嵌入式系统课件第1章

1、嵌入式系统原理v课程教学内容：(嵌入式系统原理及接口技术)v1，绪论 介绍嵌入式系统的发展、应用、开发环境；v2，体系结构 介绍ARM9体系结构；v3，汇编语言 介绍ARM9汇编指令系统，启动程序；v4，存储器接口 介绍存储器接口设计技术；v5，中断机制 介绍中断控制机制级编程；v6，I/O接口 介绍通用I/O接口技术；v7，定时/计数器 介绍定时器原理及控制；v8，通信接口 介绍RS-232、I2C总线。v实验教学内容：v1，ADS1.2开发环境的使用；（20分）v2，系统启动引导程序学习并设计；（20分）v3，定时器程序学习并设计（含中断）； （30分）v4，通信程序的学习并设计；（30分

2、）v课程考试要求： v1，平时实验交实验报告100分，占总成绩的30；v2，期终开卷笔试100分，占总成绩的70。第一章 绪论本章学习目标与要求1. 了解什么是嵌入式系统，嵌入式计算的特点；2. 了解嵌入式系统硬件平台、软件平台的发展；3. 描述嵌入式系统的应用及前景；4. 描述嵌入式系统开发环境；5. 了解并掌握ADS1.2开发环境的使用。1.1 嵌入式系统的发展 什么是嵌入式系统，目前对嵌入式系统有多种定义。 传统的嵌入式系统定义是：嵌入式计算系统是嵌入在其他设备中，起智能控制作用的专用计算机系统。 目前流行的嵌入式系统定义是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪

3、，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统（图）计算技术及计算机的发展阶段计算模式的发展阶段计算机的发展主机计算模式大型计算机中型计算机小型计算机,工作站台式PC机个人计算模式笔记本电脑计算机+网络分布式计算模式普适计算模式嵌入式系统,移动通信计算模式发展阶段v计算模式的发展是随着计算机结构发展而发展。计算模式的发展可以归纳为四个阶段：主机计算模式、个人计算模式、分布式计算模式、普适计算模式。图为美国于20世纪50年代生产的IBM704型采用电子管的第一代电子计算机1.1.1 嵌入式系统硬件平台的发展（续）v微处理器的出现已有很长时间了，传统的嵌入式

4、系统设计起源于二十世纪七十年代初，但是嵌入式系统对信息技术（IT）产业产生强有力的影响还只是近几年的事。随着技术的发展，对嵌入式系统的设计要求也越来越复杂，传统的手工设计方法已不能满足快速、高效地设计复杂嵌入式系统的要求。（续）v根据摩尔定律，微处理器飞速发展的结果是嵌入式计算成为一门学科 。在嵌入式系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶体管等，其软件子系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软件设计的复杂

5、性成倍增长。因此研究嵌入式系统的设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是嵌入式计算学科的关键技术。（图）v各发展阶段典型的嵌入式CPU（续）v目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到几个GB，处理速度从0.1 MIPS到2000 MIPS。根据不同的应用状况，嵌入式处理器可以分成下面几类： v1、嵌入式微处理器 v2、嵌入式微控制器 v3、嵌入式DSP处理器 v4、嵌入式片上系统SOC 1.1.2 嵌入式系统软件平台的发展（续）v嵌入式系统的软件部分包括系统软件（既嵌入式操作系统）和应用软件，通

6、常设计人员把这两种软件组合在一起，作为一个有机的整体存在。嵌入式系统软件的要求与台式通用计算机有所不同，其特点主要有： v 软件要求固态化存储；v 软件代码要求高效率、高可靠性；v 系统软件(OS)有较高的实时性要求。 （续）比较著名和流行的嵌入式操作系统有： v Windows CE；v VxWorks；v 嵌入式Linux；1.2 嵌入式计算的特点v嵌入式系统是以微处理器为核心的，嵌入在其他设备中的专用计算机系统。它设计中所面临的问题有许多是计算机系统设计中所面临的共性问题。但由于嵌入式系统并不是独立的，它与所嵌入的设备紧密关联，因此，与通用台式计算机比较而言，它的设计还是具有许多特殊性。

7、 嵌入式系统设计要求v嵌入式计算技术所面临的挑战源于基础技术的迅猛发展及用户需求的不断提高。在设计中，系统的功能性对于通用台式计算机系统和嵌入式系统来说都是非常重要的，但是，与通用台式计算机系统的设计相比较，嵌入式系统的设计有其许多特殊的要求，主要体现在以下几方面： v1、实时性 v2、功耗 v3、低成本 v4、环境相关性 嵌入式系统设计面临的问题v外部约束是嵌入式系统设计时遇到困难的一个重要来源。下面是所面临的主要问题：v（1）需要多少硬件 在设计嵌入式系统时不仅需考虑选择何种CPU，同样需考虑存储器容量、I/O设备及其他外围电路。 v（2）如何满足实时性 单纯用提高CPU速度的方法来使程序

8、运行的速度加快从而解决实时性问题的方法是不可取的。应精确设计程序以满足实时性要求。 v（3）如何减少系统的功耗 降低嵌入式系统功耗的一种方法就是降低它的运算速度。但是单纯地降低运算速度会导致实时性能不满足。 v（4）如何保证系统可升级 v（5）系统调试复杂 v（6）开发环境受限 1.3 嵌入式系统应用信息家电v信息家电是指所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子产品。 v后PC时代，计算将无处不在，家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、冰箱、微波炉、电话等都将嵌入计算机，并通过家庭服务器与Internet连接，转变为智能网络家电，还可以实现远程家电控制、远程教育等新功能。 移动计

9、算设备v移动计算设备包括智能手机、PDA、电子导航系统等。中国拥有世界上最大的手机用户群，智能手机已向着具有强大计算功能的方向发展，而不仅仅只用于通信。在未来，新的移动、手持式设备将会得到极大的发展，通过这些设备实现人们可以随时随地进行互联访问。 汽车电子v汽车电子包括：车载音响、车载电话、防盗系统等产品。还包括汽车仪表、导航系统、发动机控制器(如空燃比控制、点火正时控制)、底盘控制器(如制动防抱死控制、驱动防滑控制、车辆稳定性控制) 等技术含量高的产品。在将来，汽车将成为娱乐中心和移动办公中心，汽车电子的各组成部分将要建立在标准通信协议基础上。 工业控制v基于嵌入式微处理器的工业自动化设备获

10、得了迅速发展，目前已有大量8位、16位和32位嵌入式微处理器应用于工业过程控制、数字机床、电力系统、电网设备监控等领域中。就传统的工业控制产品而言，低端产品往往是8位单片机。但随着技术的发展，32位和64位处理器逐渐成为工业控制设备的核心。相对于其他领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用中最典型、最广泛的领域之一。从最初的51系列等单片机到现在的工控机、SOC等，在各种机电产品中占有巨大的市场。 1.4 嵌入式系统软件开发环境开发板图v各种基于ARM的开发板目标系统及生成目标v在嵌入式系统的开发调试中，需要了解下面两个概念：v（1）目标系统（target system） 指应用程序所运行的嵌入式

11、环境，可以是实际的、基于ARM的硬件系统，也可以是在台式PC主机上的ARM仿真运行环境。v（2）生成目标（build target） 指的是用于生成特定目标文件的生成选项以及所用的所有文件的集合。生成选项包括汇编选项、编译选项、连接选项和连接后处理选项等。通常一个生成目标对应着一个目标文件。例如，ARM提供的可执行映像文件的模板包括了下面3个生成目标。嵌入式系统开发工具简介v CodeWarrior for ARM集成开发环境是ADS1.2（ARM Developer Suite）开发工具套件中的一个重要组成部分，是ARM公司推出的、针对基于ARM系列芯片开发嵌入式系统常用的开发工具。宿主机（

12、运行调试工具软件）通信信道目标机（内嵌的调试部件）（续）vCodeWarrior for ARM集成开发环境的主要功能是：v（1）以工程项目的方式来管理源代码文件、库文件以及其他文件。v（2）内含一个源代码编辑器。在此编辑器中可以进行ARM汇编语言、C语言等的源程序编辑。v（3）可进行各种生成选项设置，以生成不同配置的映像文件。v（4）在文本文件中进行字符串的搜索和替换。v（5）文本文件比较功能。v（6）用户还可以根据自己的爱好设置集成环境的特色界面。 （续）vCodeWarrior for ARM集成开发环境中是采样工程项目来管理应用程序的源文件、库文件、头文件以及其他的输入文件，这些文件可

13、以按照某种逻辑关系进行分组。一个工程项目中至少包含一个生成目标，每个生成目标定义了一组选项，用于生成特定的目标文件。 图1-1（续）v如图1-1所示，Files选项卡中包含了该工程项目中所包含的文件。这些文件可以根据一定的逻辑关系进行分组，如：scr组，init组，int组，startup组，uhal组等。对于不包含在当前生成目标中的文件，在Files选项卡中也列举出来了。 vLink Oeder选项卡，其中包含了在当前生成目标中的所有输入文件。这一点与Files选项卡不同，Files选项卡包含了当前工程项目中的所有输入文件，而不仅是包含在当前生成目标中的文件。Link Oeder选项卡主要用

14、来控制各输入文件在链接时顺序。默认情况下，Link Oeder选项卡中各输入文件的排列顺序与Files选项卡中各文件的排列顺序是相同的。（续）vTarget选项卡如图1-3所示。Target选项卡中列举了一个工程项目中的生成目标以及它们之间的相互依存关系。在图1-3的Target选项卡中包含了下面2个生成目标。vReleasevDebug图1-3新建工程项目v新建一个工程项目的步骤如下：v选择菜单File下的New子菜单，打开其对话框，如图1-4所示。此对话框中有3个选项卡，即Project选项卡、File选项卡、Object选项卡。 图1-4配置生成目标 v对于一个工程项目来说，我们可以建立

15、其多个生成目标。不同的生成目标其生成选项可以互不相同，这些选项包括编译器选项、汇编器选项和连接器选项等，它们决定了CodeWarrior IDE如何处理本工程项目，以生成特定的输出文件。 v在ADS1.2中，通过Debug Settings对话框来设置一个工程项目中各生成目标的生成选项。 （续）v打开Debug Settings对话框的操作步骤如下：v （1）打开一个工程项目。v（2）在工程项目窗口中打开生成目标选择下拉列表框，选择一个生成目标。v （3）通过下面的操作弹出Debug Settings对话框，如图所示。v在工程项目窗口中单击Target Settings按钮。v选择Edit菜单中的Debug Settings子菜单。v在Target Settings Panels对话框中包括下面6个面板，用户可以选择某个面板设置相关的生成选项。这些选项作用于工程项目中当前生成目标。 （续）v生成目标的基本选项用于设置当前生成目标的一些基本信息