1、Embedded System Development聊城大學(dxu) 理工學院曹銀杰caoyinjie 嵌入式系統(xtng)與應用 共九十頁本門課程分數(fnsh)比例分配如下出勤、課堂討論、作業等平時成績：約30期終考查（或考試）成績： 約70有特色貢獻者可以在以上總分的基礎上再加分。48學時共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用1.1.1 嵌入式系統的基本概念1.1.2 嵌入式系統的應用領域1.1.3 嵌入式系統的特點1.1.4 嵌入式系統發展1.1.5 嵌入式系統的分類1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構(jigu)1.2.2

2、嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.1.1 嵌入式系統(xtng)的概念 嵌入式系統的定義很多，顧名思義：嵌入到對象體系中的專用計算機系統。三個基本要素：嵌入性、專用性、 計算機系統。對象系統則是指嵌入式系統所嵌入的宿主系統。如智能家用電器、智能儀器、機器人、手機、PDA等。IEEE的定義：用于控制、監視或者輔助操作機器和設備(shbi)的裝置（devices used to control、monitor、or assist the operation of equipment、machinery or plants）。國內普遍認同的定義：以應用為中心、以

3、計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統(xtng)及其應用1.1.1 嵌入式系統的基本概念1.1.2 嵌入式系統的應用領域1.1.3 嵌入式系統的特點1.1.4 嵌入式系統發展1.1.5 嵌入式系統的分類1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.1.2 嵌入式系統(xtng)的應用領域消費(xiofi)電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表

4、汽車電子網絡設備工業軍事國防電子商務網絡物聯網共九十頁7嵌入式技術的應用(yngyng)手機、PDA韓國電信手機/電視(dinsh)遙控器二合一產品Nokia手機戶外音響內置 DVB-H 移動電視手機普通手機智能手機GPS導航共九十頁8智能家居智能(zh nn)家電Roto-Rooter公司(n s)馬桶組合筆記本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb 鬧鐘 不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶 i.Master智能割草機營養智能果汁機嵌入式技術的應用智能家居共九十頁9嵌入式技術(jsh)的應用PMPiLuv可即時將

5、視頻(shpn)錄制到iPod/閃存卡上，與以前技術相反Sony家用影音綜合設備XtremeMac開發的iPod音箱IPEVO支持Skype電話Nike的 iPod 帽Ipod nanoArchos帶Wifi的704Portable Media Player共九十頁10錄音筆FLY數字筆能“看懂”在專用紙上所寫的內容能“閱讀”寫作和糾正語法錯誤完成簡單(jindn)的算術運算將英文互相翻譯成西班牙文等Genius數字便箋存儲100頁便箋 2000LPI分辨率32MB板載內存可通過USB連接電腦筆跡識別軟件Polymer Vision手機書嵌入式技術(jsh)的應用辦公用品共九十頁11嵌入式技術

6、的應用(yngyng)手表Martin Frey手表日程表和手機聯動獲取網絡連接和GPS定位信息手表手機：M3001英寸的顯示屏USB接口可播放音樂支持藍牙Nike的Speed+手表結合(jih) iPod 和運動計測韓國防性罪犯的電子手鐲可追蹤罪犯的定位和坐標愛國者視頻MP4手表共九十頁12嵌入式技術的應用運動(yndng)玩具游戲GTX公司定位的運動跑鞋內置的GPS接收器和可充電電池遙控蜻蜓(qngtng)次世代三大主流三款主機Xbox 360，WII，PS3GameCube XboX360PS3Wii, 手柄, 手套, 槍共九十頁13嵌入式技術(jsh)的應用攝像器材數碼相機(sh m

7、xin j)DV共九十頁14嵌入式技術(jsh)的應用多媒體終端IP電話(dinhu)視頻會議可視電話基于視頻電話的小型視頻會議系統(MCU) 語音識別電話基于H.323協議族的網絡視頻電話共九十頁15嵌入式技術的應用(yngyng)電視高清電視數字電視立體(lt)顯示技術LG內置數字錄像機的 LCD TVAppleTV:Intel Pentium M 1.0 GHz 2MB of L2 高速緩存nVidia G72M 顯示卡 64MB DDR2 內存內置的 40GB 硬盤播放 iTunes能輸出 1080p 高畫質影像的 iPod Dock數字電視機頂盒共九十頁16嵌入式技術(jsh)的應用

8、通訊設備有計算機能力(nngl)的各種通訊設備路由器/交換機/防火墻等Buffalo 路由器 / USB 網卡套裝VPN產品千兆網關防火墻 共九十頁17嵌入式技術(jsh)的應用儀器儀表DCG (動態心電圖儀)便攜式多參數監護儀中醫(zhngy)指套傳感器脈象虛擬儀器推拿手法測試儀電動機故障狀態監測保護系統 監控儀手持儀共九十頁馬達控制器車燈嵌入式系統(xtng)示例汽車(qch)控制系統尾燈控制系統后車門控制系統前車門控制系統座椅控制系統發動器控制系統所有的控制系統都是一個完整的嵌入式系統共九十頁嵌入式系統(xtng)的應用機器人共九十頁20嵌入式技術的應用(yngyng)軍事武器控制系統數

9、字化單兵系統有苛刻要求尺寸和重量功率消耗(xioho)震動和沖擊溫度和濕度21世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統夜視掃描、全球定位、指揮通信共九十頁嵌入式系統的應用(yngyng)-航天嫦娥三號著陸器上的相機(xingj)拍攝的“玉兔”號月球車共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用1.1.1 嵌入式系統的基本概念1.1.2 嵌入式系統的應用領域1.1.3 嵌入式系統的特點(tdin)1.1.4 嵌入式系統發展1.1.5 嵌入式系統的分類1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共

10、九十頁1.1.3 嵌入式系統(xtng)的特點是“專用”的計算機系統，面向特定的任務；運行環境差異很大；比通用PC系統資源少得多；低功耗、體積小、集成度高、成本低等；需建立系統測試和可靠性評估體系，保證(bozhng)高效、可靠、穩定工作；生命周期長，升級換代是和具體產品同步進行的。代碼通常是固化在非易失性存儲器中，如FLASH； 一般用實時操作系統RTOS(Real Time Operating System)；嵌入式軟件開發走向標準化；嵌入式系統需要專用開發工具和方法進行設計；嵌入式微處理器通常包含專用調試電路；共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用1.1.1

11、 嵌入式系統的基本概念1.1.2 嵌入式系統的應用領域1.1.3 嵌入式系統的特點1.1.4 嵌入式系統發展1.1.5 嵌入式系統的分類1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構(jigu)1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.1.4 嵌入式系統(xtng)發展 1946年電子數字計算機誕生。上世紀70年代，微處理器的出現使計算機才出現了歷史性的變化微機，以其小型(xioxng)、價廉、高可靠性特點，也引起了控制專業人士的興趣，要求將微機嵌入到一個對象體系中，實現對象體系的智能化控制，形成專用的嵌入式計算機系統。 例：將微機經電氣

12、加固、機械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構成自動駕駛儀或輪機狀態監測系統。單板計算機時代：上世紀70年代末，將計算機做在一個芯片上，從而開創了嵌入式系統獨立發展的單片機時代。 CPUROMRAM外設1外設2共九十頁嵌入式系統(xtng)獨立發展三個階段第1階段：SCM(Single Chip Microcomputer)單片微型計算機階段。奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路；Intel公司功不可沒，最成功的是INTEL的8031單片機，主要(zhyo)是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體系結構。復位部件看門狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時器部

13、件CPU核共九十頁嵌入式系統(xtng)發展三個階段第2階段：MCU(Micro Controller Unit)微控制器階段。擴展了各種( zhn)外圍電路與接口電路，提高智能化控制能力，以Philips為代表的公司將MCS-51從單片機迅速發展到微控制器。共九十頁嵌入式系統發展(fzhn)三個階段第3階段：SoC(System on a Chip)片上系統階段。隨著EDA推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發展，在一個硅片上實現了一個更為復雜的系統級應用。典型代表：AMR系列芯片。超大規模集成電路VLSI，采用超深亞微米工藝，使用一個以上CPU/數字信號處理器DSP，外部對芯片編程

14、。SoC可以(ky)有效地降低產品的開發成本，縮短開發周期，是目前、未來工業界采用的最主要的產品開發方式。共九十頁共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統(xtng)及其應用1.1.1 嵌入式系統的基本概念1.1.2 嵌入式系統的應用領域1.1.3 嵌入式系統的特點1.1.4 嵌入式系統發展1.1.5 嵌入式系統的分類1.2 嵌入式系統的核心技術共九十頁1.1.5 嵌入式系統(xtng)的分類只有將嵌入式處理器構成一個計算機系統，并作為嵌入式應用時，才可稱作嵌入式系統。嵌入式系統按形態可分為：設備級（工控機）板級（單板、模塊）芯片級（ SCM、MCU 、SoC ）按實時性要

15、求(yoqi)分（軟件范疇） ：非實時系統（PDA）軟實時系統（消費類產品）硬實時系統（工業和軍工系統）共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構(jigu)1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.2.1 嵌入式系統(xtng)的組成結構嵌入式系統是“專用計算機應用(yngyng)系統”，它具有一般計算機組成的共性，也是由硬件和軟件組成；硬件是由嵌入式微處理器、外圍硬件設備組成，是嵌入式系統軟件環境運行的基礎，提供了嵌入式軟件運行的物理平臺和通信接口；軟件由嵌入式操

16、作系統（可選）和嵌入式應用軟件組成，是整個系統的控制核心，控制整個系統運行、提供人機交互的信息等。下圖是典型的嵌入式系統 軟、硬件 的組成結構示意圖。共九十頁典型的嵌入式系統(xtng)組成輸入輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點運算協處理器DMA電源管理人機交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標以太網看門狗及復位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內存硬件(yn jin)應用程序實時操作系統（RTOS）板級初始化、設備驅動接口DDI可編程應用接口（API）

17、驅動層OS層應用層軟件中間件層共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用(yngyng)1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.2.2 嵌入式外圍設備(wi wi sh bi)嵌入式外圍設備，是指在一個嵌入式系統硬件(yn jin)構成中，除了核心控制部件嵌入式微處理器/DSP（或以嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器、SOC）以外的各種存儲器、輸入/輸出接口、人機接口的顯示器/鍵盤、串行通信接口等。根據外圍設備的功能可分為以下5類。 1、存儲器2、通信接口3、輸

18、入輸出設備4、設備擴展接口5、電源及輔助設備共九十頁1、存儲器類型(lixng) 存儲器是嵌入式系統中存儲數據和程序的部件，存儲介質有各自特性，該根據應用需求選擇使用。常見類型：靜態易失型存儲器（RAM，SRAM）動態存儲器（DRAM）非易失性存儲器ROM（MASKROM，EPROM，EEPROM，FLASH）硬盤、軟盤、CDROM等FLASH閃存，以可擦寫次數多，存儲速度(sd)快，容量大及價格便宜等優點在嵌入式領域得到廣泛的應用。 按存儲器所處的位置分為內部存儲器和外部存儲器：內部存儲器位于嵌入式處理器所在的同一個芯片中，這樣就不需要多余的訪問電路就可快速地訪問內部存儲器。外部存儲器與嵌入

19、式處理器分別處于不同的芯片中。共九十頁2、通信接口 目前存在的所有計算機通信接口在嵌入式領域(ln y)中都有其廣泛的應用，如：RS-232串行接口、RS-485串行接口；USB通用串行總線接口； IrDA紅外線接口； SPI串行外圍設備接口；I2C兩線式串行總線，連接微控制器及其外圍設備；CAN總線接口Bluetooth藍牙接口； Ethernet，以太網接口；IEEE1394接口GPIO通用可編程接口。 共九十頁3、輸入輸出設備(shbi)輸入設備：鼠標、掃描儀、鍵盤、麥克風、攝像頭 輸出設備：顯示屏、繪圖儀、打印機、音箱 觸摸屏嵌入式系 統中重要(zhngyo)的信息輸入輸出設備，可以方

20、便的實現鼠標和鍵盤功能，共九十頁4、設備(shbi)擴展接口 一般的嵌入式系統都是專用的并不需要設計多少擴展(kuzhn)接口。民用型，常用的存儲擴展有各種CF卡、SD卡、Memory Stick等。共九十頁5、電源(dinyun)及輔助設備嵌人式系統力求外觀小型化、重量輕以及電源使用壽命長，例如移動電話或PDA，體積較大(jio d)或者過重的機型已經被淘汰。目前發展的目標是體積小、易攜帶和外觀設計新穎等。在便攜式嵌入式系統的應用中，必須特別關注電源裝置等輔助設備。共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構

21、(jigu)1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.2.3 嵌入式軟件-4個層次(cngc)1、設備驅動接口（DDI）負責嵌入式系統與外部設備的信息(xnx)交互；2、實時操作系統（RTOS）分成基本和擴展兩部分，前者是操作系統的核心，負責整個系統的任務調度，存儲分配、時鐘管理和中斷管理，提供文件、圖形用戶界面（GUI）等基本服務,后者是為用戶提供操作系統的擴展功能，包括網絡、數據庫等；3、可編程應用接口（API）也稱為編程中間件、應用中間軟件，是為編制應用程序提供的各種編程接口庫，它針對不同應用領域、不同的安全要求分別構建，從而減輕應用開發者的負擔

22、；4、應用軟件由開發者根據需求編寫的軟件。共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統(xtng)及其應用1.2 嵌入式系統的核心技術1.2.1 嵌入式系統的組成結構1.2.2 嵌入式外圍設備1.2.3 嵌入式軟件1.2.4嵌入式操作系統共九十頁1.2.4嵌入式操作系統操作系統OS(Operating System)：是用戶與計算機硬件系統之間的接口，通過OS能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。嵌入式操作系統就是支持嵌入式系統工作的操作系統。嵌入式操作系統必須包括操作系統的一些最基本功能，如中斷處理與進程調度，用戶可通過API來使用操作系統。好處：可使應

23、用程序設計人員無須考慮硬件只專注于所擅長領域的開發，提高(t go)了嵌入式系統開發的效率、和應用軟件的可移植性；嵌入式操作系統大部分是實時操作系統。共九十頁OS體系結構圖應用程序驅動程序、硬件抽象(chuxing)層、板級支持包驅動(q dn)層應用層OS層基本模塊進程調度內存管理調度文件管理OS核 硬件 （Hardware）擴展模塊圖形驅動數據庫模塊網絡模塊調度應用程序接口（API）中間件層共九十頁實時操作系統RTOS實時操作系統RTOS(Real Time Operating System): 相對于分時操作系統(Time-Sharing OS)的一個概念，一個優先等級高的任務能夠獲得立

24、即的、無延遲的服務，不需等候任何其它任務，可以一直執行到工作結束或有更高等級的任務出現為止。實時操作系統RTOS實時有兩種類型：軟實時系統并不要求限定某一任務必須在一定的時間內完成，只要求各任務運行得越快越好的，它可以容忍偶然的超時錯誤。硬實時系統對響應時間有嚴格的要求，它不允許任何超出時限的錯誤，一旦系統響應時間不能滿足，就可能引起系統崩潰(bngku)或致命的錯誤，工業控制中應用較多。共九十頁實時操作系統RTOSRTOS可靠性和可信度很高的實時內核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標準的應用程序編程接口API，并根據各個任務的優先級，合理地在不同任務之間分配

25、CPU時間。RTOS是針對(zhndu)不同處理器優化設計的高效率實時多任務內核，優秀的RTOS可以面對幾十個系列的嵌入式MPU、MCU、DSP、SoC等提供類同的API接口，因此基于RTOS上的C語言程序具有極大的可移植性。實時操作系統可以根據實際應用環境的要求對內核進行剪裁和重新配置，組成可根據實際的不同應用領域而有所不同。像實時內核、網絡組件、文件系統和圖形接口等是基本模塊。 共九十頁典型(dinxng)嵌入式操作系統商用型：VxWorks、Windows CE、Windows XP Embedded 、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等;優點：功能穩定

26、、可靠，有完善(wnshn)的技術支持和售后服務；缺點：昂貴、源代碼封閉，限制了開發者的積極性免費型：Linux、C/OS-II比如嵌入式Linux操作系統以價格低廉、功能強大、易于移植而且程序源碼全部公開等優點正在被廣泛采用，成為新興的力量。共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統(xtng)及其應用1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.3.1 馮諾依曼體系結構1.3.2 哈佛體系結構1.3.3 流水線技術1.3.4 RISC精簡指令集計算機共九十頁1.3.1 馮諾依曼體系結構1946年美籍匈牙利人馮諾依曼提出了存儲程序(chngx)原理，奠定了計算機的基

27、本結構和工作原理的技術基礎。共九十頁馮諾依曼體系結構模型(mxng)指令寄存器控制器數據通道輸入(shr)輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3數據數據0數據1數據2將數據和指令都存儲在同一個存儲器中，統一編址，指令和數據通過同一總線訪問共九十頁馮諾依曼體系結構馮諾依曼計算機工作過程(guchng)：取指譯碼執行。FetchDecodeExecute取指級：從存儲器中讀取指令。譯碼級：對指令進行譯碼。執行級：寄存器讀，移位、 ALU操作，寄存器寫等。PCPCPC - 4PC-2PC - 8PC - 4ARMThumb共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用

28、(yngyng)1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.3.1 馮諾依曼體系結構1.3.2 哈佛體系結構1.3.3 流水線技術1.3.4 RISC精簡指令集計算機共九十頁1.3.2 哈佛體系結構哈佛結構：為數據和程序提供了各自獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，與之相對應的是系統中設置的兩條總線（程序總線和數據總線），從而使數據的吞吐(tnt)率提高了一倍。共九十頁哈佛體系結構指令寄存器控制器數據通道輸入(shr)輸出(shch)中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數據存儲器數據0數據1數據2地址指令地址數據共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及

29、其應用(yngyng)1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.3.1 馮諾依曼體系結構1.3.2 哈佛體系結構1.3.3 流水線技術1.3.4 RISC精簡指令集計算機共九十頁1.3.3 流水線技術(jsh)流水線技術：是一種將每條指令分解為多步，允許不同指令的不同步的操作同時處理，從而實現(shxin)幾條指令并行處理的技術。流水線的工作方式就象工業生產上的裝配流水線。能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令，比逐條指令執行要快，提高了CPU的運算速度。流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。ARM7是馮諾依曼結構，采用了典型的三級流水線，而ARM9則是哈佛結構，采用五級

30、流水線技術，ARM10采用6級流水線，而ARM11則更是使用了8級流水線。共九十頁1、三級流水線技術(jsh)三級流水線技術每條指令分取指、譯碼、執行三個階段，任意時刻，可能有3種不同的指令占有這3級中的一級。每一級的硬件是獨立(dl)操作，不會同時做2個（及以上）同樣的事情。fetch decode excutefetch decode excutefetch decode excute指令1指令2指令3指令 時間TT共九十頁三級流水線舉例(j l)1：最佳操作流水線該例中用(zhngyng)6個時鐘周期執行了6條指令所有的操作都在寄存器中（單周期執行）指令周期數 (CPI) = 1 操作周

31、期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch共九十頁三級流水線舉例(j l)2：LDR 流水線該例中，有一條LDR指令傳送數據，用6周期(zhuq)執行了4條指令指令周期數 (CPI) = 1.5 周期 操作123456 ADD SUB LDR MOV AND ORRFetchDecodeExecuteFe

32、tchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch共九十頁2、五級流水線技術(jsh)ARM9 是Harvard架構、五級流水線技術，可以實現(shxin)對指令和數據存儲器的同時訪問。周期操作ADD R1, R1, R2SUB R3, R4, R1ORR R8, R3, R4AND R6, R3, R1EOR R3, R1, R2LDRR4, R7123456789FDEWFDEWFEWFDEWFDWEFDEWMDF 取指Fetch D 解碼Decode E 執行ExecuteM

33、訪問存儲器Memory W 寫回Writeback本例中包含LDR指令，用了6個時鐘周期執行6條指令，指令周期數CPI = 1，達到最佳水平。共九十頁3、各版本(bnbn)AMR核采用的流水線技術各版本AMR核采用(ciyng)的流水線技術：共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用(yngyng)1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.3.1 馮諾依曼體系結構1.3.2 哈佛體系結構1.3.3 流水線技術1.3.4 RISC精簡指令集計算機共九十頁1.3.4 RISC精簡指令集計算機CISC（Complex Instruction Set Comput

34、er,復雜指令集計算機），結構有其固有的缺點，即隨著計算機技術的發展而不斷引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結構也會越來越復雜。CISC各種指令使用頻率相差懸殊:20的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80；80的指令卻不經常使用，在程序設計中只占20；1979年由美國加州大學伯克利分校提出RISC（Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機）。RISC并非只是簡單地去減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結構更加(gnji)簡單合理地提高運算速度上。共九十頁RISC精簡指令集計算機RISC體系結構應具有如下特點：采用固定長度的

35、指令格式,指令歸整、簡單、基本尋址方式有23種。使用單周期指令,便于流水線操作執行。大量使用寄存器,數據處理指令只對寄存器進行操作,只有加載/存儲指令可以訪問存儲器,以提高指令的執行效率。所有的指令都可根據前面(qin mian)的執行結果決定是否被執行,從而提高指令的執行效率。可用加載/存儲指令批量傳輸數據,提高數據的傳輸效率。可在一條數據處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。在循環處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。共九十頁RISC精簡指令集計算機決不能認為RISC架構就可以取代CISC架構，RISC和CISC各有優勢，而且(r qi)界限并不那么明顯。現代的CPU往往采用CISC的外

36、圍，內部加入了RISC的特性,如超長指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優勢，成為未來的CPU發展方向之一。最成功的也是第一個商業化的RISC實例就是ARM，因此RISC就是ARM的別名。共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用(yngyng)1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.4 Cortex-M3 體系簡介1.4.1 ARM發展的歷程1.4.2 CortexTM-M3處理器簡介1.4.3 STM32 系列微控制器共九十頁1.4.1 ARM發展(fzhn)的歷程1985年4月英國Acorn Computer Group開發出RISC處理器。

37、 1990年成立ARM(Advanced RISC Machine Limited，英美)。1993年推出第一款嵌入式 RISC 核心，即ARM6； 1993年ARM7 ；1997年ARM9TDMI ； 2002年發布ARM11；2004發布首款基于(jy)ARMv7體系結構的 Cortex-M3 處理器（而不再繼續稱ARM12），M系列主要是針對微控制器領域;2005發布Cortex-A8，A系列開放式操作系統的高性能處理器；2006年發布Cortex-R4,R系列則面向深層嵌入式實時系統應用,如汽車電子； 2007推出SecurCore SC300處理器,面向智能卡領域；2009發布2GH

38、z 頻率的Cortex-A9 雙核處理器，和積最小、功耗最低和能效最高的Cortex-M0處理器（兼容M3）； 共九十頁ARM發展(fzhn)的歷程共九十頁ARM發展(fzhn)的歷程按照ARM公司的經營模式，ARM只提供IP核（知識產權），ARM公司本身并不生產、銷售芯片。ARM是業界領先的微處理器技術提供商，提供最廣泛的微處理器內核，可滿足幾乎所有應用(yngyng)市場對性能、功耗及成本的要求。再加上一個富有活力的生態系統（擁有 1000多家可提供芯片、開發工具和軟件的合作伙伴）。至2013年已售出超過 300 億個處理器，每天的銷量超過 1600 萬，是真正意義上的“The Archi

39、tecture for the Digital World”（面向數字世界的體系結構）。2001年ARM進入中國。目前在中國發展迅速，每年都有超過10萬名工程師、大學生得到相關的技術培訓，所有高校開設了ARM課程。 共九十頁ARM發展的歷程(lchng)-Cortex系列按嵌入式系統的典型應用分類：Cortex-A：高性能（High Performance），針對日益增長的運行Linux、WinCE、Symbian等操作系統(co zu x tn)在內的消費者娛樂和無線產品設計與實現。Cortex-M：微控制器類（Microcontroller），針對應用系統對功耗、成本敏感，同時對微處理器性

40、能要求較高的工業領域（汽車、家電、醫療器械等）。Cortex-R：實時類（Real Time），針對實時性要求較高的領域，可以運行RTOSCortex不再區分微處理器ARM和Thumb兩種工作狀態，指令完全采用Thumb-2體系架構。共九十頁ARM發展的歷程(lchng)-Cortex系列Cortex是ARM的新一代處理器內核，它在本質上也是ARM v7架構的實現。Cortex系列是全新開發的，老版本的程序必須經過移植才能在Cortex上運行。ARM Cortex-M3處理器還首次配備了嵌入式中斷向量控制器NVIC，采用搶占、尾鏈、遲到等中斷處理新技術，能夠以最小的時鐘開銷，實現了出色的中斷處

41、理。憑借0.35微米和0.25微米先進集成電路生產工藝，Cortex實現了成本與性能的理想折衷，Cortex在未來(wili)將獲得更為廣泛的應用。共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用(yngyng)1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.4 Cortex-M3 體系簡介1.4.1 ARM發展的歷程1.4.2 CortexTM-M3處理器簡介1.4.3 STM32 系列微控制器共九十頁1.4.2 CortexTM-M3處理器簡介(jin ji)該處理器是首款基于ARMv7-M架構的處理器，采用了純Thumb2指令的執行方式，具有極高的運算能力和中斷

42、相應能力。Cortex-M3采用的V7指令集，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，并且能實現更小芯片面積，利于將更多功能整合在更小的芯片尺寸中。 Cortex-M3采用了新型的單線調試(Single Wire)技術，專門拿出一個引腳來做調試，從而節約了大筆的調試工具費用。同時，Cortex-M3中還集成(j chn)了大部分存儲器控制器，這樣工程師可以直接在MCU外連接Flash，降低了設計難度和應用障礙。共九十頁CortexTM-M3處理器簡介(jin ji)Cortex-M3采用哈佛結構擁有獨立的指令總線和數據總線，但這兩條總線共享一個存儲器空間ARM Cortex-M3處理器結

43、合了多種突破性技術，令芯片供應商提供超低費用的芯片，僅33000門的內核性能可達1.2DMIPS/MHz。該處理器還集成了許多緊耦合系統外設，令系統能滿足下一代產品的控制需求。ARM公司希望Cortex-M3核的推出，能幫助單片機廠商實現由8位(16位)向32位微處理器的快速移值。Cortex-M3主要應用于汽車車身系統，工業控制系統和無線網絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域。目前(mqin)最便宜的基于該內核的ARM單片機售價為1美元。共九十頁CortexTM-M3處理器簡介(jin ji)共九十頁CortexTM-M3處理器內核(ni h)共九十頁第一章 嵌入式系統(xtng)概述1.1 嵌入式系統及其應用1.2 嵌入式系統的核心技術1.3 計算機體系結構1.4 Cortex-M3 體系簡介(jin ji)1.4.1 ARM發展的歷程1.4.2 CortexTM-M3處理器簡介1.4.3 STM32 系列微控制器共九十頁1.4.3 STM32 系列(xli)微控制器Actel，Broadcom，TI，ST、Fujitsu、NXP等業界重量級公司，在標準Cortex M3內核的基礎