嵌入式課程-第一講

嵌入式系統(tǒng)綜述課程設置的必要性應用需求日益復雜微處理器技術長足發(fā)展社會對嵌入式技術人才的需求 據(jù)統(tǒng)計2002年16/32位嵌入式處理器的銷售額已接近70億美元

嵌入式軟件技術成為核心嵌入式處理器快速成長$70億課程的主要內(nèi)容

以32位ARM微處理器和嵌入式linux為基礎全面闡述嵌入式系統(tǒng)的要素嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設計基礎嵌入式應用開發(fā)流程與實驗預期目標

對嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設計所涉及的問題有一個較全面的認識，基本掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，為今后從事嵌入式系統(tǒng)的研究打下良好的基礎。

課程安排（1）嵌入式系統(tǒng)綜述－－2學時ARM體系結(jié)構(gòu)－－4學時ARM指令系統(tǒng)－－4學時基于MC9328MX1的最小系統(tǒng)設計－－10學時嵌入式linux操作系統(tǒng)－－4學時linux設備驅(qū)動開發(fā)－－6學時應用程序開發(fā)－－6學時課程安排（2）實驗環(huán)節(jié)－－12學時

linux基本操作及交叉編譯環(huán)境的創(chuàng)建內(nèi)核裁減和文件系統(tǒng)創(chuàng)建鍵盤實驗

LCD實驗觸摸屏實驗應用程序開發(fā)實驗

推薦參考資料（1）馬忠梅，ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應用基礎，北航出版社，2002.陳章龍，嵌入式系統(tǒng)—IntelStrongARM結(jié)構(gòu)與開發(fā)，北航出版社，2002.李駒光，ARM應用系統(tǒng)開發(fā)詳解，清華大學出版社，2003ARMSystem-on-chipArchiteture(中文版)，北航出版社，2002CraigHollabansh，陳雷等譯，嵌入式linux—硬件、軟件與接口，電子工業(yè)出版社，2003.推薦參考資料（2）AlessandroRubini，魏永明等譯，linux設備驅(qū)動程序，第二版，中國電力出版社，2002.MC9328MX1用戶手冊，Motorola公司，2002.Lisoleg中國Linux論壇嵌入式開發(fā)網(wǎng)ARMLinuxDeveloper.uk/developer

專用計算機系統(tǒng)（非PC智能電子設備）微處理器、定時器、存儲器、傳感器嵌入式的微型操作系統(tǒng)應用軟件嵌入式系統(tǒng)的定義（1）以應用為中心的定義

以應用為中心以計算機技術和通訊技術為基礎軟件與硬件可剪裁滿足系統(tǒng)對功能、成本、體積和功耗等要求知識集成系統(tǒng)技術密集資金密集高度分散不可壟斷面向應用不斷創(chuàng)新

嵌入式系統(tǒng)的定義（2）嵌入式Internet技術是指設備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet，以Internet為介質(zhì)實現(xiàn)信息交互的過程嵌入式硬件系統(tǒng)嵌入式處理器各種存儲器電源部分接口控制器及外圍設備嵌入式系統(tǒng)的組成要素嵌入式軟件系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)板級支持包(BSP)設備驅(qū)動協(xié)議棧應用程序等X86系列開發(fā)方便和移植容易體積大、功耗高、實時性差DSP系列具有較強數(shù)字信號處理能力，適合聲音、圖像等多媒體信息處理。處理能力弱、尋址范圍有限、I/O功能弱等。ARM系列（RISC處理器）小體積、低功耗、低成本、高性能支持16/32位雙指令集全球眾多的合作伙伴PowerPC系列

Motorola和IBM聯(lián)合開發(fā)的微處理器核嵌入式處理器嵌入式處理器核發(fā)展趨勢ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫，ARM處理器采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）技術，即采用精簡指令集體系結(jié)構(gòu)。RISC相對于CISC體系結(jié)構(gòu)，其設計思路是如何使計算機結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運行速度。目前它還沒有嚴格的定義。據(jù)統(tǒng)計,CISC的指令集中，約20％的指令使用頻率占80％，而80％的指令的使用頻率僅占20％。ARM處理器(1)RISC體系結(jié)構(gòu)特點采用固定長度的指令格式，指令規(guī)整、簡單（ARM指令為32位）。使用單周期指令，便于流水線操作。大量使用寄存器（ARM共有37各寄存器），數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器操作，訪問存儲器只使用Load/Store指令。

ARM處理器(2)ARM處理器的特點小體積、低功耗、低成本、高性能支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集，提高指令密度大量使用寄存器大多少數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。尋找方式簡單靈活指令長度固定（16/32位）ARM處理器(3)ARM處理器的分類ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等ARM9系列:MX1采用ARM920T核ARM9E系列

ARM10系列

SecureCore系列

StrongARMXscaleARM處理器(4)ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等常見芯片主頻為20～133MHzARM720T以下沒有MMU適合對價位和功耗要求較高的產(chǎn)品。3級流水線和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)支持WindowCE、LinuxPalmOS等ARM處理器(5)ARM7TDMI核命名規(guī)則

7 =體系結(jié)構(gòu)T =Thumb代碼支持(16bit指令)D =Debug硬件調(diào)試模塊支持M =加強的乘法支持(DSP性能)I =EmbeddedICELogicARM9TDMI與ARM7TDMI相同，但是使用ARM9結(jié)構(gòu).ARM處理器(6)ARM9系列:MX1采用ARM920T核常見的芯片主頻為100～233MHz5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)支持32位的高速AMBA總線接口MMU支持實時操作系統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)CacheARM處理器(7)ARM9E系列5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)緊耦合的存儲器接口支持32位的高速AMBA總線接口MMU支持DSP指令集，適合高速數(shù)字信號處理支持實時操作系統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)Cache支持VFP9浮點處理協(xié)處理器ARM處理器(8)ARM10系列6級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)支持64位的高速AHB總線接口MMU支持DSP指令集，適合高速數(shù)字信號處理支持實時操作系統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)Cache支持VFP9浮點處理協(xié)處理器ARM處理器(9)SecureCore系列專為安全需要而設計靈活的保護單元StrongARM融合了Intel技術的具有ARM體系結(jié)構(gòu)的32位處理器XscaleIntel新一代的性能全、性價比高、低功耗的微處理器

ARM處理器(10)特點除具有普通操作系統(tǒng)的功能如任務調(diào)度、中斷處理等外，嵌入式操作系統(tǒng)還有以下特點：編碼體積小，適合有限的存儲空間面向應用，可裁減和移植實時性強，又稱實時多任務操作系統(tǒng)。可靠性高以及較強的網(wǎng)絡功能。嵌入式操作系統(tǒng)（1）分類Windows兼容的：WindowsCE,嵌入式Linux等工業(yè)與通信類：VxWorks、QNX等單片機類：uc/OS等面向Internet類：PalmOS、Hopen等嵌入式操作系統(tǒng)（2）嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢實時系統(tǒng)是指能夠在指定或者確定的時間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能，及對外部或者內(nèi)部事件在同步或者異步時間內(nèi)作出響應的系統(tǒng)。

實時性的衡量指標響應時間：對外部事件做出響應的時間。生存時間：數(shù)據(jù)的有效時間。吞吐量：一定時間內(nèi)，處理事件的總數(shù)。實時系統(tǒng)的概念（1）實時系統(tǒng)的分類根據(jù)響應時間分：弱實時系統(tǒng)：要求各任務運行越快越好，但并不嚴格限定在規(guī)定時間內(nèi)完成，如手機、銀行計算機系統(tǒng)。強實時系統(tǒng)：要求系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務，如航天控制系統(tǒng)，通常在毫秒或微妙級。實時系統(tǒng)的概念（2）實時系統(tǒng)的分類根據(jù)確定性分類：硬實時系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應時間有嚴格要求，如果不能滿足，就會引起系統(tǒng)崩潰或致命錯誤。軟實時系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應時間有要求，但是，如果響應時間不能滿足，不會導致系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致命錯誤。實時系統(tǒng)的概念（3）RTOS:實時操作系統(tǒng)RTOS內(nèi)核提供CPU的管理,硬件初時化，MMU，定時器，中斷RTOS內(nèi)核提供任務，內(nèi)存管理RTOS提供設備管理，文件和網(wǎng)絡的支持RTOS提供C/C++，JAVA，圖形模塊(GUI)應用支持RTOS普遍應用于32bitCPU特點免費和代碼公開支持多種硬件平臺可裁剪使用成本低強大的網(wǎng)絡功能支持GUI開發(fā)豐富的開發(fā)技術資源嵌入式Linux幾種嵌入式Linux（1）uCLinux： 為支持沒有MMU的處理器而對標準Linux作出的修正，它不支持實時性。普通嵌入式Linux

通過普通Linux的裁剪可得到。支持MMU，非實時性。

幾種嵌入式Linux（2）RTLinux與RTAI RTLinux支持實時性，它通過在普通Linux內(nèi)核下層增加一個實時內(nèi)核實現(xiàn)了實時性。

RTAI(Real-timeApplicationInterface)通過在Linux上定義一個實時硬件抽象層（RTHAL），為普通Linux的實時性提供了解決方案。

嵌入式系統(tǒng)的應用網(wǎng)絡家電多媒體通信個人數(shù)據(jù)處理國防工業(yè)智能交通微電子機械(MEMS)中的應用工業(yè)控制

生物微電子技術中的應用goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum嵌入式應用的開發(fā)（1）開發(fā)的一般過程任務分析操作系統(tǒng)選擇處理器選擇硬件設計操作系統(tǒng)移植應用程序設計驅(qū)動及BSP設計代碼固化嵌入式應用的開發(fā)（2）任務分析 由于嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，對系統(tǒng)的可靠性、系統(tǒng)的開發(fā)周期、體系成本等都有嚴格的要求。因此，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)首先要對任務進行詳細地分析，使得系統(tǒng)能較好地滿足要求。其中主要包括對系統(tǒng)功能的分析、對系統(tǒng)軟硬件的特殊要求、實時性的水平、系統(tǒng)模塊的分解、要達到的水平等。嵌入式應用的開發(fā)（3）處理器選擇工作頻率處理器的核（ARM處理器）片內(nèi)存儲器容量片內(nèi)外圍電路及其擴展能力嵌入式應用的開發(fā)（4）操作系統(tǒng)選擇實時性、開發(fā)周期、開發(fā)資源等。硬件設計驅(qū)動程序及BSP開發(fā)處理器供應商可能會提供相關的內(nèi)容。操作系統(tǒng)的移植將所選的操作系統(tǒng)移植到設計的目標板的過程

應用程序設計代碼固化嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（1）

由于嵌入式系統(tǒng)的可用資源有限，嵌入式開發(fā)和調(diào)試工作通常要通過高性能的宿主機完成。 嵌入式應用軟件通過宿主機上的交叉編譯器，完成交叉編譯和連接后下載到目標機。

宿主機：進行嵌入式軟件開發(fā)的主機目標機：將要開發(fā)的目標板宿主機目標機邏輯連接物理連接嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（2）模擬開發(fā)調(diào)試它通過基于宿主機的軟件，在主機上模擬目標機中處理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模擬器。它雖然簡單可行，但是缺乏在線調(diào)試和實時仿真功能。嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（3）在線仿真(ICE)它通過在線仿真器，取代目標板的CPU，仿真嵌入式處理器芯片的行為。它支持單步執(zhí)行、斷點、反匯編、源程序級調(diào)試。仿真器通常價格比較昂貴，通常用在ARM硬件開發(fā)中，軟件開發(fā)則較少用。

宿主機目標板仿真器硬件連接示意圖嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（4）JTAG仿真器

ARM處理器內(nèi)含EmbededICE宏單元，并留有JTAG調(diào)試接口，支持在線仿真。它無需目標存儲器，不占用目標系統(tǒng)的端口。

使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器是目前最常用的一種調(diào)試方式。

嵌入式開發(fā)的幾種調(diào)試模式（4）ROMMonitor方式（或Angel方式）ROMMonitor（或Angel）是運行在目標機的Flash或ROM的