ARM嵌入式系統(tǒng)

課程簡介ARM嵌入式系統(tǒng)

課程簡介教學(xué)目標了解嵌入式系統(tǒng)概念，歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢掌握ARM體系結(jié)構(gòu)掌握ARM匯編語言、C語言程序設(shè)計了解常見ARM芯片的性能特點了解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計過程教學(xué)目標了解嵌入式系統(tǒng)概念，歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢教學(xué)內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)概述（第一章）ARM體系結(jié)構(gòu)（ARM微處理器的編程模型）（第二章）ARM指令系統(tǒng)（第三章）ARM匯編程序設(shè)計（第四章）ARM教學(xué)實驗開發(fā)平臺概述（第六章、第八章）PXA270ARM硬件結(jié)構(gòu)（第五章）嵌入式操作系統(tǒng)（第七章）實驗（24學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)概述（第一章）課程關(guān)聯(lián)

先修課程：數(shù)字電子技術(shù)、微機原理、C語言后續(xù)課程：畢業(yè)設(shè)計課程關(guān)聯(lián)先修課程：數(shù)字電子技術(shù)、微機原理、C語言教學(xué)安排總學(xué)時：64學(xué)時 包括實驗課程（24學(xué)時）教學(xué)安排總學(xué)時：64學(xué)時評價與考核平時成績占10%（出勤，課堂表現(xiàn)，回答問題、作業(yè)），期中成績（實驗）占20%，期末考試占70%評價與考核平時成績占10%（出勤，課堂表現(xiàn)，回答問題、作業(yè)）教材《ARM嵌入式系統(tǒng)教程》

張石主編.北京：機械工業(yè)出版社，2011年2月第一版

主要教學(xué)參考書

《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》

杜春雷編著.北京：清華大學(xué)出版社.2003

教材其它中文參考書其它中文參考書相關(guān)的網(wǎng)站英文網(wǎng)站：/chinese//中文網(wǎng)站：關(guān)鍵詞：ARM,嵌入式相關(guān)的網(wǎng)站英文網(wǎng)站：ARM嵌入式系統(tǒng)

第1章 嵌入式系統(tǒng)概述ARM嵌入式系統(tǒng)

第1章 嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)：

1946年20世紀70年代電子計算機微處理器將微處理器嵌入到一個對象體系中控制專業(yè)自動駕駛儀、輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)智能化控制嵌入式系統(tǒng)的嵌入式本質(zhì)：將一個計算機嵌入到一個對象體系中單片機也能實現(xiàn)？！1.1嵌入式系統(tǒng)的概念電子計算機微處理器將微處理器嵌入到一嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點，但是這時的應(yīng)用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。最早的單片機是Intel公司的8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定時器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。最早的單片機是Intel公司的8048，它出現(xiàn)在1976年從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系A(chǔ)RM和單片機的區(qū)別？arm是單片機的一種，51也是，但arm的ROM和RAM遠大于51，而且I/O口功能和處理速度也是兩個級別的，arm能上很多操作系統(tǒng)，51只能勉強上極其簡單的實時操作系統(tǒng)，所以arm常用來開發(fā)手機等多媒體產(chǎn)品，51只能完成有限的實時控制功能，形象一點說，51和arm的等級差別就像手機和個人電腦的等級差別。ARM和單片機的區(qū)別？引入嵌入式操作系統(tǒng)之后，ARM可以實現(xiàn)許多單片機系統(tǒng)不能完成的功能。比如：嵌入式web服務(wù)器，java虛擬機等。也就是說，有很多免費的資源可以利用，上述兩種服務(wù)就是例子。如果在單片機上開發(fā)這些功能可以想象其中的難度。引入嵌入式操作系統(tǒng)之后，ARM可以實現(xiàn)許多單片機系統(tǒng)不能完成現(xiàn)在C51系列可以跑到50MHz甚至60MHz

但是普通的一個ARM9就可以實現(xiàn)400MHz以上的運算速度

雙核的ARM速度更可以達到GHz級別

片內(nèi)資源也完全沒有可比性現(xiàn)在C51系列可以跑到50MHz甚至60MHz

但是普通的一最后用個比喻來形容一下它們的區(qū)別：

聯(lián)合利華引進了一條香皂包裝生產(chǎn)線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這條生產(chǎn)線有個缺陷：常常會有盒子里沒裝入香皂。總不能把空盒子賣給顧客啊，他們只好請了一個學(xué)自動化的博士后設(shè)計一個方案來分揀空的香皂盒。博士后拉起了一個十幾人的科研攻關(guān)小組，綜合采用了機械、微電子、自動化、X射線探測等技術(shù)，花了幾十萬，成功解決了問題。每當(dāng)生產(chǎn)線上有空香皂盒通過，兩旁的探測器會檢測到，并且驅(qū)動一只機械手把空皂盒推走。

中國南方有個鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)也買了同樣的生產(chǎn)線，老板發(fā)現(xiàn)這個問題后大為腦火，找了個小工來說：“***給老子把這個搞定，不然你給老子爬走?！?。小工果然想出了辦法：他在生產(chǎn)線旁邊放了臺風(fēng)扇猛吹，空皂盒自然會被吹走。這就是ARM和單片機的差別。

最后用個比喻來形容一下它們的區(qū)別：

聯(lián)合利華引進了一條香皂補充：ARMHISTORYARM最早于1990年由Acorn改組而來，之前Acorn時期開發(fā)出自己第一代32位、6MHz、3.0m處理器，即ARM1，并用它做出一臺RISC指令集的計算機，也就是說當(dāng)時還是在沿襲傳統(tǒng)的方式，自己設(shè)計芯片出售芯片，早期使用Acorn芯片產(chǎn)品的包括蘋果的Newtonpad等。RISC即精簡指令集計算機，起初為達到降低售價把面積設(shè)計的小，功耗低是順帶的優(yōu)勢，而價格低廉功耗少天然適合移動設(shè)備，1990年11月，從蘋果獲得150萬英鎊投資，從VLSI獲25萬英鎊投資，Acorn則是12個工程師和作價150萬英鎊的IP，外加一個辦公的谷倉，重組后的Acorn開啟世界標準之旅。補充：ARMHISTORYARM最早于1990年由Acor1991年ARM6提出32位尋址，采用全新的指令集和狀態(tài)寄存器（蘋果的數(shù)碼產(chǎn)品）1996年ARM7廣泛應(yīng)用Wince應(yīng)用于ARM，出現(xiàn)了帶有彩色液晶屏的數(shù)碼產(chǎn)品，能玩游戲隨后出現(xiàn)iphone1代2代產(chǎn)品，使用了ARM11，appleARM

A5、A6應(yīng)用于3代產(chǎn)品（最新）近幾年

安卓平臺ARM的使用率爆炸式增長1991年ARM6市場概述2011年:

智能手機出貨4.7億部，ARM架構(gòu)芯片占90%，功能手機出貨6.6億部，ARM架構(gòu)芯片占95%，硬盤和固態(tài)驅(qū)動器出貨7億，ARM占90%，數(shù)碼相機1.5億臺，ARM占80%，打印機1億部，ARM占65%份額，數(shù)字電視和機頂盒4億臺，ARM占40%份額，另外還包括網(wǎng)關(guān)路由器、智能卡等領(lǐng)域占據(jù)一定市場份額。市場概述2011年:1.1嵌入式系統(tǒng)的概念計算機的分類有很多種，按照計算機的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為嵌入式計算機和通用計算機。通用計算機：具有計算機的標準形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以類同面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會的各個方面，如PC機嵌入式計算機：以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中1.1嵌入式系統(tǒng)的概念計算機的分類有很多種，按照計算機的嵌1.1嵌入式系統(tǒng)的概念I(lǐng)EEE對嵌入式系統(tǒng)的定義：

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants

(用于控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器和車間運行的裝置）嵌入式系統(tǒng)的一般定義：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

目的：是應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)實際上是一個專用的計算機系統(tǒng)。1.1嵌入式系統(tǒng)的概念I(lǐng)EEE對嵌入式系統(tǒng)的定義：1.2嵌入式系統(tǒng)的特點通用計算機行業(yè)技術(shù)壟斷，嵌入式系統(tǒng)則不同專用計算機系統(tǒng)面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，功耗低、體積小、成本低、可靠性高等生命周期較長（與具體產(chǎn)品同步）（與51類似）較高的軟件要求固化存儲、質(zhì)量高、可靠性高、實時性強需要實時操作系統(tǒng)和專用開發(fā)平臺（保證多任務(wù)的及時執(zhí)行）1.2嵌入式系統(tǒng)的特點通用計算機行業(yè)技術(shù)壟斷，嵌入式系1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無線通信領(lǐng)域：手機、PDA消費類電子產(chǎn)品：數(shù)字媒體播放器、游戲機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：語音及視頻處理、數(shù)字機頂盒成像和安全產(chǎn)品：數(shù)碼相機、打印機、SIM智能卡工業(yè)控制與儀器儀表：其他領(lǐng)域（物聯(lián)網(wǎng)、智能家居……，具有用戶界面，能遠程控制、智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢，如：冰箱、空調(diào)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化……）1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無線通信領(lǐng)域：手機、PDAARMPoweredProductsLexmarkZ52ColorJetprinterSamsungML5100AJVC"Pixstar"GC-X1HPJornado820PsionRevoPlusHPCapShareSonyMZ-R90MiniDiscNokia8810NokiaMediamasterNintendo

Gameboy

AdvanceEricssonR380AlbaBushInternetTV3Com10/100PCINICIomegaHipZipDiamondMultimediaRio600ARMPoweredProductsLexmarkZ51.4嵌入式系統(tǒng)的組成（擴充網(wǎng)絡(luò)）硬件軟件四個層面：設(shè)備驅(qū)動層實時操作系統(tǒng)層應(yīng)用程序接口層實際應(yīng)用程序?qū)榆浻布刹脺p1.4嵌入式系統(tǒng)的組成（擴充網(wǎng)絡(luò)）硬件1.5嵌入式處理器1.嵌入式微處理器（如ARM等）

(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母版功能在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面做了增強2.嵌入式微控制器（如單片機8051系列）

(MicrocontrollerUnit,MCU)又稱單片機，將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成各種必要功能和外設(shè)單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高1.5嵌入式處理器1.嵌入式微處理器（如ARM等）3.嵌入式DSP處理器

(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)片上系統(tǒng)就是在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片上去3.嵌入式DSP處理器嵌入式處理器的技術(shù)指標

功能

-主要取決于處理器所集成的存儲器的數(shù)量和外部設(shè)備接口的種類

-需要綜合考慮成本因素字長

-字長指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，決定了寄存器、運算器和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響硬件的復(fù)雜程度

-多字長數(shù)據(jù)要經(jīng)過多次傳送和運算，所以計算時間要延長處理速度

-單位時間內(nèi)各類指令的平均執(zhí)行條數(shù)，單位為MIPS

工作溫度

-通常分為民用、工業(yè)用、軍用、航天等幾個溫度級別嵌入式處理器的技術(shù)指標功能功耗

-包括工作功耗、待機功耗等

-其他條件相同的情況下，嵌入式處理器的功耗與頻率之間的關(guān)系近似一條理想的直線尋址能力

-取決于處理器地址線的數(shù)目

-處理能力強的處理器其地址線的數(shù)量多，處理能力弱的處理器其地址線的數(shù)量少平均失效間隔時間

-指在相當(dāng)長的運行時間內(nèi)，機器工作時間除以運行期間內(nèi)故障次數(shù)

-用于表示嵌入式系統(tǒng)的可靠性性價比

-用于衡量處理器產(chǎn)品的綜合性指標功耗1.6嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

-無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段

-以嵌入式CPU為基礎(chǔ)，簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)階段

-通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段

-以基于Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的特點

-體積小

-實時性

-可裁剪性

-可靠性

-低功耗1.6嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂常用嵌入式操作系統(tǒng)

應(yīng)用現(xiàn)狀： Linux38%uC/OSII34% WinCE16% Vxworks5% Qnx1%

其他6%常用嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀：常用嵌入式操作系統(tǒng)

（體積小、可裁剪、可靠性高、實時性較強）（1）uC/OSII：結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實時嵌入式操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強、實時性能好和可擴展性能等優(yōu)點。主要用于小型嵌入式系統(tǒng)。最合適的教材：嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OSII（第二版）下載相關(guān)內(nèi)容（2）WindowsCE：開發(fā)平臺主要為WinCEPlatformBuilder，有時也用EVC環(huán)境開發(fā)一些較上層的應(yīng)用。WinCE開發(fā)難度遠低于嵌入式Linux，實時性略低，常用于手機、PDA等手持設(shè)備中。常用嵌入式操作系統(tǒng)（體積小、可裁剪、可靠性高、（3）嵌入式Linux:-最大特點是源碼公開

-穩(wěn)定，內(nèi)核精悍，運行所需資源少

-支持硬件數(shù)量龐大

-在嵌入式系統(tǒng)上運行Linux需要添加實時軟件模塊常用嵌入式操作系統(tǒng)（3）嵌入式Linux:常用嵌入式操作系統(tǒng)常用嵌入式操作系統(tǒng)(4)VxWorks:Vxworks因出現(xiàn)稍早，實時性很強，并且內(nèi)核可極微（最小8K），可靠性較高等。通常應(yīng)用在通信設(shè)備等實時性要求較高的系統(tǒng)中。缺點：價格高，源代碼封閉常用嵌入式操作系統(tǒng)(4)VxWorks:1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具實時在線仿真系統(tǒng)(ICE)高級語言編譯器源程序模擬器1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具實時在線仿真系統(tǒng)(ICE)1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具實時在線仿真系統(tǒng)(ICE)1.實時在線仿真系統(tǒng)ICE(In-CircuitEmulator)在計算機輔助設(shè)計非常發(fā)達的今天,實時在線仿真系統(tǒng)(ICE)仍是進行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開發(fā)工具。ICE可以通過實際執(zhí)行,對應(yīng)用程序進行原理性檢驗,排除人的思維難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計邏輯錯誤；發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具實時在線仿真系統(tǒng)(ICE)1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具高級語言編譯器(CompilerTools)C語言大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品進入市場時間。另外,C語言便于移植和修改,使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。更重要的是采用C語言編寫的程序易于在不同的開發(fā)者之間進行交流,從而促進了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。區(qū)別于一般計算機中的C語言編譯器,嵌入式系統(tǒng)中的C語言編譯器要專門進行優(yōu)化,以提高編譯效率。1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具高級語言編譯器(CompilerT1.7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具源程序模擬器源程序模擬器是在廣泛使用的、人機接口完備的工作平臺上,如小型機和PC,通