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1、嵌入式系统原理与应用,嵌入式系统的基本概念,ARM微处理器,ARM Cortex系列微处理器,STM32系列微处理器,1.1,1.2,1.3,1.4,第一章绪论,1.1 嵌入式系统的基本概念,1、定义,2、组成,3、特点,4、分类,嵌入式处理器,5、嵌入式操作系统,手持的MP3,1、定义,嵌入到对象体系内部的专用计算机系统，称为嵌入式系统,工业控制系统,火星探测器,2、组成,（1）嵌入式系统硬件组成,嵌入式 微 处 理 器,（2）嵌入式系统组成一般有以下五个（四个）部分组成嵌入式微处理器外围硬件设备,（驱动程序）(可选)嵌入式操作系统(可选)应用程序,操作系统,应用程序,嵌入式系统组成,驱动程
2、序,底层硬件,软 件 组 成,（,）,组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选）和用户的应用程序等部分组成。,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统可靠性要求高，故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统大都有成本、功耗、体积的要求嵌入式系统一般采用实时操作系统,3、特点：-嵌入式系统与PC之间的区别,4、分类,按实时性要求分：（软件范畴）非实时系统（PDA，Personal Digital Assistant 個人數字助理）软实时系统（消费类产品）硬实时系统（工业和军工系统）,两种类型的实时系统,软实时系统:不要求限定某一任务必须在
3、一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统:对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。,5、嵌入式操作系统,1、uC/OS-II2、嵌入式Linux 3、Windows CE4、VxWorks5、Nucleus,几种最常见的RTOS（Real Time Operation System）,软实时RTOS嵌入式Linux Win CE硬实时RTOSVxWorksOSENuclear著名的open RTOSucOS/IIRTEMS自主知识产权的RTOSHOPENDelta OS,嵌入式处理器,嵌入式处理器可以分为三
4、类：嵌入式微控制器(MCU，即Micro Controller Unit):又称单片机，将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有80C51系列单片机等。嵌入式数字信号处理器（DSP,即Digital Signal Processor）:专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理的分析等领域，DSP正在大量进入嵌入式市场。嵌入式微处理器（MPU，即Micro Processor Unit）:它是专用的CPU,不同于通用计算机的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，
5、在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：ARM、PowerPC、Motorola 68000系列等。,1.2 ARM微处理器,1.2.2 ARM 分类,1.2.1 ARM 简介,1.2.3 ARM 体系结构 的发展,1.2.4 ARM与单片机的主要区别,ARM（Advanced RISC Machines）：既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器
6、70以上的市场份额。ARM公司是专门从事基于RISC技术的芯片设计开发公司。,1.2.1 ARM简介,RISC的三个要素是：,(1)一个有限的简单的指令集；(2)CPU配备大量的通用寄存器；(3)强调对指令流水线的优化。,RISC的目标：不是简单地 缩减指令系统。而是使处理器的结构更简单，具有更快的处理速度。,RISC CPU一定是流水CPU，但流水CPU不一定是RISC CPU。,例如:意法半导体公司:STM32F103 TI公司(原Luminary Micro公司)：LM3S811 ATMEL公司:ATSAM3UNXP公司（恩智浦半导体）公司:LPC1768,Cortex-M3内核,另外也
7、提供基于ARM架构的开发设计技术，软件工具,调试工具,应用软件,评估板,总线架构,外围设备单元，等等。,Realview MDK集成开发环境:源自Keil公司（现在已经被ARM公司收购），是ARM公司最新推出的，针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。它包括大家非常熟悉的uVision4集成开发环境和RealView编译器。,ARM合作伙伴,正中间是和ARM公司合作最紧密的公司，它们都是一些大的半导体公司，也是ARM公司最直接的客户，比如ST、TI、IBM、OKI、MOTOROLA、SHARP、PHILIPS等等 旁边这四个角分别是技术共享计划合作伙伴、开发工具合作伙伴、软件应用合作伙伴、操作系统
8、合作伙伴。这是比较早期的一个图片，很多公司都没有出现在这上面，实际上ARM公司的合作伙伴类型和数量都远远不止这些。,S3C2410,S3C2440,1.2.2 ARM分类,1.2.3 ARM体系结构的发展,5、ARMv5体系结构,2、ARMv2体系结构,3、ARMv3体系结构,4、ARMv4体系结构:,1、ARMv1体系结构,6、ARMv6体系结构,7、ARMv7体系结构,1.2.3 ARM体系结构的发展,5、ARMv5体系结构：提升了ARM和Thumb指令的交互工作能力。,2、ARMv2体系结构,3、ARMv3体系结构,4、ARMv4体系结构：加入了半字存储操作。,1、ARMv1体系结构,6
9、、ARMv6体系结构：增加了媒体指令,7、ARMv7体系结构：定义了三种独立的内核:A（应用领域）、R（实时领域）、M（控制领域）,ARM系列 与 ARM体系结构 对照表：,注意：ARM7系列不是采用ARMv7的体系结构，不要混淆！ARM7和ARMv7，两者不是一回事。,1.2.4 ARM与单片机的主要区别,6.体系结构复杂,ARM嵌入式系统,单片机,上面的单片机：就是指通常说的单片机。上面的ARM：指可装复杂操作系统的ARM,例如ARM9，CORTEX-A8,单片机和 嵌入式系统的关系：单片机是嵌入式系统的一类，某些嵌入式系统可是单片机，例如ARM-Cortex M3 是单片机。,1.3 A
10、RM Cortex系列 微处理器,1.3.1 分类,1.3.2 优势,1.3.3 性能,ARM Cortex系列 微处理器：分为A/R/M 三大系列，即Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M 三类。,1.3.1 分类,Cortex-A：应用(Application)处理器 系列，专门为复杂操作系统与使用者应用所开发。（强调的是应用，建立在复杂操作系统上的应用）,Cortex-R:支持各种 实时（Real time）系统的嵌入式处理器,Cortex-M:针对微控制器（MCU）和低成本所设计的嵌入式处理器。正是由于其面向控制，其操作系统能力很弱，仅仅支持UCOS等简易操作系统，和li
11、nux的简化版uclinux等。,1.3.2 优势,Cortex的优势应该在于低功耗、低成本、高性能的结合。,Cortex-M3 简写作 CM3,1.3.3 性能,Simplicity of Cortex-M3 versus ARM7,Cortex-M3 designed to be fully programmed in C:even reset,interrupts and exceptions,1.4 STM32系列微控制器,1.4.1 STM32系列微控制器 简介,1.4.2 STM32F系列微控制器 分类,1.4.5 STM32F103CB微控制器,1.4.6 STM32系列微控制器
12、 应用,1.4.3 STM32F10 x系列微控制器 系统结构,1.4.4 STM32F10 x系列微控制器 存储器组织,STM32系列微控制器：是由意法半导体公司（STMicroelectronics）以ARM Cortex-M3为内核开发生产的32位微控制器（单片机）。,意法半导体（ST）集团于1987年6月成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON Microelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司（STMicroelectronics）。,意法半导体有限公司(STMicroelectronics)是全球
13、独立的半导体公司，并成为各种微电子应用系列开发和转让芯片级解决方案的领导者。,1.4.1 STM32系列微控制器 简介,意法半导体公司（STMicroelectronics）,32位微控制器（单片机）,STM32系列微控制器：基于ARM Cortex-M3内核。,STM32F系列是STM32系列的基础,F：指通用类型。,超值型系列STM32F100 xx 基本型系列STM32F101xx USB基本型系列STM32F102xx 增强型系列STM32F103xx 互联型系列STM32F105/107xx,1.4.2 STM32F系列微控制器 分类,STM32F系列包括五个产品线，满足工业、医疗和
14、消费电子市场的各种应用需求。（以下五个产品线之间引脚、外设和软件兼容）：,STM32F系列 图解,1.4.3 STM32F10 x系列微控制器 系统结构,系统结构图,四个驱动单元：Cortex-M3内核的DCode总线(D-bus)系统总线(S-bus)通用DMA1总线 通用DMA2总线 四个被动单元 内部SRAM 内部闪存存储器接口（FLITF:FLash InTerFace）FSMC(Flexible static memory controller灵活的静态存储器控制器)AHB到APBx的桥(AHB2APBx)，它连接所有的APB设备,在小容量、中容量和 大容量产品中，主系统由以下部分构
15、成：,ICode总线该总线将Cortex-M3内核的指令总线与闪存指令接口相连接。指令预取在此总线上完成。DCode总线该总线将Cortex-M3内核的DCode总线与闪存存储器的数据接口相连接(常量加载和调试访问)。系统总线此总线连接Cortex-M3内核的系统总线(外设总线)到总线矩阵 DMA总线此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联。,总线矩阵包含 4个驱动部件(DCode总线、系统总线、DMA1总线和DMA2总线)和 4个被动部件(闪存存储器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APBx桥)。,AHB/APB桥(APB)两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供
16、同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。,MCS-51单片机 内部逻辑结构 如下：,控制器,运算器,并行输入输出,并行输入输出,内部RAM,ROM,定时计数器,中断,串行,1.4.4 STM32F10 x系列微控制器 存储器组织,4G字节的寻址空间，地址范围：0 x0000 0000-0 xffff ffff,1.空间,共分为8块：block0block7，每块512M,0 x1fff ffff,2.组成结构,外设寄存器组（PERIPHERALS）-包括输入输出端口数据存储器(SRAM)程序存储器(CODE),-详见stm32的数据手册,APB1,APB
17、2,AHB,0 x4001 0000,0 x4002 0000,0 x4000 0000,3.数据存储器格式,以小端格式(Little End)存放在存储器中,(一个字里的最低地址字节被认为是该字的最低有效字节，而最高地址字节是最高有效字节。),1.4.5 STM32F103CB微控制器,STM32系列微控制器 本身就是一个高级单片机，它不可怕。,编程：进行STM32 的编程，与单片机不同，它有一个固件库。所谓固件库，实际上就是一大堆用C语言所写的标准的函数（接口-与底层硬件的接口），我们写程序的时候只要去调用它，即可实现对底层硬件的操作。用C语言，取代汇编语言对底层硬件进行操作。,实际上，固件库就是一个程序模板，利用该模板，在此基础上进行修改，即可快速地得到所用的程序。该固件库使得用户在没有深入学习外围模块规格手册的情况下，也能够使用任何在用户应用中涉及到的设备。因此，使用该固件库可以节省您的许多时间，让您有更多的时间花费在编程方面，从而减少了在应用开发中的综合开销。,1.4.6 STM32系列微控制器 应用,用于汽车控制系统,-汽车控制系统解析,STM32系列微控制器 各类应用,作业：,1、简述嵌入式系统、ARM微处理器、ARM Cortex系列微处理器、STM32系列微处理器之间的关系。,2、总结本章所学的知识 和 学习体会。,
