第1章 嵌入式系统原理与应用 绪论.ppt

物理与电子信息工程学院 嵌入式系统原理与应用 CollegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering 王峰wang fengwf 嵌入式系统的基本概念 ARM微处理器 ARMCortex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 PersonalDigitalAssistant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Linux3 WindowsCE4 VxWorks5 Nucleus 几种最常见的RTOS RealTimeOperationSystem 软实时RTOS嵌入式LinuxWinCE硬实时RTOSVxWorksOSENuclear著名的openRTOSucOS IIRTEMS自主知识产权的RTOSHOPENDeltaOS 嵌入式处理器 嵌入式处理器可以分为三类 嵌入式微控制器 MCU 即MicroControllerUnit 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DigitalSignalProcessor 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MicroProcessorUnit 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 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 Motorola68000系列等 1 2ARM微处理器 1 2 2ARM分类 1 2 1ARM简介 1 2 3ARM体系结构的发展 1 2 4ARM与单片机的主要区别 ARM AdvancedRISCMachines 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 1ARM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 RISCCPU一定是流水CPU 但流水CPU不一定是RISCCPU 例如 意法半导体公司 STM32F103TI公司 原LuminaryMicro公司 LM3S811ATMEL公司 ATSAM3UNXP公司 恩智浦半导体 公司 LPC1768 Cortex M3内核 另外也提供基于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 RealviewMDK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 2ARM分类 1 2 3ARM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 3ARM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 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 4ARM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 CortexM3是单片机 1 3ARMCortex系列微处理器 1 3 1分类 1 3 2优势 1 3 3性能 ARMCortex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 Realtime 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linux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 SimplicityofCortex M3versusARM7 Cortex M3designedtobefullyprogrammedinC evenreset interruptsandexceptions 1 4STM32系列微控制器 1 4 1STM32系列微控制器简介 1 4 2STM32F系列微控制器分类 1 4 5STM32F103CB微控制器 1 4 6STM32系列微控制器应用 1 4 3STM32F10 x系列微控制器系统结构 1 4 4STM32F10 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ARMCortex 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 THOMSONMicroelectronics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 1STM32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ARMCortex 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STM32F101xxUSB基本型系列STM32F102xx增强型系列STM32F103xx互联型系列STM32F105 107xx 1 4 2STM32F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 3STM32F10 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 FLashInTerFace FSMC Flexiblestaticmemorycontroller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 4STM32F10 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 x00000000 0 xffffffff 1 空间 共分为8块 block0 block7 每块512M 0 x1fffffff 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 APB2 AHB 0 x40010000 0 x40020000 0 x40000000 3 数据存储器格式 以小端格式 LittleEnd 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 5STM32F103CB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