)行重新配置（或重新設(shè)置）。虛擬化是指計(jì)算機(jī)軟件在一個(gè)虛擬的平臺(tái)上而不是一個(gè)真實(shí)的硬件上運(yùn)行。562．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)8嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、提升多領(lǐng)域技術(shù)水平的有力主具，可以說(shuō)嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能產(chǎn)品（智能儀表、智能和信息家電）、工業(yè)自動(dòng)化（測(cè)控裝置、數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)采集與處理）、辦公自動(dòng)化（通用計(jì)算機(jī)中的智能接口）、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備檢測(cè)、石油化工、商業(yè)應(yīng)用（電子秤，POS機(jī)，條碼識(shí)別機(jī)）、安全防范（防火、防盜、防泄漏等報(bào)警系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)通信（路由器、網(wǎng)關(guān)、手機(jī)、PDA、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、汽車電子與航空航天（汽車防盜報(bào)警器、汽車和飛行器黑匣子）以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域，如圖1．1所示。1．2．2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用57嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)圖1．1嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

58圖1．1嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域101．3嵌入式系統(tǒng)的總體組成圖1．2基于控制領(lǐng)域的典型嵌入式系統(tǒng)591．3嵌入式系統(tǒng)的總體組成圖1．2基于控制領(lǐng)域的典型1．3．1嵌入式系統(tǒng)的硬件圖1．3典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成601．3．1嵌入式系統(tǒng)的硬件圖1．3典型的嵌入式系統(tǒng)硬1．中間層程序中間層程序主要為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口，它包括硬件抽象層（HardwareAbstractionLayer，HAL）、板級(jí)支持包（BoardSupportPackage，BSP）以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。1）硬件抽象層硬件抽象層就是通過(guò)程序來(lái)控制處理器、I/O接口以及存儲(chǔ)器等所有硬件的操作，這樣使系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，提高了系統(tǒng)中的移植性。它包括相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置等操作。2）板級(jí)支持包板級(jí)支持包主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。BSP實(shí)現(xiàn)的功能主要有：①系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)硬件初始化；②為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件的手段，BootLoader便屬于此類。1．3．2嵌入式系統(tǒng)的軟件611．中間層程序1．3．2嵌入式系統(tǒng)的軟件133）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈榆浖峁┱{(diào)用的操作接口。驅(qū)動(dòng)程序除了實(shí)現(xiàn)本的功能函數(shù)外（初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等），還具備完善的錯(cuò)誤處理函數(shù)。2．嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，有了嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)程管理、進(jìn)程間的通信、內(nèi)存管理、文件管理、驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方可實(shí)現(xiàn)。3．應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件是在嵌入式操作系統(tǒng)支持下通過(guò)調(diào)用API函數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用編制的用戶軟件。如抄表系統(tǒng)的軟件、掌上信息查詢軟件等。623）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序14嵌入式微處理器（EmbeddedMicrocomputerUnit，EMPU）、嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMCU）嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）嵌入式可編程片上系統(tǒng)（SystemOnaProgrammableChip，SOPC)。1．4常用的嵌入式處理器1．4．1嵌入式處理器的種類63嵌入式微處理器（EmbeddedMicroco

1．嵌入式微處理器嵌入式微處理器是由PC中的CPU演變而來(lái)的，與通用PC的微處理器不同的是，它只保留了與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件。典型的EMPU有PowerPC、MIPS、MC68000、i386EX、AMDK62E以及ARM等，其中ARM是應(yīng)用最廣、最具代表性的嵌入式微處理器。2．嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，其內(nèi)部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)器、看門狗、I/O接口等各種必要的功能部件。典型的EMCU有51系列、MC68系列、PIC系列、MSP430系列等。3．嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是專門用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，因而具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。典型的EDSP有TMS32010系列、TMS32020系列等。641．嵌入式微處理器16

4．嵌入式片上系統(tǒng)SOC是一個(gè)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，它一般將一個(gè)完整的產(chǎn)品的各功能集成在一個(gè)芯片上或芯片組上，其中可能包括處理器CPU、存儲(chǔ)器、硬件加速單元、與外圍設(shè)備的接口I/F，模數(shù)混合放大電路，甚至延伸到傳感器、微機(jī)電和微光電單元。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器的片內(nèi)嵌入了操作系統(tǒng)。由于片上系統(tǒng)絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。5．嵌入式可編程片上系統(tǒng)可編程片上系統(tǒng)SOPC是一種基于FPGA的可重構(gòu)SOC，它集成了硬IP核或軟IP核CPU、DSP、存儲(chǔ)器、外圍I/O及可編程邏輯，是更加靈活、高效的SOC解決方案。SOC與SOPC的區(qū)別：SOC是專用集成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本高，SOPC是基于FPGA的可重構(gòu)SOC，是一種通用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低。654．嵌入式片上系統(tǒng)17英國(guó)ARM（AdvancedRISCMachines）公司成立于1990年。在1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生（在美國(guó)VLSI公司制造）。目前，ARM架構(gòu)處理器已在高性能、低功耗、低成本應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先地位。ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供了ARM處理器內(nèi)核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等）和ARM處理器宏核（ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等），由各半導(dǎo)體公司（ARM公司合作伙伴）在上述處理器內(nèi)核或處理器宏核基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種嵌入式微處理器（EMPU）或嵌入式微控制器（EMCU）。1．4．2典型ARM微處理器系列66英國(guó)ARM（AdvancedRISCMachiARM處理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E為4個(gè)通用嵌入式微處理器系列，每個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，有多個(gè)廠家生產(chǎn)；SecurCore系列則是專門為安全性要求較高的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的；StrongARM是Intel公司生產(chǎn)的用于便攜式通信產(chǎn)品和消費(fèi)電子產(chǎn)品的理想嵌入式微處理器，應(yīng)用于多家掌上電腦系列產(chǎn)品；Xscale是Intel公司推出的基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的全性能、高性價(jià)比、低功耗的嵌入式微處理器，應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Cortex-A8處理器是第一款基于下一代ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來(lái)更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?-2技術(shù)。67ARM處理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、AR圖1.4基于ARM核的典型嵌入式處理器系列68圖1.4基于ARM核的典型嵌入式處理器系列201．4．3典型ARM微處理器簡(jiǎn)介1．S3C44B0X微處理器簡(jiǎn)介S3C44B0X是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提高的高性價(jià)比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微處理器。它使用ARM7TDMI核，工作在75MHz。S3C44B0X采用0．25um制造工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器，它耗能低、精簡(jiǎn)及出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)非常適用于對(duì)成本和功耗要求較高的場(chǎng)合。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了若干部件，主要包括8KBCache（數(shù)據(jù)/指令）、內(nèi)部SRAM、外部?jī)?chǔ)存器控制器、LCD（LiquidCrystalDisplay）控制器、4個(gè)DMA通道、帶自動(dòng)握手的2通道UART、一個(gè)多主I2C（InterIntegrateCircuit）總線控制器、1個(gè)I2S（InterIntegrateCircuitSoundBus）總線控制器、5通道PWM定時(shí)器、一個(gè)看門狗定時(shí)器、71個(gè)通用I/O口、8個(gè)外部中斷源、具有日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、8通道10位A/D轉(zhuǎn)化器、1個(gè)SIO接口以及PLL（鎖相環(huán)）時(shí)鐘發(fā)生器。S3C44B0X采用新型的總線結(jié)構(gòu)，即三星ARMCPU嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)SAMBAII。691．4．3典型ARM微處理器簡(jiǎn)介212．S3C2410X/S3C2440X微處理器簡(jiǎn)介S3C2410X/S3C2440X是三星公司出品的基ARM920T核的嵌入式微處理器，它與基于ARM7的S3C44B0X的最大區(qū)別在于，S3C2410X/S3C2440X內(nèi)部帶有全性能的內(nèi)存管理單元（MMU），適用于設(shè)計(jì)移動(dòng)手持設(shè)備類產(chǎn)品，具有高性能、低功耗、接口豐富及體積小等優(yōu)良特性。S3C2410X/S3C2440X提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備：如雙重分離的16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存、MMU虛擬存儲(chǔ)器管理部件、LCD控制器、支持NAND的Flash系統(tǒng)引導(dǎo)、外部存儲(chǔ)控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時(shí)器、I/O端口、定時(shí)器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、觸摸屏接口、I2C總線接口、USB主機(jī)、USB設(shè)備、SD主卡及MMC卡接口、2通道SPI以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器。702．S3C2410X/S3C2440X微處理器簡(jiǎn)介23．LPC2000系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介L(zhǎng)PC2000系列嵌入式微控制器是基于ARM7TDMI-SCPU內(nèi)核的，它支持ARM和Thumb指令集，芯片內(nèi)集成豐富外設(shè)，而且具有非常低的功率消耗。該系列微控制特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)等場(chǎng)合。有關(guān)其系列產(chǎn)品的主要信息見表1．1。4．AT91系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介美國(guó)AtmelAT91系列微控制器是基于ARM7TDMI（有的基ARM920T）的嵌入式微處理器的16/32位微控制器，是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的ARM芯片之一。AT91系列微控制器定位在低功耗和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用領(lǐng)域，它們已成功應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、MP3/WMA播放器、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、BP機(jī)、POS機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、GPS和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)品中。AT91系列微控制器為工業(yè)級(jí)芯片，價(jià)格比較便宜。基于ARM技術(shù)的Atmel微控制器為AT91系列，其中有幾種類型，AT91RXXXX和AT91MXXXX（內(nèi)部帶有RAM，但沒(méi)有程序存儲(chǔ)器類型）、AT91RMXXXX（內(nèi)部帶有RAM，有ROM類型），AT91FRXXXX（內(nèi)部帶有RAM，有Flash程序存儲(chǔ)器類型）。713．LPC2000系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介235．XScale微體系結(jié)構(gòu)微處理器簡(jiǎn)介IntelXScale微體系結(jié)構(gòu)提供了一種全新的、高性價(jià)比、低功耗且基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP擴(kuò)充?；赬Scale技術(shù)開發(fā)的微處理器，可用于手機(jī)、便攜式終端（PDA）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備及骨干網(wǎng)（BackBone）路由器等。IntelPXA250微處理器芯片就是一款集成了32位IntelXScale微處理器核的應(yīng)用處理器。6．STR710F系列嵌入式處理器簡(jiǎn)介STR710F系列嵌入式處理器產(chǎn)品是意法半導(dǎo)體有限公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM7TDMI32位RISCCPU為內(nèi)核，特別適用于需要尺寸緊湊、CPU功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)和可升級(jí)的解決方案，如用戶界面要求高的系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化系統(tǒng)和銷售點(diǎn)（POS）應(yīng)用等。725．XScale微體系結(jié)構(gòu)微處理器簡(jiǎn)介24嵌入式操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)等活動(dòng)，它是嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率大大提高，系統(tǒng)開發(fā)的總工作量大大減少，并且極大地提高了嵌入式軟件的可移植性。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，嵌入式操作系統(tǒng)必須包含操作系統(tǒng)的一些最基本的功能，用戶可以通過(guò)API函數(shù)來(lái)使用操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)具有編碼體積小、面向應(yīng)用、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可移植性好、可靠性高以及專用性強(qiáng)等特點(diǎn)。1．5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1．5．1嵌入式操作系統(tǒng)及其特點(diǎn)73嵌入式操作系統(tǒng)（OperatingSystem，O

1．LinuxLinux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，它得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛好者LinusTorvalds。目前存在著許多不同的Linux，，但它們都使用了Linux內(nèi)核。Linux可安裝在各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中，從手機(jī)、平板電腦、路由器和視頻游戲控制臺(tái)，到臺(tái)式計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)。Linux是一個(gè)領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，世界上運(yùn)算最快的10臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的都是Linux操作系統(tǒng)。一些流行的主流Linux發(fā)行版，包括Debian（及其派生物Ubuntu），F(xiàn)edora和openSUSE等。2．μC/OS-IIμC/OS-II是一個(gè)可裁剪、源代碼開放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該操作系統(tǒng)支持多達(dá)64個(gè)任務(wù)，大部分嵌入式微處理器均支持μC/OS-II。1．5．2幾種常用嵌入式操作系統(tǒng)741．Linux1．5．2幾種常用嵌入式操作系統(tǒng)2

3．WindowsCEMicrosoftWindowsCE是Microsoft公司產(chǎn)品，是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。該操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核至少需要200KB的ROM。從游戲機(jī)到現(xiàn)在大部分的掌上電腦都采用了WindowsCE作為操作系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)軟件價(jià)格過(guò)高，影響整個(gè)產(chǎn)品的成本控制。4．VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高、精、尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。但大多數(shù)的VxWorksAPI是專用的，VxWorks的價(jià)格昂貴。753．WindowsCE275．pSOSpSOS是ISI公司研發(fā)的產(chǎn)品。pSOS是一個(gè)模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或商業(yè)的硬件上具有高性能和高可靠性。6．PalmOS3COM公司的PalmOS在掌上電腦和PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。在開發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows和Macintosh下安裝PalmPilotDesktop。7．QNXQNX是由加拿大QSSL公司開發(fā)的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)既能運(yùn)行于以IntelX86、Pentium等CPU為核心硬件環(huán)境下，也能運(yùn)行于以PowerPC、MIPS等CPU為核心的硬件環(huán)境。它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化、控制、機(jī)器人科學(xué)、電信、數(shù)據(jù)通信、航空航天、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器設(shè)備、交通運(yùn)輸、安全防衛(wèi)系統(tǒng)、POS機(jī)、零售機(jī)等任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用領(lǐng)域。765．pSOS288．蘋果iOSiOS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng)。它是以Darwin為基礎(chǔ)的，主要是給iPhone、iPodtouch以及iPad使用。原本這個(gè)系統(tǒng)名為iPhoneOS，直到2010年6月7日WWDC大會(huì)上宣布改名為iOS。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為四個(gè)層次：核心操作系統(tǒng)層、核心服務(wù)層、媒體層、可輕觸層。系統(tǒng)操作占用大概240MB的存儲(chǔ)器空間。9．AndroidAndroid是一種以Linux為基礎(chǔ)的開放源碼操作系統(tǒng)，主要使用于便攜設(shè)備。Android操作系統(tǒng)最初由AndyRubin開發(fā)，最初主要支持手機(jī)。2005年由Google收購(gòu)注資，并拉攏多家制造商組成開放手機(jī)聯(lián)盟開發(fā)改良，逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。2010年末數(shù)據(jù)顯示，僅正式推出兩年的操作系統(tǒng)的Android已經(jīng)超越稱霸十年的諾基亞Symbian系統(tǒng)，躍居全球最受歡迎的智能手機(jī)平臺(tái)。778．蘋果iOS29

1．6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1．嵌入式微處理器及操作系統(tǒng)的選擇嵌入式微處理器可謂多種多樣，品種繁多，而且都在一定領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)也有不少，如VxWorks、Linux，Nuc1ears、WindowsCE等，即使在一個(gè)公司之內(nèi)，也會(huì)同時(shí)使用好幾種處理器，甚至幾種嵌入式操作系統(tǒng)。2．開發(fā)工具的選擇目前用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)工具種類繁多，不僅各種操作系統(tǒng)有各自的開發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開發(fā)的不同階段也使用不同的開發(fā)工具。3．對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的觀察與控制要使系統(tǒng)能正常工作，軟件開發(fā)者必須要對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)具有完全的觀察和控制能力，如硬件的各種寄存器、內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)的信號(hào)量、消息隊(duì)列、任務(wù)、堆棧等。1．6．1嵌入式系統(tǒng)的總體考慮781．6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1．嵌1．6．2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖1．5嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程791．6．2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖1．5嵌入式系統(tǒng)設(shè)1．6．3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法圖1．6單片機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程比較801．6．3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法圖1．6單片機(jī)系統(tǒng)和圖1．7傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和嵌人式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的比較軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比有2個(gè)顯著的特點(diǎn)：①描述軟、硬件使用統(tǒng)一的表示形式；②硬、軟件劃分可以選擇多種方案，直到滿足要求。81圖1．7傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和嵌人式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般由三個(gè)部分組成：宿主機(jī)、調(diào)試仿真器和目標(biāo)機(jī)。其中宿主機(jī)用來(lái)完成源代碼編輯、編譯、顯示一部分運(yùn)行結(jié)果等，操作系統(tǒng)可以是UNIX、Linux和Windows等，硬件可以是PC和工作站等。目標(biāo)機(jī)就是用戶嵌入式程序的運(yùn)行環(huán)境，CPU可能是任何CPU，常用的有ARM、MIPS、PowerPC、DrangonBall等。操作系統(tǒng)常用的有Linux、μC/OS-II、WindowsCE、Vxworks、等，或者根本沒(méi)有操作系統(tǒng)。使用集成開發(fā)軟件開發(fā)基于ARM的應(yīng)用軟件，可以完成系統(tǒng)軟件的編輯、編譯、匯編和鏈接等工作；通過(guò)調(diào)試仿真器可以在PC上實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟件的調(diào)試；再使用燒寫軟件，將開發(fā)成功的應(yīng)用系統(tǒng)從宿主機(jī)向目標(biāo)機(jī)下載移植，從而完成整個(gè)開發(fā)過(guò)程。1．7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)1．7．1嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境82嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般由三個(gè)部分組成：宿主機(jī)、調(diào)試圖1．8嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試環(huán)境示意圖83圖1．8嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試環(huán)境示意圖351．指令集模擬器部分嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境提供了指令集模擬器，可方便用戶在PC上完成一部分簡(jiǎn)單的調(diào)試工作，但是由于指令集模擬器與真實(shí)的硬件環(huán)境相差很大，因此即使用戶是用指令集模擬器調(diào)試通過(guò)的程序也有可能無(wú)法在真實(shí)的硬件環(huán)境下運(yùn)行，用戶最終必須在硬件平臺(tái)上完成整個(gè)應(yīng)用的開發(fā)。2．駐留監(jiān)控軟件駐留監(jiān)控軟件（ResidentMonitors）是一段運(yùn)行在目標(biāo)板上的程序，集成開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試軟件通過(guò)以太網(wǎng)口、并行端口、串行端口等通信端口與駐留監(jiān)控軟件進(jìn)行交互，由調(diào)試軟件發(fā)布命令，通知駐留監(jiān)控軟件控制程序執(zhí)行、讀/寫儲(chǔ)存器、讀/寫寄存器和設(shè)置斷點(diǎn)等。駐留監(jiān)控軟件是一種比較低廉有效的調(diào)節(jié)方式，不需要任何其它的硬件調(diào)試和仿真設(shè)備。駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對(duì)硬件設(shè)備的要求比較高。1．7．2嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工具841．指令集模擬器1．7．2嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工具3

3．JTAG仿真器JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過(guò)ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與ARMCPU核通信，它無(wú)需目標(biāo)儲(chǔ)存器，不占用目標(biāo)端口的任何端口。另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行的仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問(wèn)題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配、電線長(zhǎng)度的限制等被最小化了。使用集成開