ARM嵌入基础应用 2

第1章

ARMCortex-M3

嵌入式系统作者：黄克亚2025年5月本章概要CONTENTS嵌入式系统的定义ARMCortex-M3处理器嵌入式系统软件体系结构STM32微控制器1.1嵌入式系统概述嵌入式系统在日常生活中无处不在。目前，嵌入式系统已经成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。1.1嵌入式系统概述电子计算机是21世纪最伟大的发明之一，计算机发展有两个方向：一是，面向高速数据处理和海量数据存储的通用计算机系统。如：386→486→586；PI→PII→PIII→PIVCorei3、i5、i7、i9。1.1嵌入式系统概述二是，以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的，完成一定的运算和控制功能的嵌入式计算机系统。各种家用电器、手机、PAD、数字机顶盒等各种常用设备中都有嵌入式系统的身影。1.1.1.什么是嵌入式系统1.1嵌入式系统概述嵌入式系统是以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、安全性、成本、体积、重量、功耗、环境等方面有严格要求的专用计算机系统。将微型计算机主要功能部件集成于一块芯片内，称为单片微型计算机，简称单片机，英文缩写：SCM（singlechipmicrocomputer）单片机在国外通常称为微控制器，英文缩写：MCU（MicroControllerUnit）一般认为，传统的8位单片机是较低级嵌入式系统，而基于ARM的32位单片机是较高级的嵌入式系统。1.1.2嵌入式系统和通用计算机比较1.1嵌入式系统概述相同硬件和软件的集合都是由硬件和软件构成的；工作原理是相同的，都是存储程序机制。系统组成硬件上看：都是由CPU、存储器、I/O接口和中断系统等部件组成；从软件上看：都可以划分为系统软件和应用软件两类。硬件，软件1.1.2嵌入式系统和通用计算机比较1.1嵌入式系统概述不同“嵌入”于不同设备

基本雷同的标准形态独立存在形态专用单一

通用复杂。功能几mW－几W几百W功耗够用就行

大而全资源“嵌入”的不同设备

通用指标(计算能力、存储能力)价值1.1.3嵌入式系统特点1.1嵌入式系统概述如嵌入在微波炉中的控制系统只能完成微波炉的基本操作，而不能在洗衣机中使用。1专用性强软硬件均可剪裁，STM32F1系列，CPU主频72MHz，存储器16KB~1MB，操作系统最小8KB。2可裁剪性例如导弹拦截系统，一旦发现目标，必须立即启动拦截程序，否则将会产生严重后果。3实时性好很多嵌入式系统需全天候持续工作，甚至在恶劣环境下工作，大多具有可靠性机制。如看门狗、内存保护和重启机制等。4可靠性高与具体嵌入的产品同步：经历产品导入期→成长期→成熟期→衰退期等各个阶段。5生命周期长通用计算机，硬件：Intel，软件：Microsoft，嵌入式系统，百花争艳，百家齐鸣！6不易被垄断1.1.4嵌入式系统的应用领域工业控制数控机床、电力系统、石油化工等工控系统。随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，如工控机主板。交通管理与环境监测车辆导航、信息监测与汽车服务等方面，嵌入式系统已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM模块、北斗模块的移动定位终端获得了成功的使用，如北斗卫星。消费电子消费电子是目前嵌入式系统应用最广、使用最多的领域，如手机。火炮、导弹、坦克、舰艇、月球车、火星车等科学探测设备中，都有着嵌入式系统的身影，如太空车。国防军事1.1嵌入式系统概述1.1.4嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于办公自动化产品中，有的甚至嵌入了多个处理器，成为复杂的嵌入式系统设备。如多功能打印机办公自动化产品网络和通信设备万物互联的物联网时代，产生了大量网络基础设施、接入设备和终端设备，这些设备中大量使用嵌入式系统。32位嵌入式微处理器广泛应用于各网络设备供应商的路由器。汽车电子汽车内部的车载信息系统、导航系统、与驾车安全密切相关的防抱死刹车系统（ABS）等都是嵌入式系统。特别是近年来兴起的电动汽车和自动驾驶汽车更是高性能嵌入式系统的集成。金融商业嵌入式系统主要应用在其终端设备，如POS机（PointofSale）、ATM机（AutomaticTellerMachine）、电子秤、电能表、流量计、条形码阅读机、自动售货机、公交卡刷卡器等。1.1嵌入式系统概述1.1.4嵌入式系统的应用领域近年来，便携式和可穿戴逐渐成为生物医学和健康服务设备新的发展趋势。便携式和可穿戴要求生物医学和健康服务设备必须具备体积小、功耗低、价格便宜和易于使用的特点，而嵌入式系统恰好满足这些要求。如智能手环。生物医学信息家电信息家电被视为嵌入式系统潜力最大的应用领域。具有良好的用户界面，能实现远程控制和智能管理的电器是未来的发展趋势。如智能家居1.1嵌入式系统概述1.1.5嵌入式系统范例1.1嵌入式系统概述产品案例：智盘，快速结账系统

1.2ARMCortex-M3

处理器在众多嵌入式应用系统中，基于ARM处理器的嵌入式系统占有极高的市场份额，也是嵌入式学习的首选。1.2ARMCortex-M3处理器1.2.1ARM简介ARM（AdvancedRISCMachine），既可指英国的芯片设计公司ARM公司，也可指采用ARM技术的芯片。ARM芯片本质上是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式处理器设计中。其主要特点就是低成本、高性能、低功耗，目前已被大多数芯片厂家采用。ARM公司仅提供IP核，而非完整的芯片。当今，全球95%以上的手机以及超过四分之一的电子设备都在使用ARM技术。1.2ARMCortex-M3处理器1.2.2ARM处理器ARM处理器进化史1.2ARMCortex-M3处理器1.2.2ARM处理器处理器名字架构版本号存储器管理特性其它特性ARM7TDMIv4TARM7TDMI‐Sv4TARM7EJ‐Sv5EDSP,JazelleARM920Tv4TMMUARM922Tv4TMMUARM926EJ‐Sv5EMMUDSP,JazelleARM946E‐Sv5EMPUDSPARM966E‐Sv5E

DSPARM968E‐Sv5E

DMA,DSPARM966HSv5EMPU（可选）DSPARM1020Ev5EMMUDSPARM1022Ev5EMMUDSPARM1026EJ‐Sv5EMMU或MPUDSP,JazelleARM1136J(F)‐Sv6MMUDSP,JazelleARM1176JZ(F)‐Sv6MMU+TrustZoneDSP,JazelleARM11MPCorev6MMU+多处理器缓存DSPARM1156T2(F)‐Sv6MPUDSPCortex‐M3v7‐MMPU（可选）NVICCortex‐R4v7‐RMPUDSPCortex‐R4Fv7‐RMPUDSP+浮点运算Cortex‐A8v7‐AMMU+TrustZoneDSP,JazelleARM处理器命名表1.2ARMCortex-M3处理器1.2.2ARM简介更多处理器信息，请访问ARM官网。1.3STM32微控制器教材讲授的是意法半导体公司（STMicroelectronics）推出的32位Cortex-M内核的MCU产品，它市场占有率很高，技术资料全面，官方固件库易学易用。1.3STM32微控制器1.3.1从Cortex-M3内核到基于Cortex-M3的MCUARM与STM321.3STM32微控制器由ARM设计由芯片生产商设计生产，即SQC厂商ARM单片机生产商国别logo意法半导体（ST）欧洲恩智浦(NXP)荷兰德州仪器(TI)美国兆易创新（GD32）中国1.3STM32微控制器1.3.2微控制器产品线STM32产品线十分丰富，共分为4个类别，17个系列，100多个子系列，1200多个量产芯片。1.3STM32微控制器1.3.2微控制器产品线典型系列及性能1.3STM32微控制器STM32微控制器命名规则1.3STM32微控制器STM32F103系列微控器命名示例STM32F103C8T6STM32F103VET6STM32F103ZET61.3STM32微控制器

更多产品信息，请访问ST官网：1.4嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件一般固化于嵌入式存储器中，是嵌入式系统的控制核心，控制着嵌入式系统的运行，实现嵌入式系统的功能1.4嵌入式系统的软件引导程序一般由汇编语言编写，在嵌入式系统上电后运行，完成自检、存储映射、时钟系统和外设接口配置等硬件初始化操作。应用程序一般由C语言编写，直接架构在硬件之上，在引导程序之后运行，负责实现嵌入式系统的主要功能。从软件结构上划分，嵌入式软件分为无操作系统和带操作系统两种。1.4.1无操作系统的嵌入式软件1.4嵌入式系统的软件1.4.2带操作系统的嵌入式软件带操作系统的嵌入式软件的体系结构如图所示，自下而上包括设备驱动层、操作系统层和应用软件层等。相比无操作系统的嵌入式软件，带操作系统的嵌入式软件规模较大，其应用软件架构于嵌入式操作系统上，而非直接面对嵌入式硬件，可靠性高，开发周期短，易于移植和扩展，适用于功能复杂的嵌入式系统。1.4嵌入式系统的软件1.4.3典型嵌入式操作系统µC/OS-IIμC/OSII是一个可以基于ROM运行的、可裁剪的、抢占式、实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和微控制器。效率高，空间小，性能优良，扩展性强、内核最小2KB，开源不免费。VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。WindRiver产品，高性能，高可靠性，商业软件，用于军事、航空、航天等领域。嵌入式Linux嵌入式Linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。AndroidAndroid是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。WindowsCEWindowsCE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个可抢先式、多任务、多线程并具有强大通信能力的32位嵌入式操作系统