嵌入式體系結構及接口技術：第1章 緒論1

嵌入式體系結構及接口技術

課程概況課程學時：總學時：64；理論學時：48；上機學時：16教學目的：通過本課程的學習，使學生掌握嵌入式系統(tǒng)的概念、體系結構、系統(tǒng)組成及設計方法；掌握ARM9微處理器的結構和指令系統(tǒng)以及嵌入式軟件系統(tǒng)的分析與設計方法，能夠進行實際系統(tǒng)的分析與設計。

課程概況

——教材及參考書

教材邱鐵《ARM嵌入式系統(tǒng)結構與編程》清華大學出版社2013.8第2版實驗指導書或教材計算機實驗室編《嵌入式系統(tǒng)實驗指導》參考書杜春雷《ARM體系結構與編程》清華大學出版社2015劉洪濤《ARM嵌入式體系結構與接口技術》人民郵電出版社2009課程概況

——教材及參考書

嵌入式系統(tǒng)是當前最熱門最有發(fā)展前景的IT應用領域之一。嵌入式系統(tǒng)是嵌入到目標體系中的專用

計算機系統(tǒng)。我們平常用的手機、可視電話、數(shù)碼相機、攝像機、機頂盒、路由器、數(shù)控設備或儀表、醫(yī)療儀器、航天航空設備等都是嵌入式系統(tǒng)。課程概況嵌入式系統(tǒng)體系結構及接口技術

嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式軟件開發(fā)技術專業(yè)課程體系本課程的學習路線圖理解ARM7/ARM9的編程結構掌握ARM匯編語言編程和嵌入式C語言編程掌握常用接口的控制原理和編程第1章 緒論

本章主要介紹嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和相關概念，當前嵌入式技術的主要應用以及市場上最流行的嵌入式產(chǎn)品，通過典型產(chǎn)品實例使讀者了解當前嵌入式技術的應用狀況和研究方向。最后介紹了嵌入式技術未來的發(fā)展趨勢。內(nèi)容提要1.1嵌入式系統(tǒng)定義1.2嵌入式操作系統(tǒng)1.3嵌入式技術在工程領域的應用1.4嵌入式技術的發(fā)展趨勢1.1嵌入式系統(tǒng)定義近年來，以集成電路為代表的微電子技術取得了重大突破，這使計算機技術、微控制器技術得到了迅速發(fā)展，再加上網(wǎng)絡技術的應用與普及，加速了21世紀工業(yè)生產(chǎn)、軍工國防、消費電子、商業(yè)活動、科學實驗和家庭生活等領域的自動化和信息化進程，這些為嵌入式技術的大規(guī)模發(fā)展提供了強大的產(chǎn)業(yè)支撐。

1.1.1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程Intel公司于1971年開發(fā)出第一片具有4位總線結構的微處理器4004，當時主要用于電子玩具、家用電器，電子控制及簡單的計算工具。1976年Intel公司推出功能相對較完備的單片機8048。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列。在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁。

51系列的單片機仍然在市場上占有很大的比例，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應用。在80年代早期，出現(xiàn)了商業(yè)級的“實時操作系統(tǒng)內(nèi)核”，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的程序員開始在實時內(nèi)核下編寫嵌入式應用軟件，從而使新產(chǎn)品的研制可以獲取更短的開發(fā)周期、更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率。嵌入式實時操作系統(tǒng)具有以下特點：（1）采用搶占式的調(diào)度策略，任務的實時性好，并且執(zhí)行時間是確定的；（2）具有可裁剪性（根據(jù)任務的需要與否進行添加或刪除操作系統(tǒng)模塊）和可移植性（移植到各種處理器上）；（3）具有較好的可靠性和可擴展性，適合嵌入式產(chǎn)品的應用開發(fā)。進入90年代，隨著任務復雜性的不斷增加，軟件規(guī)模也越來越大，實時核也隨之逐漸發(fā)展并完善，并由此發(fā)展成為實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種可移植的軟件平臺成為當前國際嵌入式系統(tǒng)的應用軟件支撐。這一階段在國際上相繼出現(xiàn)了PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Nucleux等嵌入式操作系統(tǒng)進入21世紀，嵌入式系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。在硬件上，MCU的性能得到了極大的提升，特別是ARM技術的出現(xiàn)與完善，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了功能強大的硬件載體。Intel、Sansung、Motorola、Phlips和Atmel紛紛采用ARM技術，再加上其公司先進的外圍接口技術與先進的制造技術，設計出功能完備的MCU，應用到工業(yè)自動化、消費類電子、航空航天、軍事工業(yè)等各個領域。1．1．2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點

IEEE的定義：Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.從中可以看出，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。我國嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)定義我國嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)定義以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。從這個定義可以看出嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁剪利用。因此有人把嵌入式系統(tǒng)比作是一個針對特定的應用而“量身定做”的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)：硬件以一個高性能的處理器為基礎，軟件以一個多任務操作系統(tǒng)為基礎的綜合平臺。這個平臺的處理能力是以往單片機所無法比擬的，它涵蓋了軟件和硬件兩個方面，因此稱之為“嵌入式系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成：嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件組成。嵌入式平臺的基本組成結構：嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程和優(yōu)勢為什么要使用嵌入式系統(tǒng)？傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程和優(yōu)勢為什么要使用嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程避免重復勞動，縮短開發(fā)周期，保證開發(fā)的成功性！1.2嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperationSystem）產(chǎn)生于20世紀80年代，當時國際上一些IT公司開始進行商用嵌入式操作系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的設計與開發(fā)。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多嵌入式操作系統(tǒng)，在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。1．2．1嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)是指在限定的時間內(nèi)對輸入進行快速處理并作出響應的嵌入式操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)具有實時性，必須有相應的硬件支持才能達到實時控制的目的。嵌入式實時操作系統(tǒng)大體可分為商用型和免費型（開源）兩種。商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但價格一般較高。典型的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)有VxWorks，QNX，OSE，ECOS，PSOS，WindowsCE等等。免費實時操作系統(tǒng)——嵌入式Linux:嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對嵌入式微控制器的特點而量身定做的一種Linux操作系統(tǒng)，包括常用的嵌入式通信協(xié)議和常用驅(qū)動，支持多種文件系統(tǒng)。

嵌入式實時操作內(nèi)核μC/OS-II:μC/OS-Ⅱ是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，只包含了任務管理、任務調(diào)度、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信與同步等基本功能。沒有提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡驅(qū)動及管理、圖形界面等模塊。但是由于μC/OS-Ⅱ的可移植性和開源性，用戶可以根據(jù)功能需求添加所需的各種服務

1.3嵌入式技術在工程領域的應用嵌入式系統(tǒng)的應用范圍

嶄新的數(shù)字世界多彩的嵌入式應用

無線電的發(fā)展BTH礦石收音機

單二極管Bush收音機

7個晶體管

單二極管EvokeDAB收音機

1億個晶體管

2-3個嵌入式處理器電話的發(fā)展電話

無晶體管BTDECT1千萬個晶體管

3個處理器諾基亞手機

超過7億個晶體管

(多數(shù)用于存儲器)

5-6個處理器計算機的發(fā)展+=AppleMacintosh

黑白顯示器

1MIP處理器AcornArchimedes

彩色顯示器

10MIP處理器

…RISC集惠普－康柏掌上電腦

彩色顯示

200MIP處理器64MB內(nèi)存

…袖珍型嵌入式Internet應用航海儀器的發(fā)展地圖、時鐘、指南針

印刷及磁技術

無晶體管Raytheon

船用航海儀器GPS定位器

約1億個晶體管

2-3個處理器

…+4個人造衛(wèi)星!軍事國防領域航天領域嵌入式系統(tǒng)在機器人控制中的應用智能玩具與機器人1.4嵌入式技術的發(fā)展趨勢時代的發(fā)展使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的商機，為嵌入式產(chǎn)品提供了廣闊的市場前景，同時也對嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。1．隨著信息化與數(shù)字化的發(fā)展，嵌入式設備進行網(wǎng)絡互聯(lián)是未來發(fā)展的趨勢。未來的嵌入式設備為了適應信息化與數(shù)字化的發(fā)展，網(wǎng)絡化成為發(fā)展的方向。要進行網(wǎng)絡互聯(lián)，在硬件設計上要提供各種網(wǎng)絡通信接口(TCP/IP,UART,IEEE1394,USB,CAN,Bluetooth,IrDA等）。在應用軟件方面，要提供可以在設備上安裝嵌入式Web瀏覽器，實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽和遠程數(shù)據(jù)庫的訪問。2．優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)軟硬件內(nèi)核，提高系統(tǒng)運行速度，降低功耗和硬件成本。嵌入式產(chǎn)品是軟件和硬件相結合的設備，為了提高運行速度、降低功耗和成本，要求開發(fā)人員盡量裁剪系統(tǒng)的硬件資源和軟件內(nèi)核，利用最少的硬件資源和軟件結構實現(xiàn)最多的功能。在實現(xiàn)過程中要不斷的優(yōu)化硬件電路并改進算法，達到最佳的控制功能。

3．指令級的并行計算技術將引入嵌入式微處理器。在工程的實際應用中會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的運算功能，比如向量計算，這就需要在單個時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的運算操作。在CPU中設計多個執(zhí)行部件來完成此功能，這種CPU的架構形式稱為單指令流多數(shù)據(jù)流體系結構，也稱之為指令級的并行計算技術。4．嵌入式微處理器將會向多核技術發(fā)展。無所不在的智能必將帶來無所