嵌入式系统原理与应用 课件 第1章 ARM嵌入式系统概述1

嵌入式系统设计西安邮电大学计算机学院王忠民嵌入式系统基础及Cortex-M3处理器体系结构：掌握ARM公司提供的Cortex-M3处理器IP核的结构、工作原理以及从开发人员角度IP核内的可用资源（ARM公司提供，对应原理部分）。Cortex-M3指令集和汇编程序设计：掌握Thrumb-2汇编语言指令系统，并能进行汇编程序、混合程序的开发；STM32F103系列微控制器片上外设的原理与编程技术：掌握ARMCortex-M3核的STM32F103微控制器芯片（意法半导体公司生产）。了解意法半导体公司基于ARM公司的Cortex-M3核推出的STM32F103微控制器芯片的片内资源；课程概述—课程目标

Cortex-M3内核ARM公司意法半导体（ST）公司ST评估板、第三方电子公司提供的二次开发板或Proteus仿真STM32系列微控制器芯片各种类型的最小系统开发板内核篇(IP核原理)：1、IP核（CPU）工作原理2、指令系统（汇编）3、程序设计片内外设篇：1、GPIO2、定时器3、UART。。。嵌入式系统开发1、开发工具（宿主环境）Keil_MDK5ADS1.2（ARM公司）2、嵌入式操作系统3、应用程序开发。。。课程概述—课程学习内容课程概述—推荐教材授课教材：嵌入式系统原理与应用.西安电子科技大学出版社，2025.6参考资料（电子版）：1、Cortex-M3权威指南(中文版）---ARM公司提供2、STM32中文参考手册_V10---意法半导体公司提供2、STM32固件库使用手册(中文版）---意法半导体公司提供京东平台淘宝平台单位:西安邮电大学纳税人识别码:12610000437205105J课程概述—考核办法

课程安排总学时数：48H讲课学时：24h项目实验学时：24h考核方式项目设计（占50%）笔试（50%）课程概述—课程教学安排

授课学时（次数）---24H（上课8次）+24H（实验开发—课堂汇报或课下开发）

第1章嵌入式系统概述（1次）第一篇内核篇（

基于ARM-Cortex-M3核）第2章ARM-Cortex-M3微处理器体系结构（1次）第3章ARM-Cortex-M3指令系统（1）第4章基于ARM-Cortex-M3核的程序设计（2）第二篇片内外设篇（基于STM32F103芯片）

第5章STM32微控制器（1次）第6章基于STM32F103微控制器的嵌入式系统开发基础（1）第7-12章STM32F103片内资源（GPIO，定时器，中断，UART，ADC，DMA等）（1次）---每组学生讲各自的IO（---8次）第三篇系统篇（基于Keil开发平台）第13章嵌入式系统开发（0次）项目名称基于眼电的意图识别基于stm32的智慧小车仿真基于STM32室内外温度差检测系统基于STM32的电动车防盗报警系统基于STM32的机房环境监测系统基于STM32养殖环境系统监测系统饮水机系统的设计与仿真课程概述—往届项目名称（2024）

指纹打卡系统基于stm32的教室照明智能控制系统proteus仿真智能浴室系统可设阈值的温度采集报警系统基于STM32单片机的交通灯Proteus仿真基于STM32的烟雾报警系统基于STM32的脉搏检测系统课程概述—往届项目名称（2022）

基于stm32的锂电池充放电管理系统基于stm32的直流无刷电机控制系统设计基于stm32的眼电信号意图识别系统基于stm32的智能行车码表基于stm32的机器人定位避障实现基于stm32的多通道脉搏测量实时显示系统基于stm32的智能台灯系统课程概述—往届项目名称（2021）

基于语音特征识别的儿童语言学习智能机器人基于STM32的自行车里程表设计基于STM32的温度检测报警系统基于STM32的脉搏采样器基于stm32的飞行器信息传输系统基于stm32的和FreeRTOS的智能快递柜基于stm32的智能电动车充电桩管理系统设计基于STM32的陪护机器人基于眼电的stm32字符输入系统课程概述—往届项目名称（2020）

中医脉象辅助诊断系统厕所蹲位剩余个数的统计与显示基于STM32的室内导航系统基于STM32的室内照明系统的设计与实现基于STM32的智能巡逻小车基于STM32的老人跌倒自动报警系统基于STM32单片机远程智能花盆GSM短信浇水补光设计意念控制智能小车系统的设计与实现基于STM32的图像采集系统课程概述—往届项目名称（2019）

陪护机器人（基于视频的移动目标跟踪）运动康复系统（测出步距，传手机，根据步距控制音乐声音大小，后台医生了解病人运动情况）人体生理参数(心电、血压、脉搏、血氧)测试与监控系统基于可穿戴式传感器的人体行为识别系统（加速度传感器，智能鞋垫—-压力传感器）课程概述—往届项目名称（2018）

基于嵌入式的图像采集及实时监控系统基于可穿戴式传感器的跌倒检测系统人体生理参数测试与监控系统运动康复系统基于嵌入式的移动跟踪机器人

课程概述—往届项目名称（2017）

本学期项目？？？

世界机器人大赛-BCI脑控机器人大赛（中国脑机接口比赛）技术赛BCI脑控机器人大赛/cn/about/54.html大家根据往年的竞赛，参考上面相关题目，上网查询可买到的EEG电极，考虑自己做啥？若到时由嵌入式相关系统要做，也可以以上都不行，也可以自己考虑项目名称，既可以通过开发板，也可以Proteus仿真。2-3人一组STM32（Cortexm3）开发板提供商：广州市星翼电子科技有限公司推出的正点原子开发板东莞野火电子技术有限公司推出的野火、秉火开发板第1章ARM嵌入式系统概述—知识点与能力要求

第1章嵌入式系统概述—授课内容

1.1嵌入式系统概述1.2ARM处理器发展历程1.3ARMCortex处理器1.4STM32微控制器1.5KeilMDK5嵌入式系统集成开发工具1.6嵌入式系统设计与开发引子：计算机系统的三大领域专家预言：大机时代→PC时代→后PC时代（嵌入式时代）第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统概述

第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统概述

计算机的发展历程电子管计算机时代：20世纪40年代，电子管技术的发展引领了现代计算机的诞生。世界上第一台电子管计算机是由美国宾夕法尼亚大学的艾克特和莫奇利制造的ENIAC，它是一台巨大而笨重的机器，用于解决科学和军事计算问题。晶体管计算机时代：1950年代，晶体管的发明取代了电子管，使计算机更小、更可靠、更快速。IBM公司的IBM7090和DEC公司的PDP-8是当时最著名的晶体管计算机。集成电路计算机时代：1960年代末，集成电路技术的发展将大量的电子元件集成到一块芯片上，进一步使计算机更小、更强大。这一时期出现了IBM的System/360系列和DEC的PDP-11系列等计算机。大规模、超大规模集成电路时代：1970年代末以来，随着大规模、超大规模集成电路的出现，使得个人计算机（PC）的出现成为了可能。经过40多年的发展，个人计算机从早期的苹果公司的AppleII（8位机）、IBM的IBMPC（16位机），到后来的32位机和64位机，个人计算机得到了快速的普及和广泛的应用。“后PC时代”计算机的发展趋势

随着物联网技术、云计算技术、人工智能技术在智能制造、无人驾驶、智慧城市等产业领域的快速推广和应用，基于端边云的新型计算架构得到快速发展。端边云（“端”是指边缘侧的端设备，“边”是指边缘侧的边缘计算设备，“云”是指云端的云服务器）架构是指将计算和数据处理分布在设备的边缘（如智能手机、物联网设备）和云端之间的一种架构。按照端边云架构的思路，可以将计算机分为三大类：端设备(EdgeDevices)：它们是部署在网络边缘侧的设备，通常拥有较小的尺寸和相对较弱的计算能力，如智能手机、平板电脑、传感器等。它们相对于其他计算机更接近数据源和终端用户，主要负责采集数据、处理本地任务以及与云端进行通信。边缘计算设备(EdgeComputingDevices)：它们是在网络边缘提供计算资源和服务的设备，通常拥有比端设备更强大的计算能力和储存容量，例如工业网关、边缘服务器等。边缘计算设备主要用于处理端设备产生的数据，同时将处理结果传输到云端或其它边缘设备上。云计算设备(CloudComputingDevices)：它们是集中在云端提供计算资源和服务的设备，通常具有高度的可伸缩性、安全性和稳定性。云计算设备主要负责存储和处理海量数据，同时为用户提供各种应用和服务，包括存储、计算、分析、人工智能等。第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统概述

嵌入式系统的发展历程初期阶段（70年代-80年代初）：这个阶段是我国嵌入式系统发展的起点。当时，我国高校开始开设计算机课程，并引进了一些国外的计算机设备和技术。在这个阶段，嵌入式系统的应用主要集中在科研、军工和仪器仪表等领域。由于国内技术和资源的限制，嵌入式系统的发展相对较慢。单板机时代（70年代中后期-90年代初）：这个阶段，Zilog公司1976年推出Z80CPU，北京工业大学基于该CPU开发出图1.2所示的TP801单板机，成为当时我国最具影响力的计算机产品之一。单片机时代（70年代后期至今）：随着技术的发展和工业控制领域的需要，Intel公司先后在1976年推出8位的8048单片机，1980年推出8位的8051单片机，1983年推出了16位Intel8096单片机。ARM时代（2000年代中期至今）：本世纪以来，以ARM架构为基础，不同半导体厂家推出了各种ARM嵌入式微控制器，特别是以ARM7TDMI和CortexM3微处理器核为基础推出的各种ARM嵌入式微控制器得到了广泛应用。Zilog公司的Z80CPU与用其开发的TP801单板机Intel51单片机与单片机开发板(a)STM32F103微控制器(b)嵌入式开发板硬件（微控制器）开创历史的Intel4004（1971年）永远经典的8051（1978年）独步当时的TMS320C10（1982年）--德州仪器TI的DSP芯片流行当代的ARM（1996年）12mm24bitarchitecture2,250transistorsClock:108kHz第1章ARM嵌入式系统概述—发展历史

软件（嵌入式操作系统）无操作系统时代（20世纪70年代）初期，受硬件条件限制追求时空效率采用汇编语言直接控制系统后来，逐步采用高级语言和汇编语言相结合开发嵌入式应用软件简单嵌入式操作系统时代（20世纪80年代）出现了控制系统负载和监视应用程序运行的简单嵌入式操作系统简单而经典的嵌入式操作系统uCos内核大小只有几K嵌入式实时操作系统时代（20世纪90年代至今）嵌入式操作系统的实时性得到很大提高嵌入式操作系统的功能日益完善使嵌入式应用软件开发更加简单文件系统网络协议栈图形用户接口多任务、设备管理、应用程序接口、…第1章ARM嵌入式系统概述—发展历史

嵌入式系统的定义从广义的角度：

嵌入式系统是一切非PC和大型机的计算机系统

goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统的定义

嵌入式系统的定义从应用的角度：

devicesusedtocontrol,monitororassisttheoperationofequipment,machineryorplants.

嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置。IEEE（国际电气和电子工程师协会）定义第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统的定义

嵌入式系统的定义从系统的角度：

嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并

使其紧密耦合在一起的计算机系统，是更大系统的一个

完整的子系统。第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统的定义

嵌入式系统的定义从技术的角度：

嵌入式系统是一个以应用为中心、以计算机技术为基础，

并融合微电子技术、通信技术和自动控制技术，而且软硬件

可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗

和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。第1章ARM嵌入式系统概述—嵌入式系统的定义

第1章ARM嵌入式系统概述---嵌入式系统与桌面通用系统比较

嵌入式系统与桌面通用系统比较形态：“嵌入”于不同设备Vs基本雷同的标准形态独立存在价值：“嵌入”的不同设备Vs通用指标(计算能力、存储能力)功耗：几mW－几WVs几百W功能：专用单一Vs通用复杂资源：够用就行Vs大而全实时：系统最坏情况下的行为Vs系统平均响应时间和用户方便可靠：恶劣环境无人值守长时间Vs一般环境开发：交叉开发在线仿真固化存储Vs编程环境与运行环境一致生命：8－10年Vs18个月竞争：百家争鸣Vs巨头垄断哈佛体系结构

指令与数据分开存储在不同的存储空间，使得指令读取和数据访问可以并行处理，显著提高了系统性能，但需要较多数量的总线。大多数嵌入式处理器都采用哈佛结构。第1章ARM嵌入式系统概述---嵌入式系统的组成

冯诺依曼体系结构指令和数据不加以区分，都通过数据总线进行传输。因此，指令读取和数据访问不能同时进行，数据吞吐量低，但总线数量相对较少且管理统一。大多数通用计算机的处理器（如IntelX86）和嵌入式系统中的ARM7处理器均采用冯诺依曼结构。第1章ARM嵌入式系统概述---嵌入式系统的组成

第1章嵌入式系统概述—授课内容

1.1嵌入式系统概述1.2ARM处理器发展历程1.3ARMCortex处理器1.4STM32微控制器1.5KeilMDK5嵌入式系统集成开发工具1.6嵌入式系统设计与开发将技术授权给其它芯片制造厂商形成各具特色的ARM芯片...1.5元/块7.5元/块第1章嵌入式系统概述—ARM产业生态

第1章ARM嵌入式系统概述—ARM处理器发展历程

ARM公司发展历程ARM（AdvancedRISCMachines）公司是一家总部位于英国的半导体公司，其核心业务是设计和许可处理器架构，而不是制造芯片，其盈利主要来自于处理器授权和芯片版税两个方面，因此被称为“IP（IntellectualProperty）公司”。ARM公司的发展历程可以分为以下几个阶段：创业期（1978-1985）：1978年，物理学家赫尔曼·豪泽（HermannHauser）和工程师ChrisCurry在英国剑桥创办了CPU公司（CambridgeProcessingUnit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。1985年，RogerWilson和SteveFurber设计了他们的第一代32位、6MHz的处理器，用它做出了一台RISC指令集的计算机，这就是第一代ARM处理器ARM1。分拆与独立发展期（1990-1994）：1990年，Acorn公司财务危机，由苹果投入资金，VLSITechnology提供设备，Acorn加入十多位工程师，分割出独立子公司AdvancedRISCMachines（ARM）。1992年，ARM发布了第一版ARM6处理器，这些处理器在早期的消费电子产品中得到广泛应用，包括AcornArchimedes个人电脑和苹果公司的NewtonMessagePad。快速发展期（1994-2000）：在20世纪90年代末到21世纪初的时期，ARM处理器开始大量应用于移动设备。这个阶段推出了许多经典的产品，如ARM7、ARM9等。这些产品在性能、功耗和成本等方面取得了很好的平衡，因此在消费电子、移动通信等领域得到了广泛应用。技术创新期（2000-至今）：随着移动互联网的兴起，ARM处理器的应用领域进一步扩大。在这个阶段，ARM推出了许多新的技术和产品，如Cortex系列处理器、NEON多媒体处理技术、TrustZone安全技术等。这些新技术使得ARM处理器在性能、功耗和安全性等方面得到了进一步的提升，为各种应用提供了更好的支持。2016年7月，日本软银集团以234亿英镑（约合310亿美元）的价格收购了ARM公司。集成开发工具：ARMADS：ARM公司推出其处理器的同时，提供了一系列的集成开发工具。在1990年代末期开始，ARM先后推出了ARMADS（ARMDeveloperSuite）集成开发工具ADS1.0、ADS2.0、ADS2.1、ADS2.2、ADS2.5等版本，国内高校在早期引入ARM嵌入式课程教学时大多使用的就是ARMADS开发工具。KeilMDK：2005年ARM公司收购了长期从事嵌入式集成开发工具研发的KeilSoftware公司（早期从事Intel8051系列单片机开发的读者对该公司的KeilC51单片机集成开发环境并不陌生），Keil公司的MDK-ARM集成开发环境就被整合到ARM生态系统中，推出了KeilMDK-ARM集成开发工具。由于Keil公司的加盟以及技术的不断进步，2009年之后ARM公司就不再对早期的ARMADS开发工具进行维护了。本书在介绍ARMCortexM3嵌入式处理器及相关微控制器时，就将使用ARMKeilMDK5集成开发工具。第1章ARM嵌入式系统概述—ARM处理器发展历程

ARM架构及处理器发展历程

ARM架构是一系列基于RISC（ReducedInstructionSetComputing，精简指令集计算机）原则的处理器架构。ARM架构是进行ARM处理器设计开发的基础。自1985年ARM架构V1版本发布以来，已经经历了多个版本的演进和升级。对于每一架构版本，ARM公司都会推出一系列的ARM处理器。比如，流行广泛的ARM7TDMI是基于V4架构的，CortexM3是基于V7架构的。ARM架构版本的推出时间、主要特点以及对应的典型处理器简要介绍如下。ARMv1（1985年）：ARMv1是最早的ARM指令集架构版本。它是一个32位的精简指令集（RISC）架构，支持16位数据总线和8位地址总线，具有低功耗、低成本、小尺寸等特点。基于ARMv1架构的处理器是ARM1。ARMv2（1986年）：ARMv2支持32位数据总线和32位地址总线，支持多周期指令执行，增加了协处理器接口，支持浮点数运算。基于ARMv2架构的处理器是ARM2。ARMv3（1992年）：ARMv3是ARM架构的重大升级。ARMv3架构相对于之前的版本提供了更高的性能。它引入了指令流水线和乘法指令等新功能，提升了指令执行效率。ARMv3架构中的指令长度可以是16位或32位，这使得指令集具有更高的代码密度。但需要注意的是，ARMv3架构并没有引入Thumb指令集，这是在后续的ARMv4架构中引入的。基于ARMv3架构的处理器是ARM6。ARMv4（1994年）：ARMv4是对ARMv3的改进和增强。为了提高代码的密度，首次引入16位的Thumb指令集，微处理器可以在ARM和Thumb两种状态进行切换，ARMv4架构的代表处理器是ARM7TDMI，它是第一个支持Thumb指令集的处理器。前些年我国高校嵌入式系统教材就是基于v4版本的ARM7TDMI处理器编写的，基于ARM7TDMI的微控制器有比较广泛的应用。ARMv5（1997年）：ARMv5引入了SecureMode，提供了更加安全的执行环境。增加了DSP指令集，提高了处理器在数字信号处理方面的性能。引入了增强的Thumb指令集（Thumb-2），提供了更好的性能和代码密度。基于ARMv5架构的处理器是ARM9。ARMv6（2002年）：ARMv6是对ARMv5的改进和升级。引入了支持乱序执行的技术（Out-of-OrderExecution），提高了处理器性能。基于ARMv6架构的处理器是ARM11。ARMv7（2005年）：从v7版本开始，ARM处理器的命名不再使用数字了。而根据应用场景的不同分为Cortex-A（Application），Cortex-R（Real-time），Cortex-M（Microcontroller）三个系列。ARMv7架构的典型处理器Cortex-A7、Cortex-R4和Cortex-M3等。本书就是基于ARM架构v7版本的CortexM3处理器编写的。ARMv8（2011年）：ARMv8是一个重大的架构变革，引入了64位ARM处理器架构（AArch64）。支持同时运行32位和64位应用程序，并提供了更大的寻址空间和更高的性能。基于ARMv8架构的处理器有Cortex-A72，Cortex-R52，Cortex-M23等。ARMv9（2021年）：ARMv9是基于Armv8增添了针对矢量处理的DSP、机器学习、安全等的技术支持。典型处理器有Cortex-A710,Cortex-A510等。ARMv9架构的发布标志着ARM继续推动处理器技术的演进和创新。它为各种领域的应用带来了更加强大和安全的处理能力，并推动了移动设备、物联网、边缘计算、云计算等领域的发展。第1章嵌入式系统概述—授课内容

1.1嵌入式系统概述1.2ARM处理器发展历程1.3ARMCortex处理器1.4STM32微控制器1.5KeilMDK5嵌入式系统集成开发工具1.6嵌入式系统设计与开发第1章ARM嵌入式系统概述—ARMCortex处理器

Cortex-M3处理器

Cortex-M3是一款由ARM公司设计的32位嵌入式处理器，采用了ARMv7-M架构，它于2004年推出，是ARMCortex-M系列处理器中的第一款。本书将基于ARM公司的Cortex-M3处理器以及意法半导体公司基于Cortex-M3的STM32F103微控制器来进行相关内容的组织与介绍。Cortex‐M3是ARMv7架构的掌上明珠，和曾经在业界有广泛影响的老一辈ARM7相比，Cortex-M3引入了许多新的技术和特色：Thumb-2指令集：Cortex-M3处理器采用了Thumb-2指令集。Thumb-2是Thumb的超集，它同时支持16位和32位指令，这样就不需要像早期的处理器需要在Thumb和ARM两种工作状态（32位的ARM状态和16位的Thumb状态）之间来回的切换了。有关Thumb-2指令集将在第3章详细介绍。多级中断优先级：引入了一个新的中断架构，称为嵌套向量中断控制器（NestedVectoredInterruptController,NVIC），能够实现快速且低开销的中断响应和处理。有关中断的详细内容将在第2章介绍。高性能总线接口：Cortex-M3处理器具有高性能的总线接口，可以与外部存储器和外设进行高速数据传输。这使得Cortex-M3处理器在处理大量数据和高速通信时表现出色。有关总线接口将在第2章介绍。内存保护：通过可选的内存保护单元（MemoryProtectionUnit,MPU），Cortex-M3能够支持操作系统的安全和稳定运行，通过分区保护来防止程序间的不当访问。调试和开发：Cortex-M3支持广泛的调试和软件开发工具，包括JTAG和SerialWireDebug(SWD)等接口，这些都大大方便了开发过程。低功耗模式：Cortex-M3设计时考虑到了能效比，具有多种低功耗模式，包括睡眠模式和待机模式等。这些模式可以在系统空闲时降低功耗，延长电池寿命，并提供更好的节能效果。这种节能设计对需要电池供电的便携式设备尤其重要。

总之，Cortex-M3是一个高效、灵活的处理器解决方案，在ARMCortex-M系列中占据重要地位。它引入了Thumb-2指令集、先进的嵌套向量中断管理以及存储器保护等新技术，非常适合需要高性能、低功耗和紧凑代码的嵌入式应用。ARM（AdvancedRISCMachines）公司先后推出的IP核有： ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11和Cortex系列。

ARM7TDMI---前一阵子比较流行的核，目前使用的也比较多。ARMCortex-A,-R,-M三种核Cortex-M3内核是AR