嵌入式系統(tǒng)導論（第2版） 課件 第1、2章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)、ARM Cortex-M3處理器

嵌入式系統(tǒng)導論課程內(nèi)容第01章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)第02章

ARMCortex-M3處理器第03章

Thumb指令系統(tǒng)第04章

STM32微控制器第05章

STM32的GPIO第06章

CM3異常和STM32中斷第07章

STM32的USART第08章

STM32的DMA接口第09章

STM32的定時器接口第10章

STM32的模擬接口嵌入式系統(tǒng)導論主講教師：第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)本章內(nèi)容提要1.1嵌入式系統(tǒng)概述

1.什么是嵌入式系統(tǒng)

2.嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點

3.嵌入式系統(tǒng)的組成1.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)

1.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式

2.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要的軟硬件

3.軟件開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品移動終端平板電腦、智能手機信息家電智能冰箱、洗衣機、智能空調(diào)、微波爐數(shù)字電視、數(shù)碼相機與數(shù)碼攝像機、游戲機汽車電子車載、車控智能儀器儀表通訊設(shè)備其他Embedded什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式計算機系統(tǒng)簡稱為嵌入式系統(tǒng)常見的定義以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪、以適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)主要的特點與具體應用系統(tǒng)緊密結(jié)合，很強的專用性融合計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及應用領(lǐng)域的技術(shù)根據(jù)應用需求對軟硬件高效設(shè)計、量體載衣嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點硬件的特點硬件電路高度集成、體積較小低成本、低功耗軟件的特點實時性和可靠性軟件剪裁和固化代碼高效嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)一般由4個部分組成嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)（可選）、用戶應用程序用戶應用程序嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式硬件平臺嵌入式處理器外圍硬件設(shè)備嵌入式處理器（EmbeddedProcessor）微控制器MCU

MicrocontrollerUnit（單片機SCM）

SingleChipMicrocomputer嵌入式微處理器MPU

MicroprocessorUnit數(shù)字信號處理器DSP

DigitalSignalProcessor片上系統(tǒng)SoC

SystemonChip外圍硬件設(shè)備半導體廠商配套常用接口電路系統(tǒng)基本電路 時鐘、復位、供電，以及存儲器等基本接口電路 通用I/O端口、通信接口、定時器、A/D等

常用支持電路

CAN總線、USB接口、存儲卡接口、以太網(wǎng)接口開發(fā)公司提供外圍器件和軟件系統(tǒng)控制具體行業(yè)的儀器設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)工作簡單、任務(wù)單一的嵌入式系統(tǒng)可以不用操作系統(tǒng)，或運行簡單的監(jiān)控程序?qū)崟r性強、任務(wù)多樣的嵌入式系統(tǒng)需要實時操作系統(tǒng)（RTOS）uC/OS-II（現(xiàn)在已發(fā)展為uC/OS-III）VxWorks……功能強大、任務(wù)復雜的嵌入式系統(tǒng)使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)嵌入式Linux（完善的網(wǎng)絡(luò)支持）安卓Android（智能終端操作系統(tǒng)）WindowsCE……嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員嵌入式硬件工程師硬件設(shè)計 器件選擇、PCB板設(shè)計等，使用HDL語言硬件的軟件接口

Bootloader程序等，使用C與匯編嵌入式軟件程序員系統(tǒng)程序員 嵌入式OS移植、驅(qū)動程序移植等，使用C與匯編應用程序員

應用軟件開發(fā)，使用C++、java等嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式宿主機-目標機模式宿主機：通用微型機（PC機）目標機：待開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)宿主機建立完整的開發(fā)環(huán)境交叉編譯產(chǎn)生目標機的可執(zhí)行代碼通過JTAG、串口、USB接口、網(wǎng)絡(luò)等下載到目標機遠程調(diào)試軟件模擬（Simulator）在線硬件仿真（ICE：In-CircuitEmulator）宿主機-目標機開發(fā)模式嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要的軟硬件開發(fā)工具套件Keil微控制器開發(fā)工具集（MDK-ARM）ARMDS-5（DevelopmentStudio5）IAR系統(tǒng)（ARMCortex-M的嵌入式工作平臺）GNU編譯器集合（GCC）目標板（開發(fā)板、評估板）調(diào)試適配器（仿真器）集成開發(fā)環(huán)境IDE下的軟件開發(fā)步驟創(chuàng)建工程項目添加工程文件選用啟動代碼、頭文件和外設(shè)驅(qū)動庫函數(shù)創(chuàng)建源程序文件、編寫程序配置工程選項交叉編譯和連接程序下載（閃存編程）使用調(diào)試仿真器將目標代碼下載到閃存（或SRAM）中運行運行和調(diào)試軟件開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)導論主講教師：第2章ARMCortex-M3處理器本章內(nèi)容提要2.1ARM處理器2.2Cortex-M3處理器結(jié)構(gòu)2.3Cortex-M3處理器的寄存器2.4Cortex-M3處理器的存儲器組織參考資料：ARM開發(fā)者網(wǎng)站Cortex-M3設(shè)備一般用戶指南

Cortex-M3DevicesGenericUserGuide為軟件開發(fā)人員提供的用戶指南提供程序員模型、核心外設(shè)的詳細信息、指令集的通用信息Cortex-M3技術(shù)參考手冊

Cortex-M3TechnicalReferenceManual

Cortex-M3處理器產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書（TRM）包括諸如指令時序、部分接口信息等參考資料：STM32網(wǎng)站編號PM0056的Cortex-M3編程手冊STM32F10xxxCortex-M3programmingmanual為使用STM32的開發(fā)人員提供Cortex-M3基本知識提供編程模型、指令集和核心外設(shè)的編程知識/content/st_com/zh.html/ARM（AdvancedRISCMachines）ARM公司著名的處理器設(shè)計公司，成立于1990年總部位于英國劍橋ARM處理器ARM公司專注于設(shè)計、并不制作和銷售處理器芯片授權(quán)轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可、合作公司開發(fā)生產(chǎn)芯片ARM技術(shù)體積小、功耗少、成本低、性能高等優(yōu)勢基于精簡指令集計算機RISC思想2.1ARM處理器ARM處理器體系結(jié)構(gòu)8個版本的ARM體系結(jié)構(gòu)（Architecture）版本v4開始被廣泛應用，目前主要使用v7、v8結(jié)構(gòu)授權(quán)廠商生產(chǎn)多種ARM處理器系列（family）基于不同版本的結(jié)構(gòu)版本號與處理器系列（數(shù)字）并不一致例如，ARM7、ARM9、ARM11等ARMv7、v8結(jié)構(gòu)使用Cortex作為ARM處理器商標面向不同應用領(lǐng)域劃分成3種系列·Cortex-A·Cortex-R·Cortex-M2021年，ARM宣布ARMv9體系結(jié)構(gòu)ARMCortex處理器Cortex-A（Application）基于ARMv7-A（ARMv8-A）體系結(jié)構(gòu)用于高性能開放應用程序平臺，支持操作系統(tǒng)Cortex-R（Real-time）基于ARMv7-R（ARMv8-R）體系結(jié)構(gòu)用于實時性要求的高端嵌入式系統(tǒng)Cortex-M（Microcontroller）基于ARMv7-M（ARMv8-M）和ARMv6-M體系結(jié)構(gòu)用于運行實時控制系統(tǒng)的小規(guī)模應用程序Cortex-M系列處理器廣泛應用于現(xiàn)代微控制器產(chǎn)品、以及片上系統(tǒng)SoC和專用標準產(chǎn)品ASSPCortex-M3是ARM公司的第一個Cortex系列處理器Cortex-M3和Cortex-M4基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)Cortex-M0、Cortex-M0+和Cortex-M1

基于ARMv6-M體系結(jié)構(gòu)，指令集更小Cortex-M0和Cortex-M0+針對低成本微控制器產(chǎn)品Cortex-M1專為FPGA應用設(shè)計用于替代傳統(tǒng)的ARM7（甚至ARM9）處理器2.2Cortex-M3處理器結(jié)構(gòu)高性能、低功耗、32位RISC處理器基于ARMv7-M結(jié)構(gòu)，只執(zhí)行Thumb-2指令3段指令流水線（取指-譯碼-執(zhí)行）可嵌套向量中斷控制器NVIC4GB地址空間，統(tǒng)一的存儲器地址分配哈佛（存儲）結(jié)構(gòu)允許指令和數(shù)據(jù)同時訪問一系列內(nèi)部調(diào)試部件，支持多種調(diào)試接口（可選）存儲器保護單元MPU……復雜指令集和精簡指令集復雜指令集計算機CISC(CISC：ComplexInstructionSetComputer)指令豐富、程序設(shè)計方便、程序短小、執(zhí)行性能高處理器硬件復雜，不易使用先進的流水線技術(shù)，導致其執(zhí)行速度和性能難以進一步提高精簡指令集計算機RISC(RISC：ReducedInstructionSetComputer)指令系統(tǒng)很簡單，只有少數(shù)簡單、常用的指令處理器硬件簡單，比較方便地實現(xiàn)優(yōu)化RISC技術(shù)的主要特點指令條數(shù)較少尋址方式簡單面向寄存器操作指令格式規(guī)整單周期執(zhí)行先進的流水線技術(shù)編譯器優(yōu)化……Load-Store結(jié)構(gòu)Load：從主存讀取數(shù)據(jù)Store：把數(shù)據(jù)寫入主存Load-Store結(jié)構(gòu)：只有Load和Store指令存取主存數(shù)據(jù)，其他運算指令的操作數(shù)均在寄存器中馮·諾依曼存儲結(jié)構(gòu)和哈佛存儲結(jié)構(gòu)指令存儲器數(shù)據(jù)存儲器哈弗結(jié)構(gòu)處理器總線總線存儲器指令數(shù)據(jù)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)處理器總線馮·諾依曼存儲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)只有一個存儲空間指令和數(shù)據(jù)共存于此占用不同的存儲區(qū)域哈佛存儲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有兩個存儲空間一個用于存儲指令一個用于存儲數(shù)據(jù)Cortex-M3功能模塊Cortex-M3的兩個操作狀態(tài)工作狀態(tài)（ThumbState）Cortex-M3啟動后 執(zhí)行程序代碼（Thumb指令）的工作狀態(tài)調(diào)試狀態(tài)（DebugState）通過調(diào)試程序的停止請求或者處理器調(diào)試事件 才能進入的調(diào)試狀態(tài)停止執(zhí)行指令，只應用于調(diào)試操作Thumb狀態(tài)和Debug狀態(tài)Cortex-M3的兩級特權(quán)層次在工作狀態(tài)時，處理器具有兩級特權(quán)層次特權(quán)級（PrivilegedLevel）可以訪問所有處理器資源，執(zhí)行所有指令可執(zhí)行異常處理程序和應用程序用戶級（非特權(quán)級，UnprivilegedLevel）不能訪問部分受限的存儲區(qū)域和進行部分操作只能執(zhí)行應用程序特權(quán)級用戶級異常程序異常模式非法應用程序線程模式線程模式Cortex-M3的兩種操作模式在工作狀態(tài)時，處理器還具有兩種操作模式異常模式（例程模式，HandlerMode）只能在特權(quán)級下，執(zhí)行異常處理程序線程模式（ThreadMode）特權(quán)級和用戶級下，執(zhí)行應用程序復位后，處理器默認進入工作狀態(tài)的特權(quán)級下的線程模式執(zhí)行應用程序特權(quán)級用戶級異常程序異常模式非法應用程序線程模式線程模式兩級特權(quán)層次和兩種操作模式2.3Cortex-M3的寄存器通用寄存器應用程序主要使用的寄存器16個，32位，名稱：R0–R15R13是(堆)棧指針寄存器SP（StackPointer）R14是連接寄存器LR（LinkRegister）R15是程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）專用寄存器程序狀態(tài)寄存器PSR(ProgramStatusRegister)中斷/異常屏蔽寄存器控制寄存器CONTROLCortex-M3的通用寄存器Cortex-M3的專用寄存器2.4Cortex-M3的存儲器組織32位地址，支持4GB線性地址空間0x00000000–0xFFFFFFFF哈佛（存儲）結(jié)構(gòu)，共用存儲器地址空間代碼區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)外設(shè)區(qū)處理器系統(tǒng)外設(shè)區(qū)等Cortex-M3的地址空間分配位帶區(qū)（BitBandRegion）數(shù)據(jù)位的常規(guī)操作外設(shè)控制常要針對字中某個位（Bit）操作以字節(jié)編址的存儲器地址空間中，需要3步驟1.（從外設(shè)）讀取包含該位的字節(jié)數(shù)據(jù)2.設(shè)置該位為0或1、同時屏蔽其他位（不改）3.將包含該位的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入（外設(shè)）

LDRr0,=0x20000300

LDRr1,[r0] ;讀取數(shù)據(jù)

ORRr1,r1,#0x4

;D2位設(shè)置為1

STRr1,[r0] ;寫回結(jié)果數(shù)據(jù)位的位段操作數(shù)據(jù)位若采用位編址（每位具有一個地址）就可以直接針對這個地址讀寫代碼會更加緊湊、執(zhí)行效率更高

LDRr0,=0x22006008MOVr1,#1 ;D2位設(shè)置為1

STRr1,[r0] ;寫入結(jié)果0x20000300

0x22006008

位帶區(qū)地址別名映射位帶區(qū)的地址映射0x20000000~0x200FFFFF

0x22000000~0x23FFFFFF

別名地址（32MB）數(shù)據(jù)區(qū)（1MB