第1章嵌入式系統

概述本期課程內容第1章嵌入式系統概述第2章ARM9體系結構第3章ARM9指令系統及基于ARM的程序設計第4章ARM9微處理器S3C2410第5章嵌入式實時操作系統uc/os-Ⅱ第6章嵌入式系統應用實例主要實驗實驗一 ARM指令系統及匯編語言設計軟件實驗實驗二

基于S3C2410微處理器的嵌入式系統硬

件實驗實驗三

基于μC/OS-II操作系統及S3C2410微處

理器的應用實例參考書目《ARM體系結構與編程》杜春雷編著清華大學出版社《嵌入式系統設計與實例開發----基于ARM微處理器與uc/os-Ⅱ實時操作系統》（第3版）王田苗魏洪興編著清華大學出版社《嵌入式實時操作系統uc/os-

Ⅱ》（第2版）JeanJ.Labrosse著邵貝貝等譯北京航空航天出版社《S3C2410&嵌入式Linux系統教程》周立功等編著廣州致遠電子有限公司先期課程微機系統及接口技術（計算機組成原理或單片機原理）80x86系統匯編語言C語言程序設計去年調查問卷的結果1、在本門課之前，你對《微機系統及接口》、單片機》或類似課程的掌握程度（）。 A沒學過2/32B學過29/32C精通1/322、在本門課之前，你對《C語言編程》或類似課程的掌握程度（）。 A沒學過0/32B學過29/32C精通3/323、在本門課之前，你對《匯編語言》或類似課程的掌握程度（）。 A沒學過1/32B學過30/32C精通1/32去年調查問卷的結果4、在本門課之前，你是否選修過《嵌入式系統》或接觸過ARM系統芯片的調試（）。 A沒學過25/32B學過7/32C精通0/325、你希望本門課的最終考核方式為（） A開卷考試10/32B編程大作業15/32 C調研報告7/32第1章嵌入式系統概述1.1 嵌入式系統簡介1.2 嵌入式處理器1.3 嵌入式操作系統1.4 嵌入式系統開發方法1.5嵌入式系統學習1.1嵌入式系統簡介1.1.1嵌入式系統定義1.1.2嵌入式系統應用1.1.3嵌入式系統組成1.1.4嵌入式系統特點1.1.5嵌入式系統分類1.1.6嵌入式系統發展1.1.1嵌入式系統定義隨著計算機技術、網絡技術和微電子技術的快速發展，人們進入了后PC時代，后PC時代是一個嵌入式系統（EmbeddedSystem）的網絡時代，嵌入式技術將主宰后PC時代。“嵌入式系統”實際上是“嵌入式計算機系統”的簡稱。對“嵌入式系統”有各種不同的定義。1.1.1嵌入式系統定義(2)IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”（Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定義是從應用上、功能上考慮的，嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。1.1.1嵌入式系統定義(3)國內普遍被認同的定義從本質上來說，嵌入式系統是：“以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統”。嵌入式系統就是一個具有特定功能或用途的、隱藏在某種設備中的、計算機軟硬件集合體，沒有固定的特征形狀。1.1.1嵌入式系統定義(4)

嵌入式系統三要素：嵌入、專用、計算機嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環境要求專用性：軟、硬件按對象要求設計、裁減計算機：實現對象的智能化功能，是計算機1.1.1嵌入式系統定義(5)嵌入式系統的特性只執行特定功能以微控制器、外圍器件為中心，系統構成可大可小有嚴格的時序性和穩定性要求自動操作循環，等待中斷控制程序被燒錄在芯片中1.1.1嵌入式系統定義(6)單片機和嵌入式系統的區別單片機屬于嵌入式系統，故嵌入式系統的歷史已經有幾十年。單片機與嵌入式系統的區別，只有嵌入式系統的部分結構和部分功能：數據處理能力有限、處理速度有限，不能夠用于所有的嵌入式系統單片機不使用操作系統單片機無網絡功能1.1.2嵌入式系統的應用嵌入式系統應用及其廣泛，只要是用電的設備，都可以有嵌入式系統，對于日常生活用品，甚至于不用電的設備也可能有嵌入式系統。辦公設備：復印機、傳真機，PC機外圍設備，鍵盤、鼠標、U盤、顯示器、Modem、打印機、掃描儀等，含有數個甚至十數個嵌入式系統。消費類產品：如MP3、照相機、攝像機、PDA、智能玩具，游戲機、學習機、網絡家電、智能家電、便攜視頻機、導航儀、車載視頻音響、競賽設備、主持人設備等。1.1.2嵌入式系統的應用（2）測控和自動化：各個領域中的智能儀器儀表，各種裝備、設備中的測控系統、自動化系統。如工業控制、數控機床、智能工具、工業機器人、服務機器人等，汽車、火車、輪船、航空與航天器等工具中的控制系統。數字網絡通信：交換機、路由器、網關、手機，各個領域、裝備、設備中的數字網絡通信系統。1.1.2嵌入式系統的應用(3)嵌入式系統的應用領域工業控制儀器儀表日常生活科學研究軍事國防航空航天 醫療衛生文化教育廣播電視電信網絡交通運輸水利電力農業氣象1.1.2嵌入式系統的應用(3’)當前我國的主要應用領域客戶分布：主要在電信、醫療、汽車、安全、工業控制和消費類等行業。產品分布：主要在消費類電子、通信、醫療、安全等行業。 其中在消費類電子領域占最大的市場份額。發展重點：移動多媒體、數字娛樂、手機終端、汽車電子成為嵌入式系統應用市場的發展重點。1.1.2嵌入式系統的應用(4)1.1.2嵌入式系統的應用(4)汽車電子軍事國防領域航天領域后PC時代產品的蓬勃發展1.1.2嵌入式系統的應用(5)1.1.2嵌入式系統的應用(5)1.1.2嵌入式系統的應用(6)從芯片和產品市場來看嵌入式系統的應用據統計，每年只有2%左右的計算機芯片是用在臺式PC或便攜式電腦上的。用于嵌入式系統設計與制造的CPU，每年大概有10---20億片。每年大約有1萬個新的嵌入式系統產品投入生產，而且越來越多的系統需要復雜的嵌入式操作系統。如：手持設備市場。2000年的全球產銷量為1290萬部，2004年約為6340萬部。1.1.2嵌入式系統的應用(7)嵌入式技術對科學技術的影響使計算機的分類發生變化以前對計算機的分類：分為巨型機、大型機、小型機、微機。現在分為兩大類：通用計算機和嵌入式系統，原來僅是通用計算機。形成了新的專業，甚至會成為新的學科嵌入式技術是四個學科專業的結合體：微電子學科、計算機學科、電子技術學科與對象領域（應用對象）學科1.1.2嵌入式系統的應用(8)嵌入式技術專業至少是“計算機學科”和“電子技術學科”兩種專業的結合，即：計算機(強)+電子技術(強)（軟硬件全設計）或者： 計算機(強)+電子技術(弱)（偏重軟件設計）或者： 計算機(弱)+電子技術(強)（偏重硬件設計）主宰后PC時代是一些學者的斷言

1.1.3嵌入式系統組成粗略劃分：嵌入式處理器外圍設備嵌入式操作系統(可選)嵌入式應用軟件稍細劃分：嵌入式處理器外圍設備驅動程序嵌入式操作系統應用接口嵌入式應用軟件1.1.3嵌入式系統的組成(2)

應用程序實時操作系統（RTOS）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、鼠標設備驅動程序、HAL、BSP文件系統/圖形用戶應用程序接口驅動層OS層應用層軟件以太網看門狗及復位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內存硬件1.1.4嵌入式系統的特點主要有五個方面的特點一、嵌入式系統是面向具體應用的產品嵌入式系統可以是面向某一個領域、某一行業、某一個用戶的具體產品，不具有通用性，不能獨立發展。對功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力等有嚴格要求。嵌入式系統軟件、硬件（處理器、系統等）生命周期都比較長，有繼承性。二、嵌入式軟件特點具有實時性、高質量、高可靠、程序固化。1.1.4嵌入式系統的特點(2)三、需要軟硬件開發工具和系統軟件 硬件工具：計算機、開發板、仿真器、測量分析等軟件工具：編輯、編譯、調試軟件，繪電路軟件等系統軟件：OS、數據庫等四、需要應用專家參與開發嵌入式系統一般不是一個獨立的應用產品，是某種產品的一部分，所以需要相應方面的應用專家參與。

五、嵌入式系統分散而不可壟斷通用計算機行業被壟斷（軟件和硬件）嵌入式系統領域的芯片、操作系統、軟件，充滿了競爭、發展和機遇，呈現一種百花齊放的景象。1.1.5嵌入式系統分類按表現形式（硬件范疇）

芯片級嵌入(含程序和算法的處理器、單片機)

模塊級嵌入（系統中的某個核心模塊）

系統級嵌入（系統中的電路板）按實時性要求（軟件范疇）

非實時系統（如PDA等）

軟實時系統（消費類產品如MP3、MP4等）

硬實時系統（導引頭等工業和軍工系統）1.1.6嵌入式系統的發展嵌入式系統的發展可以分為SCM、MCU、SOC/SOPC三個階段。1、嵌入式系統的誕生

由于單片機是伴隨著微機誕生的，單片機屬于嵌入式系統，因此嵌入式系統是伴隨著微機誕生的。

1971年Intel公司首先開發出了第一片4位微處理器4004，主要用于家用電器、計算器、高級玩具中。4004的問世標志著嵌入式系統的誕生。 1.1.6嵌入式系統的發展(2)2、SCM階段

即單片微機（SingleChipMicrocomputer）階段主要標志：是將微機的幾部分集成在一個芯片中代表機型：主要有Intel的MCS-48、MCS-51、MCS-96/98

1.1.6嵌入式系統的發展(3)3、MCU階段 即微控制器（MicroControllerUnit）階段主要標志：除了將微機的幾部分集成在一個芯片中外，把控制所常用到的電路也集成到芯片中，如A/D、D/A、RTC、PWM、USB、Watchdog等。Philips公司起著重要作用。代表機型：主要有STC公司的STC89LE52AD、STC12C5A60S2，Philips的LPC935、SILICONLABS公司的C8051Fxxx等1.1.6嵌入式系統的發展(4)4、SOC/SOPC階段 SOC即片上系統（SystemOnChip）、SOPC即可編程片上系統(SystemOnProgrammableChip)，在芯片上集成一個完整的專用計算機系統，單片系統。主要標志：IC設計技術發展和IP（IntellectualProperty知識產權）軟內核、SIP（SiliconIP）軟內核的出現，產生了SOC；EDA(ElectronicDesignAutomatic)工具的發展，使外圍電路簡化在一個芯片上。1.1.6嵌入式系統的發展(5)4、SOC/SOPC階段(2)IP軟內核代表：ARM公司的ARM系列處理器ARM7、ARM9等，ARM是一種高運算能力、高集成度、低功耗的RISC微處理器。 SOPC結合了SOC和PLD（可編程邏輯電路）、FPGA（復雜的可編程門陣列）各自的技術優點，使得系統具有可編程的功能，是可編程邏輯器件在嵌入式應用中的完美體現，提高了在線升級、換代能力。得益于PLD/FPGA、IP、EDA三方面技術1.1.6嵌入式系統的發展(6)嵌入式系統的發展與通用計算機技術的發展密不可分，但是又有自己獨立的發展道路。由于應用目標不同，因此兩者的發展方向有所不同。

1、通用計算機

2、嵌入式系統

1.1.6嵌入式系統的發展(7)通用計算機

沿著“高運算速度、高存儲量”方向發展，因此，通用微處理器是沿著以Intel公司產品為主導的8086、80286、80386、80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII、Pentium4的路線發展，其主頻從幾MHz發展到現在的3GHz，字長從8位發展到64位，內存從幾十KB到現在的GB，存儲容量從從幾十KB到現在的數百GB。嵌入式系統根據應用的要求，沿著“體積小、低功耗、高可靠”方向發展，對運算速度、存儲容量沒有統一要求。1.1.6嵌入式系統的發展(8)嵌入式系統當前主要研究內容OS 數據庫工具軟件圖形界面開發軟件、調試軟件、硬件設計軟件等硬件開發設備、工具（測試分析、仿真）教學方面教學內容、教學方法；實驗設備、實驗內容、實驗方法；教材等。1.2嵌入式處理器1.2.1嵌入式處理器分類1.2.2嵌入式微處理器1.2.3嵌入式微控制器1.2.4嵌入式DSP1.2.5嵌入式SOC1.2.1嵌入式處理器分類嵌入式處理器品種繁多、百花齊放、競爭激烈嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器，據不完全統計，全世界大約有1000多種嵌入式處理器，流行的體系結構有30多個系列。如MCS-51、PIC、AVR、ARM、DSP等，其中MCS-51占了多半，生產廠家20多個，350多種衍生產品，僅Philips就有近百種。處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，尋址空間從64KB到4GB。1.2.1嵌入式處理器分類嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit)嵌入式微控制器（MicroControllerUnit）嵌入式DSP處理器EDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor)嵌入式片上系統SOC(SystemOnChip) 嵌入式可編程片上系統SOPC(SystemOnProgrammableChip) 1.2.2 嵌入式微處理器嵌入式微處理器（MPU）就是和通用計算機的處理器對應的CPU，可以認為是“增強型”通用微處理器。特點：功能和微處理器基本一樣，是具有32位以上的處理器，具有較高的性能。具有體積小、功耗小、成本低、抗干擾能力強、可靠性高的特點，有的可提供工業級應用。流行的嵌入式微處理器:ARM(ARM公司)PowerPC、68000(MOTOROLA公司)MIPS(MIPS公司)1.2.2 嵌入式微處理器ARM處理器小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴生產；有多個系列，主要應用于手機、PDA、多媒體設備、網絡設備等。PowerPC處理器IBM推出的PowerPC處理器，應用范圍很廣，主要面向大型通信設備、高端的工作站。1.2.2 嵌入式微處理器MIPS處理器MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages)，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數據相關問題。MIPS的定位很廣，有MIPS32和MIPS64兩種體系結構。1.2.3 嵌入式微控制器嵌入式微控制器（MCU）就是將整個計算機系統的主要硬件集成到一塊芯片中，芯片內部集成RAM、ROM/EPROM、總線、總線邏輯、定時/計數器、串行口、Watchdog、I/O、A/D等各種必要功能的外設。特點：一個系列的微控制器具有多種衍生產品單片化、體積大大減小、功耗和成本降低、可靠性提高MCU是目前嵌入式工業的主流、約占嵌入式系統70%的份額MCU多是8位和16位處理器1.2.3 嵌入式微控制器流行的嵌入式微控制器：通用系列：MCS-51,MCS-96/196；有ARM內核的各種ARM7、ARM9微控制器，如PHILIPS公司的LPC2400系列，三星公司的S3C400、S3C2400系列，ATMEL公司的AT91系列等。半通用系列：支持IIC,CANBUS及眾多專用MCU和兼容系列1.2.3 嵌入式微控制器三星S3C2410ARM9微控制器資源具有16KB指令Cache、16KB數據Cache和存儲器管理單元MMU。外部存儲器控制器，可擴展8組，每組128MB，總容量達1GB；支持從Nandflash存儲器啟動。55個中斷源，可以設定1個為快速中斷，有24個外部中斷，并且觸發方式可以設定。4通道的DMA，并且有外部請求引腳。3個通道的UART，帶有16字節的TX/RXFIFO，支持IrDA1.0功能。具有2通道的SPI、1個通道的IIC串行總線接口和1個通道的IIS音頻總線接口。有2個USB主機總線的端口，1個USB設備總線的端口。1.2.3 嵌入式微控制器有5個16位定時器，其中4個具有PWM功能，1個內部使用（無外部引腳）。8通道的10位A/D轉換器，最高速率可達500ks/s；提供有觸摸屏接口。具有117位通用I/O口。兼容MMC的SD卡接口。具有電源管理功能，可以使系統以普通方式、慢速方式、空閑方式和掉電方式工作看門狗定時器。1.2.3 嵌入式微控制器具有日歷功能的RTC。有LCD控制器，支持4K色的STN和256K色的TFT，配置有DMA通道。具有PLL（鎖相環）功能的時鐘發生器，時鐘頻率高達203MHz。雙電源系統：1.8/2.0V內核供電，3.3V存儲器和I/O供電。1.2.4 嵌入式DSP嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令執行速度。應用領域：數字濾波 頻譜分析(如FFT)流行的嵌入式DSP：TMS320C2000系列（TI）MCS-296（Intel）MOTOROLA、AD等公司的DSP1.2.5 嵌入式SOC嵌入式SOC是追求產品系統最大包容的集成器件。絕大多數系統構件都在一個系統芯片內部。特點：結構簡潔；體積小、功耗低；可靠性高；設計生產效率高。流行的SOC：SmartXA（Philips）1.2.5 嵌入式SOC嵌入式SOPC是用可編程邏輯技術把整個系統放到一塊硅片上。它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；它是可編程系統。特點：采用超深亞微米工藝技術使用一個以上的嵌入式處理器/DSP設計方式靈活可裁減、可擴充、可升級軟硬件在系統可編程的功能。1.3嵌入式操作系統1.3.1嵌入式操作系統1.3.2嵌入式操作系統分類1.3.3幾種主流的嵌入式操作系統1.3.1 嵌入式操作系統嵌入式操作系統負責系統全部軟硬件資源的分配、調度、控制、協調，使系統高效、穩定、有序工作。嵌入式操作系統具有OS最基本的功能：進程調度、同步機制（沒有虛擬內存的管理）內存管理、設備管理、文件管理中斷管理系統功能接口(API調用，如網絡功能)、設備驅動嵌入式操作系統具有的特點：穩定可靠、弱交互 ---開放、可裁減強實時性 ---設備接口一致(文件)1.3.2 嵌入式操作系統的分類嵌入式操作系統非實時操作系統實時操作系統硬實時操作系統軟實時操作系統1.3.2 嵌入式操作系統的分類實時系統的定義：能夠對外部事件做出及時響應的系統。響應時間有保證。對外部事件的響應包括：事件發生時要識別出來在給定時間約束內必須輸出結果實時操作系統必須有以下特征：多任務有線程優先級多種中斷級別1.3.2 嵌入式操作系統的分類硬實時系統：對系統響應時間有嚴格的要求，如果系統響應時間不能滿足，就會引起系統崩潰或致命的錯誤。軟實時系統：對系統響應時間有要求，但是如果系統響應時間不能滿足，它并不會導致系統出現致命的錯誤或崩潰，只是降低系統的吞吐量。1.3.3 幾種主流的嵌入式操作系統μC/OS-II：教學免費的、面向中小型嵌入式系統應用。實時、小（幾KB）、多任務、可靠

Vxworks：美國WindRiver（風河）公司于1983年開發，具有可靠、實時、可裁減特性。

WinCE：它是微軟針對個人電腦以外的電腦產品所研發的嵌入式操作系統，而CE則為Customer

Embedded的縮寫。

Linux/μCLinux：免費、源碼開放的操作系統，μclinux面向沒有MMU的硬件平臺。

PalmOS

：Com公司產品，在PDA市場占據很大份額，具有開放的操作系統應用程序接口(API)，可讓用戶靈活方便地定制操作系統。1.4嵌入式系統的開發方法1.4.1嵌入式系統的設計要求1.4.2嵌入式系統開發特點1.4.3嵌入式系統設計過程1.4.4嵌入式系統軟件的開發模式1.4.1嵌入式系統的設計要求嵌入式系統設計開發不同于桌面系統，它非常受制于功能和具體的應用環境，所以嵌入式系統的設計具有一些特殊的要求：

接口方便、操作容易穩定可靠、維護簡便功耗管理、降低成本