嵌入式详解1：嵌入式（ARM）技术基础知识

ARM嵌入式技术——Cortex-M3第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的定义

从技术的角度定义：以应用为中心、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、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。从系统的角度定义：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。术语反映了这些嵌入式系统通常是更大系统中的一个完整部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。汽车控制系统如下页图所示。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统示例——汽车控制系统第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念宏观方面发展趋势：经济性：计算机要很便宜，让更多的人能买得起；小型化：（笔记本、PDA）人们携带方便；可靠性：（汽车VCD，跳动问题）能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行；高速度：（飞机刹车系统）能够迅速地完成数据计算或数据传输；智能性：（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）（易用，有价值）第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念未来发展趋势：（1）嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持；（2）联网成为必然趋势；（3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本；（4）

提供精巧的多媒体人机界面。（易用，有价值）第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念❖嵌入式系统的架构是由嵌入式处理器、存储器等硬件，嵌入式系统软件和嵌入式应用软件所组成。处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的软/硬件框架嵌入式微处理器SDRAMROMI/OA/D人机交互接口实时操作系统(RTOS)图形用户接口BSP/HAL

硬件抽象层/板极支持包D/A

通用接口任务管理文件系统应用程序嵌入式计算机系统硬件层软件层中间层功能层注：在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适用于系统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念（1）系统内核小；应用于小型电子装置的，内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。（２）专用性强；即使在同一品牌、同一系列的产品也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。（３）系统精简和高实时性OS；嵌入式系统一般没系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也于实现系统安全。这是嵌入式软件的基本要求，而且软要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高靠性、实时性。很多嵌入式系统都需要不断地对所处环的变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，不能延第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念（4）高效率地设计；硬件和软件量体裁衣、去除冗余力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在体应用中对处理器的选择更具有竞争力。（5）创新性和有效性；市场，生命周期长（6）嵌入式软件开发走向标准化,开发需要开发工具和环境。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.1嵌入式系统的概念MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设

典型嵌入式系统的硬件组成第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.2嵌入式系统发展过程1.嵌入式微处理器（单板计算机）CPUROMRAM外设1外设2单板计算机

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.2嵌入式系统发展过程2.嵌入式微控制器（单片机）MCU

嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括89C51、MC68HC05/11/12/16、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.2嵌入式系统发展过程3.嵌入式处理器——DSP处理器DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.2嵌入式系统发展过程4.嵌入式处理器——嵌入式片上系统（SoC，SystemonChip，ARM也属于SoC系统）随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemonChip(SoC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样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中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.1概述计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.1概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统

时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.2操作系统

操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。硬件硬件驱动操作系统用户程序第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.3实时操作系统（RTOS）

实时操作系统（RTOS，Real-TimeOperatingSystem），是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。“实时”指系统必须在严格的时限内对随机事件作出正确的响应，即使在尖峰负荷下，也应如此，响应的超时即意味着致命的失败。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.3实时操作系统（RTOS）1.实时操作系统的特点总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K内)、可固化、实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.3实时操作系统（RTOS）2.使用实时操作系统的必要性

嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性；提高了开发效率，缩短了开发周期；嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。

第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.3实时操作系统（RTOS）3.实时操作系统的优缺点

优点：在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。

缺点：但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，2~5%的CPU额外负荷，以及内核的费用。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统1.嵌入式LinuxμClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux

2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。注意：LINUX2.6版本已可以在没有MMU的处理器上运行。2009年10月28日正式发布的基于Linux开放性内核的操作系统

Android，2011年初数据显示，Android已经超越称霸十年的塞班系统，使之跃居全球最受欢迎的智能手机平台。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统2.WinCE

WindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统3.μC/OS-II

μC/OS-II是一个源码公开、可移植（portable）、可固化（ROMable）、可裁剪（scalable）、占先式（preemptive）的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。μC/OS-II通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来，μC/OS-II已经被应用到数以百计的产品中。μC/OS-II占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统4.VxWorks

VxWorks操作系统是美国公司于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。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统5.eCoseCos是RedHat公司开发的源代码开放的嵌入式RTOS产品，是一个可配置、可移植的嵌入式实时操作系统，设计的运行环境为RedHat的GNUPro和GNU开发环境。eCos的所有部分都开放源代码，可以按照需要自由修改和添加。eCos的关键技术是操作系统可配置性，允许用户组合自己的实时组件和函数以及实现方式，特别允许eCos的开发定制自己的面向应用的操作系统，使eCos能有更广泛的应用范围。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统6.freertosFreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少数实时操作系统能在小RAM单片机上运行。相对μC/OS-II、embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行.第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.3嵌入式操作系统1.3.6常见的嵌入式操作系统7.RT-ThreadRT-Thread是一个集实时操作系统（RTOS）内核、中间件组件和开发者社区于一体的技术平台，由熊谱翔先生带领并集合开源社区力量开发而成，RT-Thread也是一个组件完整丰富、高度可伸缩、简易开发、超低功耗、高安全性的物联网操作系统。RT-Thread具备一个IoTOS平台所需的所有关键组件，例如GUI、网络协议栈、安全传输、低功耗组件等等。经过11年的累积发展，RT-Thread已经拥有一个国内最大的嵌入式开源社区，同时被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等多个行业，累积装机量超过两千万台，成为国人自主开发、国内最成熟稳定和装机量最大的开源RTOS。RT-Thread拥有良好的软件生态，支持市面上所有主流的编译工具如GCC、Keil、IAR等，工具链完善、友好，支持各类标准接口，如POSIX、CMSIS、C++应用环境、Javascript执行环境等，方便开发者移植各类应用程序。商用支持所有主流MCU架构，如ARMCortex-M/R/A,MIPS,X86,Xtensa,C-Sky,RISC-V，几乎支持市场上所有主流的MCU和Wi-Fi芯片。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.1ARM简介ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）处理器。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。

ARM可以认为是公司名，也可以认为是一种技术，还可以认为是一类处理器芯片。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.1ARM简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...

目前，全世界有几十家大型半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使得整个系统成本降低，使产品更容易被消费者所接受，更具有竞争力。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.2ARM微处理器的应用领域及特点工业：各种数控设备无线通信领域网络应用消费领域：手机、平板电脑、数码相机，智能家电等等此外：安防、车载、医疗器械、通信设备1.ARM微处理器的应用领域第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.2ARM微处理器的应用领域及特点体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度很快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定（32位或16位）。2.ARM微处理器的特点第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列是Cortex，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。当前应用比较多的ARM处理器核系列有：V4T版本V6版本V7、V8版本V5TE版本T变量代表支持16位Thumb指令集；E变量代表增强型（Enhanced）DSP算法指令。ARM7ARM9ARM10EStrongARMARM11CortexARM9EXscaleIntel第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，基于ARMV7、V8版本的ARMCortex系列产品由A、R、M三个系列组成，具体分类延续了一直以来ARM面向具体应用设计CPU的思路。ARMCortexA应用处理器（ApplicationProcessor

）系列R实时控制处理（RealTimeControl）系列M微控制器（MicroController）系列Advance第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列1.ARM7微处理器系列该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb16位压缩指令集和EmbeddedICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列2.ARM9微处理器系列该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列3.ARMCortex-A8处理器介绍该处理器是ARM公司所开发的基于ARMv7架构的首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语言的提前和即时编译的jazelle@RTC技术。众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列4.Cortex-M3ARM公司在2004年推出了CM3内核，经过5年市场的积累，包括ST公司、TI公司等一些半导体公司推出了基于CM3内核的微控制器产品该处理器是首款基于ARMv7-M架构的处理器，采用了纯Thumb-2指令的执行方式（不支持ARM指令集），具有极高的运算能力和中断响应能力。Cortex-M3在汽车车身系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式领域得到广泛应用。价格逼近8位单片机。本课程介绍的Cortex-M3内核的STM32系列微控制器，价格低，性能高，价格2～30余元，为占领单片机市场而设计，内置高达112个GPIO、512KBFlashROM，64KBRAM、USB主机/从机、5个USART、SSP、IIC、SPI、CAN、3个12位A/D、D/A、8个16位定时器、PWM、RTC，…，3.3V电源，三级流水线，CPU速度高达72MHz。第1讲

嵌入式（ARM）技术基础知识1.4ARM微处理器概述1.4.3ARM微处理器系列4.Cortex-M3该处理器是首款基于ARMv7-M架构的处理器，采用了纯Thumb-2指令的执行方式（不支持ARM指令集），具有极高的运算能力和中断响应能力。Cortex-M3主要应用于汽车车身系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。本课程介绍的Cortex-M3内核的STM32系列微控制器，价格低，性能高，价格2～30余元，为占领单片机市场而设计，内置高达112个GPIO、512KBFlashROM，64KBRAM、USB