ARM的发展历程-课程中心课件

ARM嵌入式系统

课程简介ARM嵌入式系统

课程简介教学目标了解嵌入式系统概念，历史、现状与发展趋势掌握ARM体系结构掌握ARM汇编语言、C语言程序设计了解常见ARM芯片的性能特点了解嵌入式系统的设计方法和设计过程教学目标了解嵌入式系统概念，历史、现状与发展趋势教学内容嵌入式系统概述（第一章）ARM体系结构（ARM微处理器的编程模型）（第二章）ARM指令系统（第三章）ARM汇编程序设计（第四章）ARM教学实验开发平台概述（第六章、第八章）PXA270ARM硬件结构（第五章）嵌入式操作系统（第七章）实验（24学时）教学内容嵌入式系统概述（第一章）课程关联

先修课程：数字电子技术、微机原理、C语言后续课程：毕业设计课程关联先修课程：数字电子技术、微机原理、C语言教学安排总学时：64学时 包括实验课程（24学时）教学安排总学时：64学时评价与考核平时成绩占10%（出勤，课堂表现，回答问题、作业），期中成绩（实验）占20%，期末考试占70%评价与考核平时成绩占10%（出勤，课堂表现，回答问题、作业）教材《ARM嵌入式系统教程》

张石主编.北京：机械工业出版社，2011年2月第一版

主要教学参考书

《ARM体系结构与编程》

杜春雷编著.北京：清华大学出版社.2003

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第1章 嵌入式系统概述ARM嵌入式系统

第1章 嵌入式系统概述1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的出现：

1946年20世纪70年代电子计算机微处理器将微处理器嵌入到一个对象体系中控制专业自动驾驶仪、轮机状态监测系统实现智能化控制嵌入式系统的嵌入式本质：将一个计算机嵌入到一个对象体系中单片机也能实现？！1.1嵌入式系统的概念电子计算机微处理器将微处理器嵌入到一嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系ARM和单片机的区别？arm是单片机的一种，51也是，但arm的ROM和RAM远大于51，而且I/O口功能和处理速度也是两个级别的，arm能上很多操作系统，51只能勉强上极其简单的实时操作系统，所以arm常用来开发手机等多媒体产品，51只能完成有限的实时控制功能，形象一点说，51和arm的等级差别就像手机和个人电脑的等级差别。ARM和单片机的区别？引入嵌入式操作系统之后，ARM可以实现许多单片机系统不能完成的功能。比如：嵌入式web服务器，java虚拟机等。也就是说，有很多免费的资源可以利用，上述两种服务就是例子。如果在单片机上开发这些功能可以想象其中的难度。引入嵌入式操作系统之后，ARM可以实现许多单片机系统不能完成现在C51系列可以跑到50MHz甚至60MHz

但是普通的一个ARM9就可以实现400MHz以上的运算速度

双核的ARM速度更可以达到GHz级别

片内资源也完全没有可比性现在C51系列可以跑到50MHz甚至60MHz

但是普通的一最后用个比喻来形容一下它们的区别：

联合利华引进了一条香皂包装生产线，结果发现这条生产线有个缺陷：常常会有盒子里没装入香皂。总不能把空盒子卖给顾客啊，他们只好请了一个学自动化的博士后设计一个方案来分拣空的香皂盒。博士后拉起了一个十几人的科研攻关小组，综合采用了机械、微电子、自动化、X射线探测等技术，花了几十万，成功解决了问题。每当生产线上有空香皂盒通过，两旁的探测器会检测到，并且驱动一只机械手把空皂盒推走。

中国南方有个乡镇企业也买了同样的生产线，老板发现这个问题后大为脑火，找了个小工来说：“***给老子把这个搞定，不然你给老子爬走。”。小工果然想出了办法：他在生产线旁边放了台风扇猛吹，空皂盒自然会被吹走。这就是ARM和单片机的差别。

最后用个比喻来形容一下它们的区别：

联合利华引进了一条香皂补充：ARMHISTORYARM最早于1990年由Acorn改组而来，之前Acorn时期开发出自己第一代32位、6MHz、3.0m处理器，即ARM1，并用它做出一台RISC指令集的计算机，也就是说当时还是在沿袭传统的方式，自己设计芯片出售芯片，早期使用Acorn芯片产品的包括苹果的Newtonpad等。RISC即精简指令集计算机，起初为达到降低售价把面积设计的小，功耗低是顺带的优势，而价格低廉功耗少天然适合移动设备，1990年11月，从苹果获得150万英镑投资，从VLSI获25万英镑投资，Acorn则是12个工程师和作价150万英镑的IP，外加一个办公的谷仓，重组后的Acorn开启世界标准之旅。补充：ARMHISTORYARM最早于1990年由Acor1991年ARM6提出32位寻址，采用全新的指令集和状态寄存器（苹果的数码产品）1996年ARM7广泛应用Wince应用于ARM，出现了带有彩色液晶屏的数码产品，能玩游戏随后出现iphone1代2代产品，使用了ARM11，appleARM

A5、A6应用于3代产品（最新）近几年

安卓平台ARM的使用率爆炸式增长1991年ARM6市场概述2011年:

智能手机出货4.7亿部，ARM架构芯片占90%，功能手机出货6.6亿部，ARM架构芯片占95%，硬盘和固态驱动器出货7亿，ARM占90%，数码相机1.5亿台，ARM占80%，打印机1亿部，ARM占65%份额，数字电视和机顶盒4亿台，ARM占40%份额，另外还包括网关路由器、智能卡等领域占据一定市场份额。市场概述2011年:1.1嵌入式系统的概念计算机的分类有很多种，按照计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机：具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，如PC机嵌入式计算机：以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中1.1嵌入式系统的概念计算机的分类有很多种，按照计算机的嵌1.1嵌入式系统的概念IEEE对嵌入式系统的定义：

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants

(用于控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置）嵌入式系统的一般定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

目的：是应用

嵌入式系统实际上是一个专用的计算机系统。1.1嵌入式系统的概念IEEE对嵌入式系统的定义：1.2嵌入式系统的特点通用计算机行业技术垄断，嵌入式系统则不同专用计算机系统面向用户、面向产品、面向应用，功耗低、体积小、成本低、可靠性高等生命周期较长（与具体产品同步）（与51类似）较高的软件要求固化存储、质量高、可靠性高、实时性强需要实时操作系统和专用开发平台（保证多任务的及时执行）1.2嵌入式系统的特点通用计算机行业技术垄断，嵌入式系1.3嵌入式系统的应用无线通信领域：手机、PDA消费类电子产品：数字媒体播放器、游戏机网络应用：语音及视频处理、数字机顶盒成像和安全产品：数码相机、打印机、SIM智能卡工业控制与仪器仪表：其他领域（物联网、智能家居……，具有用户界面，能远程控制、智能管理的电器是未来的发展趋势，如：冰箱、空调的网络化、智能化……）1.3嵌入式系统的应用无线通信领域：手机、PDAARMPoweredProductsLexmarkZ52ColorJetprinterSamsungML5100AJVC"Pixstar"GC-X1HPJornado820PsionRevoPlusHPCapShareSonyMZ-R90MiniDiscNokia8810NokiaMediamasterNintendo

Gameboy

AdvanceEricssonR380AlbaBushInternetTV3Com10/100PCINICIomegaHipZipDiamondMultimediaRio600ARMPoweredProductsLexmarkZ51.4嵌入式系统的组成（扩充网络）硬件软件四个层面：设备驱动层实时操作系统层应用程序接口层实际应用程序层软硬件均可裁减1.4嵌入式系统的组成（扩充网络）硬件1.5嵌入式处理器1.嵌入式微处理器（如ARM等）

(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)基础是通用计算机中的CPU只保留和嵌入式应用有关的母版功能在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面做了增强2.嵌入式微控制器（如单片机8051系列）

(MicrocontrollerUnit,MCU)又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成各种必要功能和外设单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高1.5嵌入式处理器1.嵌入式微处理器（如ARM等）3.嵌入式DSP处理器

(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高4.嵌入式片上系统(SystemOnChip)片上系统就是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片上去3.嵌入式DSP处理器嵌入式处理器的技术指标

功能

-主要取决于处理器所集成的存储器的数量和外部设备接口的种类

-需要综合考虑成本因素字长

-字长指参与运算的数的基本位数，决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，因而直接影响硬件的复杂程度

-多字长数据要经过多次传送和运算，所以计算时间要延长处理速度

-单位时间内各类指令的平均执行条数，单位为MIPS

工作温度

-通常分为民用、工业用、军用、航天等几个温度级别嵌入式处理器的技术指标功能功耗

-包括工作功耗、待机功耗等

-其他条件相同的情况下，嵌入式处理器的功耗与频率之间的关系近似一条理想的直线寻址能力

-取决于处理器地址线的数目

-处理能力强的处理器其地址线的数量多，处理能力弱的处理器其地址线的数量少平均失效间隔时间

-指在相当长的运行时间内，机器工作时间除以运行期间内故障次数

-用于表示嵌入式系统的可靠性性价比

-用于衡量处理器产品的综合性指标功耗1.6嵌入式操作系统嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂嵌入式操作系统的发展历程

-无操作系统的嵌入算法阶段

-以嵌入式CPU为基础，简单操作系统为核心的嵌入式系统阶段

-通用的嵌入式实时操作系统阶段

-以基于Internet为标志的嵌入式系统嵌入式操作系统的特点

-体积小

-实时性

-可裁剪性

-可靠性

-低功耗1.6嵌入式操作系统嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂常用嵌入式操作系统

应用现状： Linux38%uC/OSII34% WinCE16% Vxworks5% Qnx1%

其他6%常用嵌入式操作系统应用现状：常用嵌入式操作系统

（体积小、可裁剪、可靠性高、实时性较强）（1）uC/OSII：结构小巧、抢先式的实时嵌入式操作系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能好和可扩展性能等优点。主要用于小型嵌入式系统。最合适的教材：嵌入式实时操作系统uC/OSII（第二版）下载相关内容（2）WindowsCE：开发平台主要为WinCEPlatformBuilder，有时也用EVC环境开发一些较上层的应用。WinCE开发难度远低于嵌入式Linux，实时性略低，常用于手机、PDA等手持设备中。常用嵌入式操作系统（体积小、可裁剪、可靠性高、（3）嵌入式Linux:-最大特点是源码公开

-稳定，内核精悍，运行所需资源少

-支持硬件数量庞大

-在嵌入式系统上运行Linux需要添加实时软件模块常用嵌入式操作系统（3）嵌入式Linux:常用嵌入式操作系统常用嵌入式操作系统(4)VxWorks:Vxworks因出现稍早，实时性很强，并且内核可极微（最小8K），可靠性较高等。通常应用在通信设备等实时性要求较高的系统中。缺点：价格高，源代码封闭常用嵌入式操作系统(4)VxWorks:1.7嵌入式系统开发工具实时在线仿真系统(ICE)高级语言编译器源程序模拟器1.7嵌入式系统开发工具实时在线仿真系统(ICE)1.7嵌入式系统开发工具实时在线仿真系统(ICE)1.实时在线仿真系统ICE(In-CircuitEmulator)在计算机辅助设计非常发达的今天,实时在线仿真系统(ICE)仍是进行嵌入式应用系统调试最有效的开发工具。ICE可以通过实际执行,对应用程序进行原理性检验,排除人的思维难以发现的设计逻辑错误；发现和排除由于硬件干扰等引起的异常执行行为1.7嵌入式系统开发工具实时在线仿真系统(ICE)1.7嵌入式系统开发工具高级语言编译器(CompilerTools)C语言大幅度提高了嵌入式系统工程的工作效率,充分发挥出嵌入式处理器日益提高的性能,缩短产品进入市场时间。另外,C语言便于移植和修改,使产品的升级和继承更迅速。更重要的是采用C语言编写的程序易于在不同的开发者之间进行交流,从而促进了嵌入式系统开发的产业化。区别于一般计算机中的C语言编译器,嵌入式系统中的C语言编译器要专门进行优化,以提高编译效率。1.7嵌入式系统开发工具高级语言编译器(CompilerT1.7嵌入式系统开发工具源程序模拟器源程序模拟器是在广泛使用的、人机接口完备的工作平台上,如小型机和PC,通