嵌入式系统原理与应用嵌入式系统原理与应用（本科使用、专科参考使用）教教 学学 备备 课课 材材 料料刘晓秋编刘晓秋编2湖湖 南南 涉涉 外外 经经 济济 学学 院院 20102010 20112011 第一学第一学 期期 教教 学学 周周 历历课程名称 嵌入式系统 计算机 学部 计科 0801、0802、0803、计应 09 专业 4、3 年级其中教材名称ARM9 嵌入式系统设计基础教程主编（著）黄智伟、邓月明等课程 学期 总学时讲授实验 （践）上 课 周 数周 学 时学分考核方式出版社名称北京航空航天大学出版社2882286018164考试采用 教材 情况出版时间20088每周时数分配周 次日 期上课 节次上课地 点讲 授实验 （践）合计 时数教学内容备注14七教44系统基础部分：定义、发展、实时系统24七教44系统的体系结构及四个层次分类、特点、存储34七教44嵌入式系统微处理器和类型、ARM 系统介绍44七教44从 8 位机到 32 位机的发展，与一个实例54七教44ARM9 的概念、存储格式、指令、操作模式等64七教44状态、状态、异常、中断74七教44系统复位、寻址方式、堆栈的几种形式84七教44指令格式与几种类型，例题讲解94七教44S3C2410 内部结构、技术特点102六、七 教224内部存储器与地址分配112六、七 教224与存储相关的寄存器地址、计算、功能设置等122六、七 教224内容同上132六、七 教224中断的一般过程与特征142六、七 教224端口实例152六、七 教224中断实例162六、七 教224NOR FLASH NAND FLASH SDRAM DDR 讲解172六、七 教224嵌入式的存储口系统、层次、特点182六、七 教224全书复习192六、七 教224全书复习320考试说明：1、教学内容按每次授课内容填写。 2、考核方式分考试与考查两种。 3、任课教师在每学期开课以前根据教学大纲编写教学日历，一式四份，经学部（系、室）主任审 阅同意后，一份自存，一份交所在系，一份交所在学部，一份交学生。学部（系、室）主任签名： 任课老师签名： 刘晓秋 1011 上学期课表（嵌入式系统原理与应用）上学期课表（嵌入式系统原理与应用）使用班级：计科使用班级：计科 200801、200802、200803 计应：计应：09 级级周课时周课时 1616，200801200801 共共 4444 人，人，200802200802 共共 5353 人，人，200803200803 共共 5151 人，人，计应计应 0909 级共级共 4444 人。期末考试为笔试，学生成绩见成绩单。人。期末考试为笔试，学生成绩见成绩单。几个重要掌握的概念几个重要掌握的概念一、 “嵌入”的意义 从语言上理解：一个物体嵌入到另一个物体中； 从计算机的角度理解：服务器与客户机的关系； 从学习程度上理解：专业知识的综合运用； 从个人工作上理解：属于计算机应用的范围； 从嵌入与被嵌入上理解：独立功能与系统功能，受控与不受控的关系。 二、本课程的研究对象是 ARM9、ARM 指令、S3C2410、一般系统接口；关于 ARM9 与 S3C2410 的功能特点、技术参数等由生产厂家已经确定，在课程教学中没有修改与补充， 这些内容主要由学生自己自学完成。如何上好这门课如何上好这门课认真独立完成作业、实验报告、加深理解、掌握基础知识；上课做好笔记，在课堂中 将结合实践情况有大量内容的补充，讲课的顺序与教材不完全相同，因此课堂笔记将是一 种今后自己的复习资料。 （专科） 注意基础知识的学习，做好课后复习，特别要将以前学习过的专业课书籍进行相关的 复习；软件、硬件是嵌入式系统重要组成部分，缺一不可，不可分割，在学习中只能做到 全面发展，决不能将通用计算机中的软件、硬件完全分开来看，掌握嵌入式系统中的软件、 硬件必须在一个大的框架内协调工作。 （专科）4在学习中要有自己的目标，基本硬件结构和基本软件是学习嵌入式系统的关键，从 8 位处理器开始，向 32 位处理器冲击，掌握嵌入式系统和基本结构和特点，如果坚持这样， 学习嵌入式系统是肯定成功的。 学习基本硬件结构，比学习电子电路和模拟电路的难度小，嵌入式系统中要使用大量 的集成电路，在今后的实践中，一定要先学好集成电路的技术资料（学会上网自己查找） ， 然后才能设计硬件结构和系统软件。 在学习中决不可盲目求新，由系统功能和用户要求确定系统结构，注意设计成本和生 产条件，保证设计的嵌入式系统便利地升级、使用和维护。 （专科） 本学期的重点是熟悉使用、实验体会、掌握提高。掌握并理解以红色字体标出的内容。第一章：嵌入式系统的基础部份第一章：嵌入式系统的基础部份1.1 定义 定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，符合多方面严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是计算机技术、半导体技术和微电子技术等多种先进技术的产物。从嵌入式系 统运行的软件是固化在硬件系统中与硬件形成一个不可分割的整体，同一个嵌入式硬件系 统一般很难采用改变软件的方法用于其它领域，因此不可能有一个标准化的设计，这是嵌 入式系统最大的特点。 “嵌入性” 、 “专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。 1.2 发展 1.2.1 基本过程 从工业生产和自动控制开始，发展到现在的嵌入式系统（以讲述为主） 1.2.2 具体过程 （1） 无操作系统阶段 单片机是最早应用的嵌入式系统，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。 优点是由单片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，在工业控制领域中得到了非 常广泛的应用，现在的生产实践中还使用得非常很广。 （2） 简单操作系统阶段 在 20 世纪 80 年代后，随着计算机的发展，嵌入式系统的地位在系统应用中的越来越 高，由此出现了面向 I/O 设计的微控制器（或微处理器）在嵌入式系统设计应用。一些简 单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。 （一般由 8 位以上 CPU 为中心） （3） 实时操作系统阶段 20 世纪 90 年代后，嵌入式系统在应用中飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌 入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统逐渐形成，系统能够运行在各种不 同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面 等功能，并提供了大量的应用程序接口，从而使应用软件的开发变得更加简单。 （32 位机）（4） 面向 Internet 阶段 进入 21 世纪，Internet 技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式 技术与 Internet 技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。 （与互联网结合） 1.2.3 嵌入式系统的发展趋势5（1） 新的微处理器层出不穷，降低功耗和软硬件成本，多媒体人机交互界面更丰富。（2） 嵌入式操作系统迅速发展，逐步进行各个领域。 （3） 嵌入式系统的开发成了一项系统工程。 （4） 大量可编程器件和系统开发工具的出现，为嵌入式系统的发展提供支持。如： 嵌入式数字信号处理器（digital signal processing DSP）PLD（programmable logic device 可编程逻辑器件） 、FPGA（field programmable gate array 现场可编程逻辑器件） 等。 1.2.4 IP 核（Intellectual Property Core，知识产权核） IP 核是具有专有知识产权，带有具体功能并且有规范的接口，可在多个系统设计中重 复使用的功能模块，是实现嵌入式片上系统的基本构件。 1.3 嵌入式系统的组成（重点关心 1.3.1、1.3.2） 嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口 等组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软 件层和应用软件层。 （注意：两个系统的区别）嵌入式应用软件 嵌入式中间级 嵌入式操作系统嵌入式处理器 存储器 接口系统软件硬件层嵌入式操作系统对上层 连接应用程序，对下层 管理硬件系统。抽象层，是软件与 硬件的接口，完成 上下层的工作中间层对被控对象的控制应用软件BSP 使上层软件开发人 员无需关心底层硬件的 具体情况。嵌 入 式 计 算 机 系 统1.3.1 嵌入式计算机系统的硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和 I/O 接口（一般为可看到的 构件） 。特点是：硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心进行设计，一般包含有电源电路、 时钟电路和存储器电路等模块（不可少的构件） 。 （1） 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，将通用 CPU、多板卡集成在一个芯片内 （以前的单板机和单片机的区别） ，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和高可靠性。 （2） 存储器 嵌入式系统的存储器包含 Cache、主存储器和辅助存储器，目的是用来存放数据和执 行代码。Cache 一般集成在嵌入式微处理器内，可分为数据 Cache、指令 Cache 或混合 Cache。 主存储器用来存放系统和用户的程序及数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存储器。辅助存储器通常指硬盘或大容量存储设备，其主要特点有一般容量较大，其读、取速6度与主存相比要慢一些。 （3） 通用设备接口和 I/O 接口 设备接口完成信息的相互转换与匹配；I/O 接口完成信息的输入与输出。 （注意：两个 接口的区别，在一个系统中这两个接口全部都有，在这要运用学过的微机接口知识。 ） 1.3.2 中间层 中间层也称为硬件抽象层或板级支持包，位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件 与底层硬件分离开来，是上层软件与下层硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作 和控制具体硬件的方法。 （1） 嵌入式系统硬件初始化 系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次可以分为片级初始化、板级 初始化和系统级初始化 3 个主要环节（注意：方向） 。 片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态设置成系统所要求的工作状态（CPU 的初始化） 。板级初始化是一个软、硬件操作过程，完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设 备的初始化（相对独立，不构成系统） 。系统级初始化主要进行操作系统的初始化（完整） 。（2） 硬件相关的设备驱动程序 中间层中包含硬件了与相关设备的驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由中 间层使用，而是在系统初始化过程中将中间层与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来， 并在随后的应用中调用这些设备驱动程序，实现对硬件设备的操作。 BSP 级：驱动程序操作系统任务：需要操作硬件设 备被系统操作的对应硬件设备初始化时 上、下关 联使用时 调用完成设备的输出与输入1.3.3 系统软件层（专科不作要求，本科作一般了解，为今后的发展打好基础） 系统软件层通常包含有实时多任务操作系统、文件系统、图形用户接口、网络系统及 通用组件模块组成。 （1） 嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS） EOS 负责嵌入式系统的软件、硬件的资源分配、任务调度，控制协调。 （2） 文件系统 嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统不完全相同，主要提供文件存储、检索和 更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。 （3） 图形用户接口（GUI） GUI 使用户可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地操作计算机或者嵌入式系统。 1.3.4 应用软件层 应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程序组成，面向被控对7象和用户。为方便用户操作，通常需要提供一个友好的人机界面，我们以前学习的开发平 台所编写的程序大多是应用软件层的应用程序，这些相关内容以前有所了解，本课程没有 过多的研究。 （下面