嵌入式體系結(jié)構(gòu)及接口技術(shù)：第1章 緒論1

嵌入式體系結(jié)構(gòu)及接口技術(shù)

課程概況課程學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)：64；理論學(xué)時(shí)：48；上機(jī)學(xué)時(shí)：16教學(xué)目的：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的概念、體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)方法；掌握ARM9微處理器的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及嵌入式軟件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，能夠進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

課程概況

——教材及參考書

教材邱鐵《ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程》清華大學(xué)出版社2013.8第2版實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書或教材計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室編《嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》參考書杜春雷《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》清華大學(xué)出版社2015劉洪濤《ARM嵌入式體系結(jié)構(gòu)與接口技術(shù)》人民郵電出版社2009課程概況

——教材及參考書

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前最熱門最有發(fā)展前景的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。嵌入式系統(tǒng)是嵌入到目標(biāo)體系中的專用

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我們平常用的手機(jī)、可視電話、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、機(jī)頂盒、路由器、數(shù)控設(shè)備或儀表、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等都是嵌入式系統(tǒng)。課程概況嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及接口技術(shù)

嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)專業(yè)課程體系本課程的學(xué)習(xí)路線圖理解ARM7/ARM9的編程結(jié)構(gòu)掌握ARM匯編語言編程和嵌入式C語言編程掌握常用接口的控制原理和編程第1章 緒論

本章主要介紹嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和相關(guān)概念，當(dāng)前嵌入式技術(shù)的主要應(yīng)用以及市場(chǎng)上最流行的嵌入式產(chǎn)品，通過典型產(chǎn)品實(shí)例使讀者了解當(dāng)前嵌入式技術(shù)的應(yīng)用狀況和研究方向。最后介紹了嵌入式技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。內(nèi)容提要1.1嵌入式系統(tǒng)定義1.2嵌入式操作系統(tǒng)1.3嵌入式技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用1.4嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.1嵌入式系統(tǒng)定義近年來，以集成電路為代表的微電子技術(shù)取得了重大突破，這使計(jì)算機(jī)技術(shù)、微控制器技術(shù)得到了迅速發(fā)展，再加上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與普及，加速了21世紀(jì)工業(yè)生產(chǎn)、軍工國(guó)防、消費(fèi)電子、商業(yè)活動(dòng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和家庭生活等領(lǐng)域的自動(dòng)化和信息化進(jìn)程，這些為嵌入式技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展提供了強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)支撐。

1.1.1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程Intel公司于1971年開發(fā)出第一片具有4位總線結(jié)構(gòu)的微處理器4004，當(dāng)時(shí)主要用于電子玩具、家用電器，電子控制及簡(jiǎn)單的計(jì)算工具。1976年Intel公司推出功能相對(duì)較完備的單片機(jī)8048。Motorola同時(shí)推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列。在80年代初，Intel又進(jìn)一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051，這在單片機(jī)的歷史上是值得紀(jì)念的一頁。

51系列的單片機(jī)仍然在市場(chǎng)上占有很大的比例，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。在80年代早期，出現(xiàn)了商業(yè)級(jí)的“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核”，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的程序員開始在實(shí)時(shí)內(nèi)核下編寫嵌入式應(yīng)用軟件，從而使新產(chǎn)品的研制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。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）采用搶占式的調(diào)度策略，任務(wù)的實(shí)時(shí)性好，并且執(zhí)行時(shí)間是確定的；（2）具有可裁剪性（根據(jù)任務(wù)的需要與否進(jìn)行添加或刪除操作系統(tǒng)模塊）和可移植性（移植到各種處理器上）；（3）具有較好的可靠性和可擴(kuò)展性，適合嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用開發(fā)。進(jìn)入90年代，隨著任務(wù)復(fù)雜性的不斷增加，軟件規(guī)模也越來越大，實(shí)時(shí)核也隨之逐漸發(fā)展并完善，并由此發(fā)展成為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種可移植的軟件平臺(tái)成為當(dāng)前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件支撐。這一階段在國(guó)際上相繼出現(xiàn)了PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Nucleux等嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)入21世紀(jì)，嵌入式系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。在硬件上，MCU的性能得到了極大的提升，特別是ARM技術(shù)的出現(xiàn)與完善，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的硬件載體。Intel、Sansung、Motorola、Phlips和Atmel紛紛采用ARM技術(shù)，再加上其公司先進(jìn)的外圍接口技術(shù)與先進(jìn)的制造技術(shù)，設(shè)計(jì)出功能完備的MCU，應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)類電子、航空航天、軍事工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。1．1．2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

IEEE的定義：Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.從中可以看出，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。我國(guó)嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)定義我國(guó)嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)定義以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從這個(gè)定義可以看出嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁剪利用。因此有人把嵌入式系統(tǒng)比作是一個(gè)針對(duì)特定的應(yīng)用而“量身定做”的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)：硬件以一個(gè)高性能的處理器為基礎(chǔ)，軟件以一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的處理能力是以往單片機(jī)所無法比擬的，它涵蓋了軟件和硬件兩個(gè)方面，因此稱之為“嵌入式系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成：嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件組成。嵌入式平臺(tái)的基本組成結(jié)構(gòu)：嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程和優(yōu)勢(shì)為什么要使用嵌入式系統(tǒng)？傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程和優(yōu)勢(shì)為什么要使用嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程避免重復(fù)勞動(dòng)，縮短開發(fā)周期，保證開發(fā)的成功性！1.2嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperationSystem）產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)國(guó)際上一些IT公司開始進(jìn)行商用嵌入式操作系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多嵌入式操作系統(tǒng)，在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。1．2．1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入進(jìn)行快速處理并作出響應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，必須有相應(yīng)的硬件支持才能達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大體可分為商用型和免費(fèi)型（開源）兩種。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價(jià)格一般較高。典型的商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有VxWorks，QNX，OSE，ECOS，PSOS，WindowsCE等等。免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——嵌入式Linux:嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對(duì)嵌入式微控制器的特點(diǎn)而量身定做的一種Linux操作系統(tǒng)，包括常用的嵌入式通信協(xié)議和常用驅(qū)動(dòng)，支持多種文件系統(tǒng)。

嵌入式實(shí)時(shí)操作內(nèi)核μC/OS-II:μC/OS-Ⅱ是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，只包含了任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能。沒有提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)及管理、圖形界面等模塊。但是由于μC/OS-Ⅱ的可移植性和開源性，用戶可以根據(jù)功能需求添加所需的各種服務(wù)

1.3嵌入式技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

嶄新的數(shù)字世界多彩的嵌入式應(yīng)用

無線電的發(fā)展BTH礦石收音機(jī)

單二極管Bush收音機(jī)

7個(gè)晶體管

單二極管EvokeDAB收音機(jī)

1億個(gè)晶體管

2-3個(gè)嵌入式處理器電話的發(fā)展電話

無晶體管BTDECT1千萬個(gè)晶體管

3個(gè)處理器諾基亞手機(jī)

超過7億個(gè)晶體管

(多數(shù)用于存儲(chǔ)器)

5-6個(gè)處理器計(jì)算機(jī)的發(fā)展+=AppleMacintosh

黑白顯示器

1MIP處理器AcornArchimedes

彩色顯示器

10MIP處理器

…RISC集惠普－康柏掌上電腦

彩色顯示

200MIP處理器64MB內(nèi)存

…袖珍型嵌入式Internet應(yīng)用航海儀器的發(fā)展地圖、時(shí)鐘、指南針

印刷及磁技術(shù)

無晶體管Raytheon

船用航海儀器GPS定位器

約1億個(gè)晶體管

2-3個(gè)處理器

…+4個(gè)人造衛(wèi)星!軍事國(guó)防領(lǐng)域航天領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人控制中的應(yīng)用智能玩具與機(jī)器人1.4嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)代的發(fā)展使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的商機(jī)，為嵌入式產(chǎn)品提供了廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)也對(duì)嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。1．隨著信息化與數(shù)字化的發(fā)展，嵌入式設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。未來的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)信息化與數(shù)字化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化成為發(fā)展的方向。要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在硬件設(shè)計(jì)上要提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口(TCP/IP,UART,IEEE1394,USB,CAN,Bluetooth,IrDA等）。在應(yīng)用軟件方面，要提供可以在設(shè)備上安裝嵌入式Web瀏覽器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的訪問。2．優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)軟硬件內(nèi)核，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，降低功耗和硬件成本。嵌入式產(chǎn)品是軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)備，為了提高運(yùn)行速度、降低功耗和成本，要求開發(fā)人員盡量裁剪系統(tǒng)的硬件資源和軟件內(nèi)核，利用最少的硬件資源和軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最多的功能。在實(shí)現(xiàn)過程中要不斷的優(yōu)化硬件電路并改進(jìn)算法，達(dá)到最佳的控制功能。

3．指令級(jí)的并行計(jì)算技術(shù)將引入嵌入式微處理器。在工程的實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的運(yùn)算功能，比如向量計(jì)算，這就需要在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)的運(yùn)算操作。在CPU中設(shè)計(jì)多個(gè)執(zhí)行部件來完成此功能，這種CPU的架構(gòu)形式稱為單指令流多數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)，也稱之為指令級(jí)的并行計(jì)算技術(shù)。4．嵌入式微處理器將會(huì)向多核技術(shù)發(fā)展。無所不在的智能必將帶來無所