基于ARM的嵌入式系统原理及应用 刘彦文 编著2017年2月第1章 嵌入式系统组成简介高等院校信息技术规划教材本课件的配套教材基于ARM的嵌入式系统原理及应用 刘彦文 清华大学出版社 2017/2 本课件的使用方法两种教案：48学时教案：19章64学时教案：加选10，11章第1章 嵌入式系统组成简介1.1 嵌入式系统简介1.1.1 嵌入式系统定义n不严格地说，除了大型计算机、服务器、台式 计算机、笔记本电脑等通用的计算机之外，其 他各种含有微处理器和可运行程序的专用计算 机设备，都可以称为嵌入式系统。n嵌入式系统目前被国内计算机界普遍认同的定 义是：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、功耗有严格要求的专用计算机 系统。n也有把嵌入式系统称为：一种用于控制、监视 或协助特定机器和设备正常运行的计算机。1.1.2 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程与微处理器发展历程、操 作系统发展历程密切相关。n1971年出现的4位集成电路微处理器Intel 4004 ，当时是为了嵌入到计算器而设计的。通常可 以将Intel 4004微处理器的出现，看作是嵌入式 系统发展的初始阶段。n20世纪70年代之后，大规模和超大规模集成电 路技术迅速发展，单片微处理器面积不断缩小 ，主频一再提高，处理器的位数从8位、16位、 32位发展到64位，微处理器内部功能不断增强 并且集成了更多的功能模块。这些技术极大地 提高了微处理器计算能力、处理能力和实时控 制能力，促进了嵌入式系统迅速发展。可以将微处理器分为通用微处理器和专门用于 嵌入式系统的专用微处理器。n典型的通用微处理器如Intel公司的8080（8位 ，1974年）、8086（16位，1978年）、8088 （准16位，1979年）、80386（32位，1986年 ）、80486（32位，1989年）以及奔腾系列（ 32位，1993年）、Merecd（64位，2000年） 等，虽然它们主要用来生产通用的微型机，但 是也可以与一些配套芯片及外设设计成一个专 用计算机系统，作为嵌入式系统使用，例如用 于监控系统的单板机、工控机。n嵌入式系统专用微处理器可以分为单片机、嵌 入式微处理器、数字信号处理器和片上系统， 这些微处理器是专门为嵌入式应用而设计的。 其中单片机典型产品有Intel公司的MCS-48（8 位，1976年）、MCS-51（8位，1980年）、 MCS-96（16位，1982年）等。其他专用微处理 器将在1.3节中介绍。n嵌入式系统发展历程中，专用微处理器芯片在 嵌入式应用中的使用数量，较通用微处理器芯 片的使用数量多很多。n嵌入式系统发展历程中，出现过无操作系统的 嵌入式系统，如8位单片机直接使用汇编语言或 C语言编程；使用小型操作系统的嵌入式系统， 如使用C/OS-II的系统；使用大型操作系统的 嵌入式系统，如使用VxWorks、Windows CE或 Linux的系统。使用或不使用操作系统、使用小 型或大型操作系统，往往取决于具体嵌入式产 品功能的复杂程度。1.1.3 嵌入式系统应用举例嵌入式系统的应用非常广泛，以下一些设备或产 品中就含有嵌入式系统：n家庭中使用的高档冰箱、水表电表煤气表读卡器 、全自动洗衣机、空调机、微波炉、电饭煲、数 字电视、机顶盒（Set_Top Box，STB）、DVD 、超级VCD、含有微处理器的钟表和电风扇、视 频游戏设备、屏幕电话（screen phone）、上网 终端（web terminal）、数字音响、数字门锁、 智能防盗系统等。n办公室中的传真机、复印机、打印机、扫描仪、 数字化仪、绘图机等。n手持设备MP3、GPS手持机、智能手机（smart phone）、数码相机、数码摄像机、数码伴侣、 个人数字助理（Personal Digital Assistant， PDA）等。n安全及金融领域中用到的身份证件识别、指纹 识别、人脸识别、声音识别等设备。n通信和网络中使用的设备，如刀片服务器、交 换机、路由器、无线通信基站、2.5G和3G移动 电话、宽带调制解调器、移动游戏设备、下一 代高性能手持式因特网设备等。n医用电子设备，如B超设备、CT机、尿样血样 自动分析仪、心电图仪、脑电图仪、电子血压 计等。汽车电子产品中的：n时速、发动机转速和油量的信号采集与数字显 示设备；n行驶状态和故障记录的数字设备；n电子地图、导航、车载GPS、无线上网设备；n刹车和安全气囊自动控制设备；n汽车黑匣子、车载MP3、车载DVD、车载数字 电视；n车载信息系统，含有途经城市的旅店、停车场 、加油站、旅游点等信息。n军事、航空、航天领域中的设备，如我国的神 舟飞船、长征运载火箭；美国的F16战斗机、FA -18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹，以 及1997年火星表面登陆的火星车等，内部都装 有嵌入式系统。n其他领域，如工业控制设备和仪器仪表、机器 人、智能玩具等。总之，在我们能够想得到的许多领域和设备中 ，都大量地使用了嵌入式系统。1.1.4 嵌入式系统主要特点（见P3，P4） 与应用密切相关 实时性 复杂的算法 制造成本 功耗 开发和调试 可靠性 体积1.2嵌入式系统硬件组成及软件组成举例1.2.1 嵌入式系统硬件组成举例n图1.1是某实验开发板的组成，使用了 S3C2410A微处理器，微处理器内部集成了许 多控制器、接口和设备，微处理器芯片外部连 接了一些设备、控制器和接口。n图1.1中，Nand Flash闪存中通常存储着装载引 导程序（bootloader），Linux内核、根文件系 统、实用程序及用户编写的应用程序，或者存 储着其他操作系统和应用程序。1.2.2 嵌入式系统软件组成举例图1.2 嵌入式系统软件组成n图1.2中板级支持包（Board Support Package， BSP）和硬件抽象层（Hardware Abstract Layer ，HAL），与PC机的基本输入/输出系统（Basic Input Output System，BIOS）相似。不同的嵌 入式微处理器、不同的硬件平台或不同的操作 系统，BSP/HAL也不同。n如果设计的产品不要求实时性，可以选择非实 时操作系统。1.3 嵌入式微处理器1.3.1 嵌入式微处理器分类n本书按处理器的应用领域，广义上将其分为4 类，如图1.3所示。 嵌入式微控制器n嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit，EMU），通常也称微控制器（Micro Controller Unit，MCU）或单片机。n单片机芯片内通常集成了某种处理器内核、少量 的ROM/RAM存储器、总线控制逻辑、各种必要 的功能模块，以及某些外设或外设接口电路。n在单片机的发展过程中，许多著名的厂商，如 Intel、Motorola、Zilog、NEC等都生产过不同系 列的单片机芯片，其中尤其以Intel公司MCS-48 、MCS-51和MCS-96系列产品最具代表性。MCS- 51和MCS-96系列芯片至今仍在大量地使用。 嵌入式数字信号处理器n嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP），有时也简称DSP， 是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器。嵌 入式DSP是对普通DSP的系统结构和指令系统进 行了特殊设计，使其更适合DSP算法、编译效 率更高、执行速度更快。嵌入式DSP有两个发 展来源，一是DSP的处理器经过单片化、EMC（ 电磁兼容）改造、增加片内外设而成；二是在 通用单片机或SOC（片上系统）中，增加DSP协 处理器。n嵌入式DSP在数字滤波、FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）、频谱分析等仪 器上，使用较为广泛。 n嵌入式DSP发展过程中，德州仪器（TI）公司 推出过许多具有代表性的产品。1982年TI公司 推出了第一代处理器TMS32010，在语音合成和 编码解码器中，得到了广泛的应用。之后TI公 司又陆续推出了 TMS320C10/C20/C30/C40/C50/C80/C2000/C5 000/C6000系列。 嵌入式微处理器n嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU），也称嵌入式微处理器单元。n嵌入式微处理器通常可以分为以下2类。 通用微处理器通用微处理器并不是为嵌入式应用而设计的， 如x86系列中的8086、8088、80186、80286、 80386、80486以至奔腾系列微处理器，是为通 用目的而设计的。可以使用这种通用的微处理 器、存储器、接口电路和外设、嵌入式操作系 统以及应用程序，作为一个专用计算机系统， 成为机器或设备的组成部分，完成某种应用目 的，实现嵌入式系统的功能。 嵌入式微处理器这类微处理器是专门为嵌入式应用而设计的， 在设计阶段已经充分考虑了处理器应该对实时 多任务有较强的支持能力；处理器结构可扩展 ，可以满足不同嵌入式产品的需求；处理器内 部集成了测试逻辑，便于测试；低功耗等。通 常狭义上所讲的嵌入式微处理器就是专门指这 种类型的微处理器。 嵌入式片上系统 嵌入式片上系统（Embedded System On Chip ，ESOC），简称SOC，有时也写作SoC。近年 来随着电子设计自动化（EDA）技术的推广和 VLSI设计的普及，在一个硅片上实现一个复杂 的系统已经成为可能，这就是System On Chip 。将各种通用处理器内核作为SOC设计公司的 标准库，用户只需定义出整个应用系统，仿真 通过后就可以将设计图交给半导体厂家生产样 品。这样除了个别无法集成的器件外，整个嵌 入式系统基本上可以集成到一块或几块芯片中 。n比较典型的SOC产品有Philips公司的Smart xA。 另外还有一些通用系列，如Siemens公司的 TriCore、Motorola公司的M-Core和某些ARM系 列的产品。1.3.2 主流嵌入式微处理器简介 ARMnARM是英文Acorn RISC Machine的缩写，Acorn 是英国剑桥的一个计算机公司，1985年开发出 第一代ARM RISC处理器原型。n1990年，Acorn将公司名称改为Advanced RISC Machine Limited（先进RISC机器公司），缩写 仍为ARM。ARM公司的32位嵌入式RISC处理器 ，在低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应 用领域占据领先地位。nARM公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知 识产权（Intellectual Property ，IP）设计供应 商，ARM公司并不生产芯片，而是通过颁发许 可证，由合作伙伴生产各种型号的微处理器芯 片。许多著名半导体公司与ARM公司有着合作 关系，例如Intel、TI、Sony、Apple、Freescale 、Motorola、三星、飞利浦、富士通等。目前 有650多家关联共同体（Connected Community ）成员支持ARM处理器。nARM处理器品种比较多，常用品种可以按处理 器位（bit）数分为32位/64位处理器。32位处 理器中比较常用的有经典ARM处理器、Cortex 嵌入式实时处理器/微控制器和Cortex应用处理 器，在这些处理器下面又可划分出不同的系列 。表1-1列出了常用系列（到2015年12月底）已 经颁发的许可证数量。 （见P8）n此外，Intel公司基于ARM处理器开发的 StrongARM处理器、服从ARMv5TE指令集的 XScale系列微处理器，以及TI公司使用ARM处 理器开发的OMAP系列微处理器、三星电子公司 使用ARM处理器开发的S3C系列微处理器，应用 较为广泛。n基于ARM核的微处理器芯片