ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)及應(yīng)用教與學(xué) 課件 第01章 嵌入式系統(tǒng)概述

ARMCortex-M3嵌入式控制技術(shù)

——基于STM32F103RCT6

STM32F103硬件系統(tǒng)與KEILMDK工程第一章

嵌入式系統(tǒng)概述1嵌入式系統(tǒng)范例2嵌入式系統(tǒng)概念3ARM發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域4嵌入式操作系統(tǒng)5μC/OS-II與μC/OS-III6

小結(jié)1.1嵌入式系統(tǒng)范例普遍認可的嵌入式系統(tǒng)的定義是：“以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”4實例：飯水機的整個控制系統(tǒng)是一種典型的嵌入式系統(tǒng)，其核心是STM32F103RCT6等微控制器芯片，這里用STM32F103表示，通過各種外部設(shè)備和傳感器實現(xiàn)飲水機的智能控制，如右圖所示1.2嵌入式系統(tǒng)概念數(shù)字技術(shù)和軟件技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)，其中，數(shù)字技術(shù)包括數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字化芯片技術(shù)，軟件技術(shù)包括芯片級的程序設(shè)計技術(shù)和操作系統(tǒng)級的程序設(shè)計技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)與ARM的關(guān)系廣義上，凡是嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的電子系統(tǒng)都可以統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)，即使是通用的計算機系統(tǒng)，如果被嵌入在特定的應(yīng)用系統(tǒng)中，也可被稱為嵌入式系統(tǒng)狹義上，嵌入式系統(tǒng)除了具有硬件和軟件之外，還要求硬件系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、可升級等特點，要求軟件系統(tǒng)具有體積小、可裁剪性、健壯性、專用性、實時性等特點從狹義上講，嵌入式系統(tǒng)硬件往往是以ARM芯片為核心的硬件平臺，嵌入式系統(tǒng)軟件為基于芯片級開發(fā)的無操作系統(tǒng)匯編或C語言實時性軟件，或者是基于嵌入式實時操作系統(tǒng)開發(fā)的圖形界面應(yīng)用程序6嵌入式系統(tǒng)與ARM的關(guān)系A(chǔ)RM是指ARM公司設(shè)計的基于RISC（精簡指令集計算機）架構(gòu)的32位高性能微處理器，一般采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有高速指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，指令長度固定且多級流水執(zhí)行，具有MMU（存儲器管理單元）和AMBA（高級微處理器總線結(jié)構(gòu)）總線接口等狹義上，嵌入式系統(tǒng)除了具有硬件和軟件之外，還要求硬件系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、可升級等特點，要求軟件系統(tǒng)具有體積小、可裁剪性、健壯性、專用性、實時性等特點7嵌入式系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)系嵌入式操作系統(tǒng)也具有桌面操作系統(tǒng)的特點，即管理硬件資源、調(diào)度軟件進程、處理軟件中斷等，嵌入式操作系統(tǒng)通常包括硬件驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、文件系統(tǒng)、圖形界面、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、USB驅(qū)動協(xié)議等。流行的嵌入式操作系統(tǒng)有：WindowsCE嵌入式LinuxμC/OS-IIVxWorks嵌入式系統(tǒng)是面向特定應(yīng)用和環(huán)境、集成硬件和軟件的單板機，嵌入式系統(tǒng)的硬件資源有限，突出地表現(xiàn)在其具有較小容量的RAM和ROM空間，通過外擴SD卡等存儲介質(zhì)擴展存儲空間；直接基于ARM芯片開發(fā)的匯編或C語言實時性程序為嵌入式系統(tǒng)定制多任務(wù)、實時的嵌入式操作系統(tǒng)8嵌入式系統(tǒng)＝ARM硬件系統(tǒng)＋嵌入式操作系統(tǒng)＋操作系統(tǒng)級應(yīng)用軟件系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)＝ARM硬件系統(tǒng)＋芯片級應(yīng)用軟件系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)研發(fā)特點9嵌入式系統(tǒng)研發(fā)需要具備電子類和軟件類兩方面的專門知識，是一門交叉組合型學(xué)科。嵌入式系統(tǒng)研發(fā)可分為四類：嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計，需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇合適的ARM芯片，滿足處理速度和存儲深度的要求，同時，需要兼顧性價比和芯片特點與生存周期等因素基于ARM芯片的芯片級匯編或C語言程序設(shè)計，要求設(shè)計者對ARM芯片工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有較好的認識和理解，這類程序包括系統(tǒng)初始化程序和特定功能的算法程序，需要對匯編語言和指令以及C語言編程有一定的基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)的定制和驅(qū)動程序的開發(fā)，這類研發(fā)已經(jīng)完全商業(yè)化基于嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)用戶應(yīng)用程序，特別是開發(fā)具有良好圖形界面的用戶應(yīng)用程序，是對設(shè)計者的一個挑戰(zhàn)?；诓煌那度胧讲僮飨到y(tǒng)，開發(fā)應(yīng)用程序的方式有很大的不同1.3ARM發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域版本典型微處理器類型特點ARMv1~ARMv4（1990年ARM公司成立）已退市早期的版本中只有ARMv4，目前在某些ARM7和StrongARM處理器中可見，可以被視為32位尋址的32位指令集體系結(jié)構(gòu)ARMv4T（1995年）ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM920T、ARM922T支持16位的Thumb指令集，比32位的ARM指令集節(jié)省約35％的存儲空間ARMv5TE（1999年）ARM946E-S、ARM966E-S、ARM968E-S、ARM996HS增加了ARM與Thumb狀態(tài)切換的指令，增強了DSP類型指令，尤其是在語音數(shù)字信號處理方面提高了70％以上的性能ARMv5TEJ（2000年）ARM7EJ-S、ARM926EJ-S、ARM1026EJ-S添加了Java加速技術(shù)ARMv6（2001年）ARM1176JZ(F)-S改進了異常處理，更好地支持多處理器指令，增加了支持SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）的多媒體指令，對視頻和音頻解碼性能提高近4倍ARMv6T2ARM1156T2(F)-S支持Thumb-2技術(shù)ARMv7Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-R4(F)支持NEON技術(shù)，使得DSP和多媒體處理性能提高4倍，支持向量浮點運算，為下一代3D圖像和游戲硬件服務(wù)ARMv7-MCortex-M3優(yōu)化了微控制器，低功耗ARM7TDMI內(nèi)核結(jié)構(gòu)ARM9微處理器系列ARM9E內(nèi)核結(jié)構(gòu)ARM10E微處理器系列ARM11內(nèi)核結(jié)構(gòu)1.4嵌入式操作系統(tǒng)14嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，通常被設(shè)計得非常緊湊有效，拋棄了運行在它們之上的特定應(yīng)用程序所不需要的各種功能。嵌入式操作系統(tǒng)負責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配和調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動，且能通過裝卸某些軟件模塊以實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。實時系統(tǒng)是對邏輯和時序要求非常嚴格的系統(tǒng)，如果邏輯和時序出現(xiàn)偏差，將會引起嚴重后果。即實時系統(tǒng)是必須能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行特定功能，并能對外部的異步事件做出響應(yīng)的計算機系統(tǒng)，實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有嚴格要求。實時多任務(wù)操作系統(tǒng)是指具有多任務(wù)調(diào)度和資源管理功能的實時系統(tǒng)，即所謂的嵌入式操作系統(tǒng)，它往往具有以下特點：實時性，即在確定的時間內(nèi)執(zhí)行特定功能和對中斷做出響應(yīng)。體積小，一般為幾KB到幾百KB?？刹眉?，即嵌入式操作系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)需要選擇特定的功能模塊。健壯性，即具有極強的運行穩(wěn)定性?？梢浦残裕纯梢赃\行于多種嵌入式系統(tǒng)平臺上?？晒袒?，即嵌入式操作系統(tǒng)可固化在嵌入式系統(tǒng)的Flash芯片內(nèi)。提供設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序接口，即用戶可以借助嵌入式操作系統(tǒng)使用和管理系統(tǒng)資源。提供圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)功能。有些嵌入式操作系統(tǒng)提供了友好的圖形用戶界面（GUI）和網(wǎng)絡(luò)支持。WindowsCE優(yōu)點：15具有美觀的圖形用戶界面，而且該界面與桌面Windows系統(tǒng)一脈相承，使得操作直觀簡單。開發(fā)基于WindowsCE的應(yīng)用程序相對簡單，因為WindowsCE的API函數(shù)集是桌面Windows系統(tǒng)API函數(shù)的子集，熟悉桌面Windows程序設(shè)計的程序員可以很快地掌握WindowsCE應(yīng)用程序的設(shè)計方法，所以，WindowsCE應(yīng)用程序的開發(fā)成本較低。WindowsCE的文件管理功能非常強大，支持桌面Windows系統(tǒng)下的FAT、FAT32等文件系統(tǒng)。WindowsCE的可移植性較好。WindowsCE下的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)相對容易。WindowsCE的電源管理功能較好，主要體現(xiàn)在WindowsPhone上。WindowsCE的進程管理和中斷處理機制較好。WindowsCE支持桌面Windows系統(tǒng)的眾多文檔格式，例如Word和Excel等，這種兼容性方便桌面Windows用戶在WindowsCE設(shè)備上處理文檔和數(shù)據(jù)。VxWorks特點：16可靠性極高。VxWorks通過了Do-178B、ARINC653和IEC61508等平臺嚴格的安全性驗證，因而它主要應(yīng)用于軍事、航空、航天等對安全性和實時性要求極高的場合。穩(wěn)定性和可靠性高是VxWorks最受歡迎的特點。實時性好。實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定功能并對外部異步事件做出響應(yīng)的能力。VxWorks系統(tǒng)實時性極好，系統(tǒng)本身開銷很少，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)程序精煉有效，造成的任務(wù)切換延時很短，提供了優(yōu)先級搶先式和時間片輪換方式多任務(wù)調(diào)度，使硬件系統(tǒng)發(fā)揮最好的實時性。例如，美國的F-16戰(zhàn)斗機、B-2隱形轟炸機和愛國者導(dǎo)彈，甚至1997年的火星探測器上也使用了VxWorks系統(tǒng)?？刹眉粜院?。VxWorks內(nèi)核只有8KB，其他系統(tǒng)模塊可根據(jù)需要定制，使得VxWorks系統(tǒng)具有靈活的可裁剪性能，既可用于極小型單片系統(tǒng)，也可用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。VxWorks的存儲腳本（MemoryFootprint）可以指定系統(tǒng)運行內(nèi)存空間大?。ㄟ@里的存儲腳本可理解為基于VxWorks的應(yīng)用程序可執(zhí)行代碼）。開發(fā)環(huán)境友好?；趫D形化的集成開發(fā)環(huán)境WindRiverStudio，可開展基于VxWorks和WindRiverLinux系統(tǒng)應(yīng)用的工程開發(fā)。WindRiverStudio是一個完備的設(shè)計、調(diào)試、仿真和工程集成解決方案。嵌入式Linux特點：17嵌入式Linux是完全開源的，因此它廣泛應(yīng)用于高校教學(xué)。研究嵌入式Linux代碼的專家、學(xué)者遠比其他操作系統(tǒng)都多，而且Internet上的資源豐富，也有大量的圖書、資料，使得學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)的代價最小。嵌入式Linux是免費的，不涉及任何版權(quán)和專利。這一點被商界所看重。因此，大部分嵌入式產(chǎn)品在初期都使用過嵌入式Linux版本。嵌入式Linux被很多團體和組織二次開發(fā)后，形成具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式操作系統(tǒng)，所以，嵌入式Linux變種系統(tǒng)非常多，如WindRiverLinux和μCLinux等。嵌入式Linux與QT相結(jié)合，使嵌入式Linux具有良好的圖形人機界面，甚至可以和WindowsCE相媲美，而且QT目前也是開源的。嵌入式Linux的移植能力強，不需要微控制器具有MMU功能，其變種形式幾乎可應(yīng)用于所有主流嵌入式系統(tǒng)中。嵌入式Linux對外設(shè)的驅(qū)動能力很強，驅(qū)動接口程序設(shè)計相對容易，網(wǎng)絡(luò)上有大量常用設(shè)備的驅(qū)動代碼可供參考借鑒。嵌入式Linux在內(nèi)核、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)支持等方面均有突出的特點。最新的Linux內(nèi)核，具有200多萬行源代碼，可支持32個CPU，實時性顯著提高（但嚴格意義上不是實時操作系統(tǒng)），采用了更有效的任務(wù)調(diào)度器，增加了對多種嵌入式處理器的支持，在多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信方面也有很大提高。1.5μC/OS-II特點：18μC/OS-II具有優(yōu)秀的可移植性。μC/OS-II的絕大部分源代碼由C語言寫成，只有一小部分與處理器相關(guān)的移植代碼使用匯編語言編寫，匯編語言代碼量壓縮到最低限度。μC/OS-II系統(tǒng)可固化在嵌入式系統(tǒng)的Flash中。μC/OS-II系統(tǒng)可裁剪。通過μC/OS-II系統(tǒng)的OS_CFG.H配置文件可以有選擇地使用μC/OS-II系統(tǒng)功能組件，μC/OS-II的可裁剪性是靠條件編譯實現(xiàn)的。μC/OS-II系統(tǒng)是可搶先型的實時內(nèi)核，即μC/OS-II總是執(zhí)行所有處于就緒狀態(tài)下優(yōu)先級最高的任務(wù)。μC/OS-II系統(tǒng)提供了信號量、互斥信號量、事件標(biāo)志組、消息郵箱、消息隊列等多種服務(wù)組件，提供了用于時間管理和內(nèi)存管理的函數(shù)，使用這些組件可方便地在任務(wù)間進行通信和同步。μC/OS-II系統(tǒng)具有很高的安全性和可靠性。1.5μC/OS-III特點：19μC/OS-III支持ARM7、ARM9、Cortex-M、Nios-II、PowerPC、Coldfire、Microblaze、SHx、M16C、M32C和Blackfin等微處理器。μC/OS-III支持無限多個任務(wù)，支持時間片輪換調(diào)度，不同任務(wù)的優(yōu)先級可以相同，優(yōu)先級號取值不受限制。由于μC/OS-I