嵌入式技术与应用-教案

PAGEPAGE1计算机科学与技术学院课程教案学期2013-2014（1）课程名称嵌入式技术与应用授课对象计算机科学与技术10级学时数理论48学时，实验16教学大纲嵌入式技术与应用教材名称ARM嵌入式系统基础教程参考教材1）《嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ》，邵贝贝等译，北航出版社，2003年2）《ARM体系结构与编程》，杜春雷编著，清华大学出版社，2003年3）《ARM嵌入式处理器结构与应用》,

马忠梅等,

北航出版社，2002年

4）《ARM微控制器基础与实战》，周立功

等编著，北航出版社，2003年

5）《嵌入式系统设计与实例开发》，王田苗主编，清华大学出版社，2002年主讲教师董万利、彭勇西南科技大学计算机科学与技术学院目录1、课程教学总体设计…………（2）2、授课计划表…..…..…………（4）3、课程教案……………………（6）4、课程教学总结………………（26）课程教学总体设计网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来，无疑为32位嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发展空间。在32位嵌入式系统的应用中，ARM系列会形成ARM公司领军，众多厂家参与，计算机专业、电子技术专业以及对象专业人士共同推动的局面，形成未来32位嵌入式系统应用的主流趋势。《嵌入式技术及应用》是计算机科学技术专业一门重要专业必修课程，也可以作为其它专业的选修课程。该课程主要学习嵌入式系统设计原理及方法，学习和掌握ARM微处理器结构及指令系统，嵌入式计算机平台，嵌入式操作系统及嵌入式系统的设计及分析方法。通过理论教学和实践教学，使学生掌握嵌入式系统体系结构，嵌入式处理器结构（ARM架构为主），异常处理，存储处理，系统控制过程，流水线作业及各种I/O接口；嵌入式系统开发应用方法；嵌入式操作系统，实时多任务操作系统，以及在嵌入式OS支持下的开发应用方法。本课程为计算机科学与技术专业及相关本科生的新型课程之一，在强调概念和理论的同时，更要注重加强引导学生对课程内容的深入理解，注重引导学生自学，注重加强学生上机练习。课程的要求学生必须同时掌握硬件与软件方面的基本知识与技能。在硬件方面，要求学生了解嵌入式系统的基本原理及相关微处理器，存储器，周边设备，接口的基本知识。在软件方面，要求学生熟悉嵌入式操作系统，了解嵌入式系统开发的一般过程，掌握实时操作系统（RTOS）的基本功能和设计方法，了解和熟悉一些常用的嵌入式系统的开发工具和开发方法，熟悉嵌入式系统的典型应用及产品设计开发的步骤等。还可以培养学生软件与硬件综合测试与调试的技能。课程教学达到以下目标：了解嵌入式系统的发展，理解嵌入式系统/嵌入式操作系统的区别，掌握嵌入式操作系统基本命令，能够运用基本命令，达到查看嵌入式系统基本信息、简单操作嵌入式系统的目的。了解嵌入式系统的分类，理解分类标准，掌握不同嵌入式系统的应用环境，结合应用环境运用所学分类知识，达到为应用环境选型嵌入式系统的目的。了解嵌入式系统开发周期，理解嵌入式系统开发周期的各个阶段的作用，掌握嵌入式系统开发的两种不同方法，能够运用开发周期方法、知识，达到设计嵌入式系统开发流程的目的。了解ARM体系结构内涵，理解ARM不同工作模式、寄存器、数据类型之间深层次的关系，掌握寄存器的使用，运用对不同寄存器的设置，达到设置不同工作模式、模式切换、状态切换的目的。理解中断概念、存储器映射方式、寻址方式，掌握中断的具体发生/响应流程、不同状态下的存储器映射、具体寻址方式，结合运用中断、映射、寻址知识，解决在嵌入式系统运行、具体编程、程序调试等诸多实际问题。了解嵌入式系统外设基本概念、外设分类，理解不同分类外设的具体功能区别，掌握常用外设接口的使用，运用串并口等常用外设，解决主机/嵌入式设备通信、调试等具体问题。7、了解不同嵌入式开发平台的区别，理解开发平台对嵌入式设备开发的意义，掌握具体的嵌入式开发平台建立方法，能动手或在指导下动手组建自己的嵌入式开发平台。授课计划表周别授课顺序授课章节的内容摘要需要时间作业数量作时业估计间1256101112一．嵌入式系统概述（1）嵌入式系统（2）嵌入式处理器（3）嵌入式操作系统二．嵌入式系统工程设计（1）嵌入式系统项目开发生命周期（2）嵌入式系统工程设计方法简介三．ARM7体系结构（1）ARM

（2）ARM7TDMI

（3）ARM7TDMI的模块、内核和功能框图（4）体系结构直接支持的数据类型（5）处理器状态

（6）处理器模式

（7）内部寄存器

（8）程序状态寄存器

（9）异常

（10）中断延迟

（11）复位

（12）存储器及存储器映射I/O

（13）寻址方式

（14）ARM7指令集

（15）协处理器接口

（16）调试接口

（17）ETM接口四．ARM7TDMI(S)指令系统（1）ARM处理器寻址方式

（2）指令集介绍ARM指令集Thumb指令集五．LPC2000系列ARM硬件结构（1）LPC2000系列简介

（2）引脚配置

（3）存储器寻址

（4）系统控制模块

（5）存储器加速模块

（6）外部存储器控制器

（7）引脚连接模块（8）向量中断控制器（9）GPIO（10）UART0（11）UART1（12）I2C接口（13）SPI接口（14）定时器0和定时器1（15）脉宽调制器（16）A/D转换器（17）实时时钟（18）看门狗六．接口技术与硬件设计（1）最小系统（2）片内外设

（3）总线接口

（4）其他外设七．μC/OSII到ARM7的移植（1）μC/OSII

（2）移植规划（3）移植μC/OSII（4）移植代码应用到LPC2000八．嵌入式系统开发平台（1）嵌入式系统开发平台的建立；（2）数据队列；（3）串口驱动；（4）MODEM接口模块；（6）I2C总线模块；（6）SPI总线模块；（7）其他软件模块。22124164442224课程教案章节第1章嵌入式系统概述时间第1讲基本内容1、嵌入式系统2、嵌入式处理器3、嵌入式操作系统教学目标初步了解嵌入式系统体系架构，嵌入式处理器，ARM架构处理器，嵌入式系统软件，嵌入式操作系统，嵌入式系统编程语言，嵌入式系统的开发。重点难点作业教学组织教学情况记录1、嵌入式系统的基本概念2、嵌入式处理器分类3、集中常见的嵌入式操作系统嵌入式Linux，WinCE，VxWorks，OSE，Nucleus，eCos，μC/OS-II课程教案章节第2章嵌入式系统工程设计时间第2讲基本内容（1）嵌入式系统项目开发生命周期（2）嵌入式系统工程设计方法简介教学目标初步了解嵌入式系统的设计方法；嵌入式系统的设计思想和设计理念；重点难点作业教学组织教学情况记录2.1嵌入式系统项目开发生命周期1）概述2）识别需求、提出解决方案、执行项目和结束项目4个阶段2.2嵌入式系统工程设计方法简介1）由上而下与由下而上2）UML系统建模3）使用UML的好处4）面向对象OO的思想课程教案章节第3章ARM7体系结构时间第2-5讲基本内容（1）ARM

（2）ARM7TDMI

（3）ARM7TDMI的模块、内核和功能框图（4）体系结构直接支持的数据类型（5）处理器状态

（6）处理器模式

（7）内部寄存器

（8）程序状态寄存器

（9）异常

（10）中断延迟

（11）复位

（12）存储器及存储器映射I/O

（13）寻址方式

（14）ARM7指令集

（15）协处理器接口

（16）调试接口

（17）ETM接口教学目标掌握ARM体系结构，掌握ARM存储器结构，掌握ARMI/O结构，了解ARM协处理器接口，了解ARMAMBA接口，掌握ARMJTAG调试接口，掌握ARM处理器内核，掌握ARM处理器核。重点难点ARM处理器内核，ARM的流水线结构，ARM快存（Cache）结构。作业教学组织教学情况记录3.1ARM简介1）ARM公司简介2）ARM体系结构3）各ARM体系结构版本(V1-V5)4）RM处理器核简介：3.2ARM7TDMI1）简介2）三级流水线3）存储器访问3.3ARM7TDMI的模块和内核框图3.4体系结构直接支持的数据类型字节8位半字16位（必须分配为占用两个字节）字32位（必须分配为占用4各字节）3.5处理器状态ARM状态：32位，这种状态下执行的是字方式的ARM指令；Thumb状态：16位，这种状态下执行半字方式的ARM指令。3.6处理器模式1）简介2）七种模式3.7内部寄存器1）简介2）ARM状态各模式下的寄存器3）ARM状态各模式下可以访问的寄存器一般的通用寄存器堆栈指针寄存器R13（SP），链接寄存器R14（LR）功能：在每种模式下，模式自身的R14版本用于保存子程序返回地址；当发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址。4）R14寄存器与子程序调用异常发生时，程序要跳转至异常服务程序，对返回地址的处理与子程序调用类似，都是由硬件完成的。区别在于有些异常有一个小常量的偏移。5）程序计数器R15（PC）6）Thumb状态寄存器ARM状态和Thumb状态之间寄存器的关系：Thumb状态R0～R7与ARM状态R0～R7相同；Thumb状态CPSR和SPSR与ARM状态CPSR和SPSR相同；Thumb状态SP映射到ARM状态R13；Thumb状态LR映射到ARM状态R14；Thumb状态PC映射到ARM状态PC（R15）。3.8程序状态寄存器1）简介2）条件代码标志NZCV3.9异常1）简介2）异常入口/出口汇总3）异常的入口和出口处理4）进入异常5）退出异常6）快速中断请求7）中断请求8）中止预取中止数据中止9）软件中断指令10）未定义的指令11）异常向量12）异常优先级3.10中断延迟1）最大中断延迟2）最小中断延迟3.11复位1）复位2）当nRESET信号再次变为高电平时，ARM处理器执行下列操作：强制M[4:0]变为b10011（管理模式）；置位CPSR中的I和F位；清零CPSR中的T位；强制PC从地址0x00开始对下一条指令进行取指；返回到ARM状态并恢复执行。3.12存储器及存储器映射I/O1）简介2）地址空间3）跳转目标的计算方法：(当前指令的地址)+8+偏移量4）下一条指令位置的计算方法：(当前指令的地址)+45）存储器格式小端大端6）未对齐的存储器访问7）指令的预取和自修改代码8）预取可能存在的问题9）指令存储器屏障（IMB）10）存储器映射的I/O3.13寻址方式简介1）寻址方式分类：ARM处理器支持9种基本寻址方式3.14AMR7指令集简介1）简介32位ARM指令集16位Thumb指令集2）ARM指令集分支指令；数据处理指令；加载和存储指令；协处理器指令；杂项指令。3）Thumb指令集分支指令；数据处理指令；寄存器加载和存储指令；异常产生指令。3.15协处理器接口1）简介2）可用的协处理器3.16调试接口简介3.17ETM接口课程教案章节第4章ARM7TDMI(S)指令系统时间第5-11讲基本内容（1）ARM处理器寻址方式

（2）指令集介绍教学目标了解ARM指令集，Thumb指令集，ARM汇编程序设计；重点难点ARM指令集；ARM汇编程序设计作业教学组织教学情况记录4.1ARM处理器寻址方式1）简介2）ARM指令集与Thumb指令集的关系3）寻址方式分类:4寄存器寻址满递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最高地址。指令如LDMFA、STMFA等；空递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向堆栈上的第一个空位置。指令如LDMEA、STMEA等；满递减：堆栈向下增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最低地址。指令如LDMFD、STMFD等；空递减：堆栈向下增长，堆栈指针向堆栈下的第一个空位置。指令如LDMED、STMED等。5）块拷贝寻址6）相对寻址4.2指令集介绍1）简单的ARM程序示例2）指令格式3）存储器访问指令LDR和STR——字和无符号字节加载/存储指令LDR和STR——半字和有符号字节加载/存储指令LDR和STR指令应用示例：加载/存储字和无符号字节指令加载/存储半字和有符号字节指令4）多寄存器存取寄存器加载/存储指令格式：LDM{cond}<模式>Rn{!},reglist{^}STM{cond}<模式>Rn{!},reglist{^}LDM和STM——多寄存器加载/存储指令编码5）寄存器和存储器交换指令SWP和SWPB——寄存器和存储器交换指令编码6）ARM数据处理指令数据传送指令；MOV{cond}{S}Rd,operand2MVN{cond}{S}Rd,operand27）算术逻辑运算指令:ADD{cond}{S}SUB{cond}{S}Rd,Rn,operand2RSB{cond}{S}Rd,Rn,operand2ADC{cond}{S}Rd,Rn,operand2SBC{cond}{S}Rd,Rn,operand2RSC{cond}{S}Rd,Rn,operand2AND{cond}{S}Rd,Rn,operand2ORR{cond}{S}Rd,Rn,operand2EOR{cond}{S}Rd,Rn,operand2BIC{cond}{S}Rd,Rn,operand28）比较指令。CMP{cond} Rn,operand2CMN{cond} Rn,operand2TST{cond}Rn,operand2TEQ{cond}Rn,operand29）乘法指令乘法指令编码32位乘法指令——MUL指令将Rm和Rs中的值相乘，结果的低32位保存到Rd中。MUL{cond}{S}Rd,Rm,Rs32位乘加指令——MLA指令将Rm和Rs中的值相乘，再将乘积加上第3个操作数，结果的低32位保存到Rd中。MLA{cond}{S}Rd,Rm,Rs,Rn10）分支指令分支指令B/BL指令编码格式分支指令——B指令，该指令跳转范围限制在当前指令的±32M字节地址内(ARM指令为字对齐，最低2位地址固定为0)。指令格式：B{cond}Label带链接的分支指令——BL指令适用于子程序调用，使用该指令后，下一条指令的地址被拷贝到R14(即LR)连接寄存器中，然后跳转到指定地址运行程序。跳转范围限制在当前指令的±32M字节地址内。指令格式：BL{cond}LabelBX{cond}Rm11）协处理器指令12）数据操作指令CDP{cond}coproc,opcode1,CRd,CRn,CRm{,opcode2}13）数据存取指令LDC{cond}{L} coproc,CRd,<地址>STC{cond}{L} coproc,CRd,<地址>14）寄存器传送指令MCR{cond}coproc,opcode1,Rd,CRn,CRm{,opcode2}MRC{cond}coproc,opcode1,Rd,CRn,CRm{,opcode2}15）杂项指令16）软中断指令SWI{cond} immed_24状态寄存器读指令MRS{cond}Rd,psr状态寄存器写指令MSR{cond}psr_fields,#immed_8rMSR{cond}psr_fields,RmARM伪指令小范围的地址读取ADR{cond}register,expr中等范围的地址读取ADRL{cond}register,expr大范围的地址读取LDR{cond}register,=expr空操作伪指令NOP17）Thumb指令集Thumb指令Thumb指令集与ARM指令集的区别课程教案章节第5章LPC2000系列ARM硬件结构时间第11-19讲基本内容（1）LPC2000系列简介

（2）引脚配置

（3）存储器寻址

（4）系统控制模块

（5）存储器加速模块

（6）外部存储器控制器

（7）引脚连接模块（8）向量中断控制器（9）GPIO（10）UART0（11）UART1（12）I2C接口（13）SPI接口（14）定时器0和定时器1（15）脉宽调制器（16）A/D转换器（17）实时时钟（18）看门狗教学目标LPC21/22系列嵌入式微控制器概述，LPC21/22系列嵌入式微控制器硬件结构，LPC21/22系列嵌入式微控制器指令系统，LPC21/22系列嵌入式微控制器应用技术重点难点引脚配置，存储器寻址，向量中断控制器，GPIO；向量中断，UART0，定时器0和定时器。作业5.2、5.3、5.4教学组织教学情况记录5.1简介1）LPC2000系列微控制器概述LPC2000系列器件信息芯片内部框图芯片内部各单元简介5.2引脚配置1）LPC2000系列芯片外形2）引脚功能选择使用示例5.3存储器寻址1）存储器分布2）各存储器操作方法片内Flash编程方法片外Flash编程方法(LPC2200)片内SRAM的写操作3）存储器映射存储器映射基本概念存储器重新映射预取指中止和数据中止异常向量表5.4系统控制模块小节目录1）系统控制模块概述2）系统时钟3）锁相环（PLL）PLL内部结构PLL相关寄存器PLL频率计算4）VPB分频器5）复位外部复位复位后的系统状态Boot程序6）外部中断外部中断内部示意图外部中断相关寄存器外部中断引脚设置外部中断应用示例使用外部中断注意要点7）存储器映射控制存储器映射控制原理存储器映射的流程存储器映射控制重新映射前后地址8）唤醒定时器5.5存储器加速模块（MAM）MAM结构相关启动代码分析5.6.外部存储器控制器外部存储器控制器概述外部存储器总线接口描述相关寄存器与外部存储器的连接:相关启动代码分析5.7引脚连接模块1）概述2）外部存储器寄存器描述3）外部总线设置4）启动代码相关部分5.8向量中断控制器（VIC）1）向量中断控制器概述2）选择产生中断的类型3）向量IRQ中断相关寄存器4）产生中断后的服务程序地址5）中断状态寄存器所有中断状态寄存器(VICRawIntr)FIQ状态寄存器(VICFIQStatus)IRQ状态寄存器(VICIRQStatus)6）软件中断寄存器软件中断寄存器(VICSoftInt)软件中断清零寄存器(VICSoftIntClear)7）IRQ中断的设计实例GPIO1）应用2）引脚描述3）GPIO相关寄存器描述4）GPIO应用示例:5.10UART01）特性2）UART0内部结构示意3）UART0相关寄存器描述4）使用UART0注意要点5）UART0应用示例操作流程初始化代码收发数据5.11UART11）特性2）UART1寄存器描述5.12I2C接口1）I2C简介2）总线时序3）寄存器描述4）I2C应用示例操作流程主模式设置主机发送主机接收5.13SPI接口1）SPI简介2）SPI接口内部结构3）SPI寄存器描述4）SPI应用示例:5.14定时器0/11）特性2）应用3）寄存器描述:4）定时器操作示例:5.15脉宽调制器1）PWM简介2）PWM引脚描述3）PWM寄存器描述4）PWM使用示例”5.16A/D转换器1）A/D转换器描述2）A/D转换器寄存器描述控制寄存器数据寄存器3）A/D转换器操作示例:5.17实时时钟1）RTC内部结构2）寄存器描述3）RTC使用示例:5.18看门狗1）内部结构2）寄存器描述看门狗模式寄存器看门狗常数寄存器看门狗喂狗寄存器看门狗定时器值寄存器3）使用示例:操作流程看门狗初始化喂狗程序课程教案章节第6章接口技术与硬件设计时间第19-21讲基本内容（1）最小系统（2）片内外设

（3）总线接口

（4）其他外设

教学目标最小系统的结构与配置、GPIO、UART、MODEM、I2C、并行SRAM、并行FLASH、USB(D12)接口、液晶接口、网络接口、并行打印机接口、CF卡及IDE硬盘接口重点难点最小系统的结构与配置、GPIO、UART、I2C作业0教学组织教学情况记录6.1最小系统1）简介2）电源分析需求设计末级电源电路设计前级电源电路3）时钟4）复位及其芯片配置5）存储器系统6）调试与测试接口7）完整的最小系统6.2片内外设1）简介2）GPIO外设接口设计按键LED控制蜂鸣器模拟总线3）UART、MODEM外设接口设计4）I2C总线接口总线信号I2C应用示例5）I总线接口发送与接收总线连接应用示例6.3总线接口1）并行SRAM2）并行Flash3）USB（D12）4）液晶接口5）网络接口:6.4其它外设1）并行打印机2）CF卡及IDE硬盘接口:设备寄存器地址I/O时序图接口示例课程教案章节第7章移植μC/OSII到ARM7时间第21-23讲基本内容（1）μC/OSII

（2）移植规划（3）移植μC/OSII（4）移植代码应用到LPC2000教学目标将嵌入式实时操作系统μC/OSII移植到ARM7体系结构上的方法；将移植代码应用到具体的基于