嵌入式系统发展方向

2022-08-22

第一篇：嵌入式系统发展方向

嵌入式软件系统方向

1. 培养目标：

本方向以培养学生能够独立进行嵌入式软件设计开发能力为目标，通过模块化的学习，使其具备扎实的技术基础、良好的技术素质和优秀的技术应用能力。本专业要求能够掌握嵌入式体系结构、汇编指令集、开发环境及嵌入式操作系统，对嵌入式的技术体系有深入的理解和掌握，并具有较强的项目开发、技术创新、项目管理能力以及团队协作精神，能够独立胜任嵌入式软件设计与开发工作。

2. 培养技能：

1) 培养学生掌握嵌入式体系结构、汇编指令集、开发环境及嵌入式操作系统、对嵌入式的技术体系有深入的理解与掌握。

2)使学生掌握嵌入式开发环境及各种调试方法,掌握ARM体系结构;

3)培养学生熟练掌握嵌入式C开发项目的应用基础知识、对嵌入式交叉开发有初步的认识;

4)培养学生掌握操作系统中的内核结构，掌握LINUX的基本操作及应用;

5)通过实训项目，使学生对企业项目的开发及管理模式有深入的理解及体验，具有更强的项目开发及团队合作能力;

6)让学生通过职业素养的熏陶及培训，获得良好的职业素养、规范的职业工作习惯以及较强的工作能力;

3.主要方向课程(软件工程专业的必修环节外)：

 LINUX系统及其编程

 嵌入式软件设计

 嵌入式系统原理

 嵌入式方向企业定制课程

4.就业趋势：

随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要，像我们平常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3Player、数字相机(DC)、数字摄像机(DV)、U-Disk 、机顶盒(Set Top Box)、高清电视(HDTV )、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等，都是典型的嵌入式系统。因此嵌入式软件开发是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一，权威部门统计，我国目前嵌入式软件人才缺口每年为40万人左右，未来随着“三网融合”不断提速，手机、数字电视、信息家电、网络电话、汽车电子、医疗电子等都将是嵌入式软件的重要应用领域，嵌入式开发人才将会越发抢手，将是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一。

就业岗位类型：1) 嵌入式软件工程师;2) 嵌入式系统设计工程师;3) 嵌入式系统测试工程师;4) 嵌入式产品技术支持工程师等

可胜任具体如下岗位：嵌入式网络工程师、嵌入式系统软件开发工程师、嵌入式LINUX应用开发工程师、嵌入式LINUX驱动开发工程师、WinCE应用开发工程师、WinCE驱动开发工程师、J2ME应用开发工程师、技术支持工程师、市场类嵌入式行业咨询师、嵌入式产品销售人员、嵌入式项目拓展经理、嵌入式产品管理经理、嵌入式项目开发经理

第二篇：嵌入式系统设计与实现试验教学大纲专业方向课

《微型计算机系统与接口技术》实验教学大纲

计算机科学与技术专业(专业基础课)第七学期

一、嵌入式系统教学实验平台配置 1. 平台的硬件配置

MICETEK EV44B0II是一个适用于手持设备和一般应用的S3C44B0X处理器的教学开发平台。它包括采用ARM7TDMI的S3C44B0X处理器、8位LCD连接器和触摸屏接口、10MHz外部时钟、1M×16位的FLASH、4M×16位的SDRAM，2个RS232串行口、一个JTAG接口、1个并行调试接口、1个RTC、1个I²C E²PROM、1个10/100MB网络接口、1个USB接口、1个具有扬声器和麦克的音频接口、一位8段码显示器、1个4×4键盘、特殊功能引脚和总线扩展接口。 2. 软件开发环境

操作系统和图形界面API采用开源的μCLinux和MicroWindows(GUI)等。开发工具采用上海祥佑数码公司提供的LinuxView软件。它是在WINDOWS环境下用于嵌入式Linux内核调试和应用程序调试的集成开发环境。试和调试硬件和BSP。

二、实验目的

《嵌入式系统设计与实现(实验课)》的实验内容分为2个层次。基本部分目的是让学生了解(认识)嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程;让学生熟悉实验开发工具;掌握实验开发工具的操作方法及使用，熟悉软件编程环境，根据《实验指导书》的内容进行基本的嵌入式程序开发。综合应用部分目的是让学生综合运用前面所学到的知识，按照指定的题目，自行设计开发嵌入式应用程序。

三、基本型和研究性实验

(一)基本实验

实验一

Hitools for uClinux开发环境 1. 实验目的及意义：

熟悉Hitools for uClinux开发环境，学会JEDI仿真器的使用。了解使用Hitools for uClinux进行uClinux开发的基本过程。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)安装 Hitool for ARM supporting uClinux

(2)建立开发环境

(3)配置内核和必要的应用程序

(4)编译内核和根文件系统

(5)调试内核

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验二

44B0 初始化 1. 实验目的及意义：

完成S3C44B0的初试化配置，顺利进入C程序。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端也可连上。

(2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。

(3)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验三

JTAG调试和MDB调试 1. 实验目的及意义：

学会使用 Hitools for uClinux进行系统级调试和任务级调试。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)创建一个新工程，添加源文件hello.c，编译。 (2)使用JTAG调试应用。

(3)使用MDB 调试应用程序。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组 6.消耗材料金额

实验四

Timer调试 1. 实验目的及意义：

用中断方式，定时改变8-SEG的某段的显示时间。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端也可连上。 (2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。 (3)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验五

FLASH操作调试 1. 实验目的及意义：

熟悉Flash的基本操作方法，完成对BOOT Flash的擦除及烧入。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口)，超级终端和EV44B0-II的UART0 相连。

(2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。 (3)把要烧入的文件下载到SDRAM(注意不要和你所建项目的地址重合)。

(4)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验六

Keyboard调试 1. 实验目的及意义：利用其I/O口和外部中断，构成一个键盘扫描电路。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端也可连上。 (2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。 (3)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验七

UART调试 1. 实验目的及意义：

用中断和BDMA方式，在UART0输出一串字符，然后把在键盘上键入的在超级终端上显示出来。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端也可连上。 (2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。 (3)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验八

RTC & WDT调试 1. 实验目的及意义：

用RTC功能，在超级终端和LCD上显示小时，分，秒，就象一个时钟，还结合WDT的RESET功能，当在超级终端键入一时，系统重启。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口),依附录连接超级终端和UART0。(2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入五个源文件，编译。

(3)加载目标文件，运行，在超级终端上会要求依次输入年，月，日，星期，小时，分和秒。然后在超级终端显示全部，并在LCD显示小时，分和秒，并实时更新。 (4)在PC键盘摁“1”，评估板进入WDT测试，在超级终端上显示0~10，然后在2秒种后重起。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验九

ADC & TOUCH PANEL调试 1. 实验目的及意义：

利用S3C44B0的I/O和ADC，做一个触摸屏的实验。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端也可连上。 (2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。 (3)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验十

LCD调试 1. 实验目的及意义：

EV44B0-II现配有160*240的黑白的显示屏，本实验就是在其上面显示一个160*240的图片出来，是4bit单扫描的。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端也可连上。 (2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。 (3)加载目标文件，运行。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验十一

IIS调试 1. 实验目的及意义：

EV44B0-II利用IIS接口和PHILIPS的UDA1341TS，完成音频的线路，并结合S3C44B0的BDMA，实现声音的录放。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口)，超级终端和EV44B0-II的UART0相连。

(2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。(3)加载目标文件，运行，在超级终端会依次提示。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验十二

uClinux下串口设备的使用 1. 实验目的及意义：

学习在uClinux系统中使用串口设备，通过读写该设备对应的设备文件与其他设备通信;同时了解uClinux系统中设备文件与设备驱动程序的关系，以及系统读写调用与驱动程序读写函数的关系。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)将44b0上的uClinux系统启动，在超级终端上运行。

(2)按照MDB的起动步骤，使Hitool For uCinux ARM在MDB方式下调试。 (3)用另一条串口线将44b0评估板的com2与计算机的com2连接。新建一超级终端。 (4)启动Hitool For uClinux ARM 将编译好的elf文件down下去。

(5)运行程序。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

(二)综合应用实验实验一

USB调试 1. 实验目的及意义：

利用EV44B0-II上的USB的线路，进行基本的操作，以此来熟悉USB和S3C44BO。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端和EV44B0的UART0相连(见附录)。

(2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。(3)加载目标文件，运行，在超级终端出现下图。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验二

ETHERNET调试 1. 实验目的及意义：

利用EV44B0-II上的乙太网的线路，进行基本的操作，以此来熟悉以太网和S3C44BO。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)连接EV44B0-II 和PC(JTAG或并口，)，超级终端和EV44B0的UART0相连(见附录)。

(2)运行Hitool for ARM, 建立项目并加入四个源文件，编译。(3)加载目标文件，运行，在超级终端出现下图。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验三

TCP/IP网络 1. 实验目的及意义：

熟悉uClinux环境下TCP/IP协议栈的使用，学习如何实现TCP/IP操作，编写CS(client-server)结构的程序，掌握uClinux下TCP/IP编程，学会在Hitools for uClinux环境下使用MDB调试TCP/IP程序。 2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)编译好一个带MDB的uClinux内核，将linux_bootrom.bin通过Hitools烧录到评估板。 (2)查看系统的路由信息。

(3)在Hitools环境下创建一个新工程，添加nettime.c文件，编译。

(4)配置Hitools的调试协议为MDB，启动主机的Target Server。 (5)启动服务端程序，选择Hitools菜单Project下的Init Debugger。 (6)启动客户端程序，在超级终端中，进入目录/var/tmp ,键入 ./nettime –c 10.10.16.220 –o 8888 回车。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验四

文件系统操作 1. 实验目的及意义：

熟悉uClinux环境下文件系统，了解uClinux中文件系统的体系结构，编写文件系统处理程序。知道如何添加文件系统到内核中。

2.实验要求：

必修

3.实验步骤： (1)编译好一个带MDB的uClinux内核，将linux_bootrom.bin通过Hitools烧录到评估板。 (2)配置启动评估板，利用ifconfig命令配置以太网口，启动MDB。 (3)在Hitools环境下创建一个新工程，添加fileop.c文件，编译，配置Hitools的调试协议为MDB，启动主机的Target Server。 (4)下载程序，并指定参数/etc/test.tmp。 (5)开始调试，观察console中的操作结果。 (6)重复1-4，并指定参数为/tmp/test.tmp (7)开始调试，观察console中的操作结果。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验五

uClinux下的web服务器 1. 实验目的及意义：

熟悉Web服务器的工作原理，了解uClinux环境下的Web技术，添加一个Web服务器到uClinux系统中。

2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)在按实验内容对程序进行修改后，重新编译uClinux内核，使用HITOOLS中的编程工具，将linux_bootrom.bin通过JEDI烧写到EV44B0II评估板。

(2)使用ifconfig命令，确认EV44B0II的IP地址。 (3)运行boa -c /tmp/ & ，启动web服务器。

(4)打开PC上的浏览器(如IE6或Netscape)输入EV44B0II的IP作为网址，例如http://192.168.1.125/ ，这时就可以看到要测试的网页内容。网页内容是/tmp/index.html文件。 (5)在lamp number 文本框中，写入“1”，然后点击 “display”。 (6)在浏览器上显示“Demo Web Page”。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验六

uClinux下的声音设备的使用 1. 实验目的及意义：

了解S3C44B0提供的IIS总线接口的功能特性，熟悉IIS总线标准，熟悉WAV文件的格式和EV44B0II实验板声音部分的原理，最后通过一个实验程序了解uClinux下声音设备的使用。

2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)首先配置Hitool for ARM uClinux，使其以MDB方式调试。 (2)运行Hitool。选择Project菜单下的New，新建一工程。 (3)增加源文件到新建的sound工程。 (4)对工程进行编译。

(5)将程序下载到实验版上进行调试。

(6)本例程序首先将同一目录下的Test.wav播放出来，然后进行3秒的录音。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

实验七 uClinux下的LCD显示 1. 实验目的及意义：

了解LCD显示原理，学习S3C44B0的LCD控制器特性，熟悉LCD控制器与LCD驱动器的连接接口，了解uClinux下framebuffer显示驱动的使用。

2.实验要求：

必修

3.实验步骤：

(1)首先配置Hitool for ARM uClinux，使其以MDB方式调试。 (2)运行Hitool。选择Project菜单下的New，新建一工程。 (3)在workspace中我们可以看到一个名为lcd的Project已经建立。下面需要将源程序加入到source files中。鼠标右健点击source files文件夹，选择Add source Files。 (4)对工程进行编译。

(5)将程序下载到实验版上进行调试。

4.试验类型：

设计

5.需开实验组数：

30组

6.消耗材料金额

第三篇：嵌入式系统实验

南京信息工程大学实验(实习)报告

实验(实习)名称

电机转动控制及中断实验实验(实习)日期

2016.5 得分

指导教师谢胜东

学院计算机与软件专业计算机科学与技术年级

2013 班次 3 姓名

叶正舟学号

20131308072

1 实验名称

电机转动控制及中断实验

2 实验目的

(1)熟悉ARM本身自带的六路即三对PWM，掌握相应寄存器的配置

(2)编程实现 ARM系统的PWM 输出和I/O 输出，前者用于控制直流电机，后者用于控制步进电机。

(3)了解直流电机和步进电机的工作原理，学会用软件的方法实现步进电机的脉冲分配，即用软件的方法代替硬件的脉冲分配器。

(4)掌握带有PWM 和I/O 的CPU 编程实现其相应功能的主要方法。

3 实验环境

(1)ADS1.2开发环境 (2)PC (3)串口线

4 实验内容及要求

学习步进电机和直流电机的工作原理，了解实现两个电机转动对于系统的软件和硬件要求。学习ARM知识，掌握PWM 的生成方法，同时也要掌握I/O 的控制方法。

(1)编程实现ARM芯片的一对PWM 输出用于控制直流电机的转动，通过A/D 旋钮控制其正反转及转速

(2)编程实现ARM的四路I/O 通道实现环形脉冲分配用于控制步进电机的转动，通过A/D 旋钮转角控制步进电机的转角。

(3)通过超级终端来控制直流电机与步进电机的切换。

5 实验设计与实验步骤

(1)新建工程，将“电机转动控制实验”中的文件添加到工程 (2)编写直流电机初始化数(MotorCtrl.c) (3)控制直流电机与步进电机

6 实验过程与分析

(1)通过把从串口中得到控制信息的代码修改成从zlg7289芯片中读取小键盘信息，从而利用试验台的小键盘来控制步进电机和直流电机的切换

(2)A/D转换可以把电信号转换成数字信号来控制电机的转速。 for(;;)

{ loop:

//if((rUTRSTAT0 & 0x1)) //有输入，则返回

if(rPDATG&ZLG7289_KEY)//17键小键盘控制电机

{

*Revdata=RdURXH0();

goto begin;

}

Delay(10); ADData=GetADresult(0);

if(abs(lastADData-ADData)<20)

goto loop; Delay(10); count=-(ADData-lastADData)*3;

//(ADData-lastADData)*270/1024为ad旋钮转过的角度，360/512为步距角，

//由于接了1/8减速器，两者之商再乘以8为步进电机相应转过的角度

if(count>=0)

{//转角大于零

for(j=0;j

{

for(i=0;i<=7;i++)

{

SETEXIOBITMASK(stepdata[i], 0xf0);

Delay(200);

}

lastADData=ADData;

} }

7 实验结果总结

利用A/D转换器实现了对直流电机和步进电机的控制，利用实验设备上自带的小键盘实现了A/D转换器对两个电机控制的切换。

8 心得体会

通过本次实验，熟悉了ARM自带的六路(三对)PWM，并对直流电机和步进电机的工作原理有了进一步的了解。

第四篇：嵌入式系统设计教案

课程总学时： 32 讲课学时： 24 实验学时： 8 授课人：杨词慧

南昌航空大学信息工程学院

目

录

1 嵌入式系统概述 ....................................................................................................................... 1 1.1 嵌入式系统的基本概念 ............................................................................................... 1 1.2 嵌入式系统的发展历史 ............................................................................................... 2 1.3 嵌入式系统的体系结构 ............................................................................................... 2 1.4 嵌入式处理器 ............................................................................................................... 3 1.5 嵌入式操作系统 ........................................................................................................... 4 1.6 嵌入式系统的应用及发展趋势 ................................................................................... 7 ARM体系结构......................................................................................................................... 8 2.1 ARM设计思想 ............................................................................................................. 8 2.2 ARM体系结构分析 ..................................................................................................... 9 2.3 ARM处理器系列 ....................................................................................................... 11 2.4 ARM处理器模式 ....................................................................................................... 15 2.5 ARM体系的异常处理 ............................................................................................... 16 2.6 ARM内部寄存器 ....................................................................................................... 18 2.7 ARM体系的存储系统 ............................................................................................... 19 ARM指令系统及程序设计基础 ........................................................................................... 21 3.1 ARM寻址方式 ........................................................................................................... 21 3.2 ARM指令集............................................................................................................... 24 3.3 Thumb指令集 ............................................................................................................ 33 3.4............................................................................................................................................ 35 3.5............................................................................................................................................ 35 3.6 嵌入式系统设计与开发过程 ..................................................................................... 36 STM32微控制器 ................................................................................................................... 37 4.1 STM32微控制器的性能指标 .................................................................................... 37 2 3 4

1 嵌入式系统概述

教学目的：使学生对嵌入式系统的基本概念和体系结构、嵌入式处理器、嵌入式操作系统、嵌入式系统的历史、应用及发展趋势有一定的了解。

教学重点：嵌入式系统的基本概念、嵌入式处理器和嵌入式操作系统。教学难点：嵌入式系统的体系结构、嵌入式处理器。教学方法与教学手段：课堂讲授，多媒体教学。教学时间：2课时。教学内容

1.1 嵌入式系统的基本概念

(1) 嵌入式系统的定义

先举例说明生活中的各种嵌入式系统设备，如iPhone、小米手机、洗衣机、电压力锅等。 IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置(Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。

微机学会的定义：嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、板级和片级。 a) 系统级：各种类型的工控机、PC104等模块。 b) 板级：各种类型的带CPU的主板或OEM产品。 c) 片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品。

一般定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。

(2) 嵌入式系统的特点 a) 专用、软硬件可剪裁配置。 b) 低功耗、高可靠性、高稳定性。 c) 软件代码矮小精悍。 d) 代码可固化。 e) 实时性。 f) 弱交互性。

g) 软件开发通常需要专门的开发工具、环境和方法。 h) 要求开发、设计人员具有较高的技能。 i) 具有较长的生命周期。 (3) 嵌入式系统的分类

按嵌入式微处理器的位数可分为：4位、8位、16位、32位和64位。按实时性能可分为：非实时系统和实时系统。

按软件结构可分为：嵌入式单线程系统和嵌入式事件驱动系统。

按应用领域可分为：信息家电类、消费电子类、医疗电子类、移动终端类、通信类、汽车电子类、工业控制类、航空电子类、军事电子类等。

1.2 嵌入式系统的发展历史

(1) 以单芯片为核心的可编程控制器形成的系统

1971年11月，Intel推出Intel 4004。随后出现Intel 8080/808

5、808

6、Motorola的6800、68000，Zilog的Z80、Z8000。

以微处理器为核心构成的系统

单板机：Intel的iSBC系列、Zilog的MCB等

将计算机做在一个芯片上，大部分应用于专业性强的工业控制系统中，没有操作系统的支持，系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小。

(2) 以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统

CPU种类繁多，通用性较弱;系统开销小，效率高;操作系统达到一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业化，用户界面不够友好。

(3) 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统

嵌入式操作系统可运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好;操作系统内核小，效率高;具备文件和目录管理，支持多任务、网络应用，具备图形窗口和用户界面;有大量的应用程序接口API。

(4) 以Internet为标志的嵌入式系统嵌入式设备与Internet的结合。

1.3 嵌入式系统的体系结构

(1) 体系结构

(2) 硬件层

 嵌入式处理器：ARM、DSP、FPGA  存储器系统：ROM、FLASH、SDRAM  中断控制器、DMAC、定时器/计数器、UART、USB控制器、LCD控制器等  I/O接口：USB、I2C、SPI、CAN等

(3) 中间层

 硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer, HAL)。位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，隐藏硬件接口细节。

 板级支持包(Board Support Package, BSP)。为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。  设备驱动程序

1.4 嵌入式处理器

(1) 嵌入式处理器的分类

中高端的嵌入式微处理器(Embedded Micro-Processor Unit, EMPU) 低端的微控制器(Microcontroller Unit, MCU) DSP处理器(Digital Signal Processor, DSP) 高度集成的片上系统(System on Chip, SoC) (2) 嵌入式微处理器

由通用计算机中的CPU演变而来，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性、功耗等方面做了各种增强。

主要的嵌入式处理器类型：ARM、MIPS、PowerPC、68000系列等。特点

a) 在设计中考虑低功耗。

b) 采用可扩展的处理器结构。处理器内部留有很多扩展接口。 c) 具有很强的存储区保护功能。 d) 提供丰富的调试功能。

e) 对实时任务具有很强的支持能力。 (3) 微控制器

俗称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中。

WatchWatchdogdogGPIO/计数GPIOUARTUART定时定时/计数A/DA/DD/A器D/A器2CCANCANII2CSPISPIUSBUSBCPUCPUSRAMSRAM核心部分FlashFlash8位单片机示意图以一种微处理器为核心，芯片内部集成Flash、RAM、总线逻辑、定时器/计数器、I/O口、串行口、PWM、A/D、D/A等。

最早的单片机： 1976年，Intel的8048，Motorola的68HC0

5、Zilog公司的Z80.

(4) DSP处理器

对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合DSP算法高效乘累加运算、超标量操作、指令流水线高效数据存取、硬件重复循环确定性操作(程序执行时间可预测) 应用场合：音视频编解码、数字滤波、FFT等 (5) 片上系统

将整个系统做在一个芯片上优点

a) 通过改变内部工作电压，降低芯片功耗 b) 减少芯片对外的引脚数，简化制造过程

c) 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度 d) 内嵌线路可避免信号传递时所造成的系统杂讯联发科推出28nm双核处理器MT6572 a) 代号武松，基于Cortex-A7架构 b) 主频为1.2GHz c) 处理器上整合了Wi-Fi、FM收音机、GPS以及蓝牙四种功能 d) 支持500万像素摄像头 (6) 嵌入式处理器的发展趋势 a) 内部结构

SoC设计，与DSP、Flash、FPGA融合;性能更强，集成更多的功能部件;双核或多核结构 b) 功耗更低 c) 可靠性更高 d) 支持ISP、ISD 1.5 嵌入式操作系统

(1) 操作系统的概念及功能

操作系统。是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，并为用户提供方便的应用接口。

功能：处理器管理;存储器管理;设备管理;文件管理;用户接口 (2) 操作系统的分类按程序调度的方法分为

 顺序操作系统。只含一个运行程序，独占CPU时间，顺序执行。如DOS系统。  分时操作系统。系统内同时有多道程序运行。如Unix系统。  实时操作系统。

从应用角度，嵌入式操作系统可分为  面向低端信息家电

 面向高端信息家电  面向个人通信终端  面向通信设备  面向汽车电子  面向工业控制

从实时性的角度，嵌入式操作系统可分为  具有强实时特点的嵌入式操作系统  具有弱实时特点的嵌入式操作系统  没有实时特点的嵌入式操作系统 (3) 实时操作系统(RTOS)

是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统，首要任务是调度一切可利用的资源来完成控制任务。

对现场不停监测，一旦有事件发生能立即处理。与通用OS的区别：实时性，代码尺寸小。一般包括以下几个重要组成部分：

 实时内核：任务管理、定时器管理、存储器管理、任务间通信与同步等。  网络组件  文件系统  图形用户界面

IEEE的Unix委员会规定了实时操作系统须具备以下几个特点：  支持异步事件的响应。  中断和调度任务的优先机制。  支持指令性计划占式调度。  支持同步。

(4) 常见的嵌入式操作系统嵌入式Linux  实时的嵌入式Linux：如RT-Linux、KURT-Linux等。 RT-Linux将通常的Linux任务优先级设为最低。

 一般的嵌入式Linux：如μCLinux。  开源，内核小、效率高，可定制 μC/OS和μC/OS-II  μC/OS-II (MicroController Operating System) 是由Jean J. Labrosse开发的实时操作系统内核。

 已被移植到Intel、ARM、Motorola等公司的81种不同的处理器上。

 Labrosse用一年时间开发了μC/OS实时操作系统; 1992年在《Embedded System Programming》上发表介绍文章，并公布源代码;1993年写了《μC/OS, The Real-Time Kernel》;书及源码推动了μC/OS-II的发展。

 μC/OS-II只是一个实时操作系统的内核，全部核心代码只有8.3 KB。  只包含进程调度、时钟管理、内存管理和进程间的通信与同步等基本功能。 Windows CE  多线程、完整优先权、多任务的32位嵌入式操作系统。  基本内核大小至少为200KB。 VxWorks  美国WindRiver公司于1983年设计

 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。  拥有良好的持续发展能力和高性能的内核及友好的用户开发环境。

 支持多种处理器，如ARM、x8

6、i960、SunSparc、MIPS RX000、PowerPC、StrongARM等。  以良好的可靠性和实时性，广泛应用在通信、军事、航空、航天等领域。

 应用案例：美国F-

16、FA-18战斗机，B-2隐形轰炸机，“爱国者”导弹，1997年4月在火星登陆的火星探测器。 Palm OS  32位嵌入式操作系统，由3Com公司的Palm Computing部门开发。

 在掌上电脑和PDA市场上占有很大的市场份额，曾占据90%的PDA市场份额。  2010年04月29日惠普12亿美元收购Palm QNX  一个实时、可扩充的操作系统。

 部分遵循POSIX(可移植操作系统接口)相关标准。

 内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理。  内核非常小巧(QNX4.X约为12KB)，运行速度极快。 iOS  苹果推出，基于Darwin  最新：iOS8 Android  Google开发的基于Linux平台的开源手机操作系统 Delta OS  是电子科技大学实时系统教研室和北京科银京成技术有限公司联合研制并开发的全中文嵌入式操作系统。

 绝大部分代码由C语言编写。

 已成功应用于通信、网络、信息家电等多个应用领域。 pSOS ISI公司研发的产品。

模块化、高性能、完全可扩展。

1.6 嵌入式系统的应用及发展趋势

(1) 嵌入式系统的应用领域  消费电子领域  通信网络领域

 工业控制领域、机器人领域  交通管理与汽车电子领域  国防与航空航天领域  医疗仪器领域

(2) 嵌入式系统的发展趋势

 小型化、智能化、网络化、可视化  多核技术的应用  低功耗、绿色环保

 云计算、可重构、虚拟化等技术被进一步应用到嵌入式系统中  嵌入式系统软件将逐渐PC化  融合趋势

 微控制器MCU与SoC的结合  微控制器MCU与DSP的结合  ARM与DSP的结合

 微控制器MCU与CPLD/FPGA的结合  安全性

2 ARM体系结构

教学目的：使学生对ARM设计思想、ARM处理器系列、ARM体系结构、ARM处理器模式、ARM内部寄存器、ARM体系的存储系统有一定的了解。

教学重点：ARM设计思想、ARM体系结构、ARM处理器模式、ARM内部寄存器。教学难点：ARM处理器模式、ARM内部寄存器。教学方法与教学手段：课堂讲授，多媒体教学。教学时间：4课时。教学内容

2.1 ARM设计思想

(1) RISC 传统的CISC (Complex Instruction Set Computing)指令集中，约20%指令占整个程序代码的80%。 RISC (Reduced Instruction Set Computing) 是一种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行、简单而有效的指令集。

RISC设计重点在于降低硬件执行指令的复杂度，而传统的CISC更侧重于硬件执行指令的功能性，使CISC指令变得复杂。

(2) RISC设计思想的实现

 指令集。减少了指令种类，指令只实现简单的功能，指令长度固定。

 流水线。指令的处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单元。

 寄存器。更多通用寄存器，可存数据和地址，可为所有数据操作提供快速的局部存储访问。  load-store结构。处理器只处理寄存器中数据，用load和store指令完成寄存器和外存间的数据传送

(3) ARM的设计思想  较小的核。降低功耗

 高的代码密度。考虑成本和物理尺寸限制

 较小的处理器内核管芯 (Die) 面积。留给外设电路的空间较大  硬件调试技术 (4) ARM微处理器的特点

 体积小，功耗低，成本低，性能高;  支持Thumb/ARM指令集,兼容8/16位器件;

 大量使用寄存器，指令执行速度更快;  大多数数据操作都在寄存器中完成;  寻址方式灵活简单，执行效率高;  指令长度固定。

2.2 ARM体系结构分析

(1) 包含典型的RISC 体系结构特征

 统一寄存器文件加载/存储体系结构，数据处理操作只针对寄存器内容;  简单寻址模式，所有加载/存储地址只通过寄存器内容和指令字段确定。  指令长度固定，简化了指令译码。 (2) 还提供

 可组合使用转换与算术或逻辑运算指令  自动递增和自动递减寻址模式，可优化程序循环  加载存储多个指令以最大化数据吞吐量  几乎所有指令都采取条件执行的方式 (3) 普林斯顿结构和哈佛结构

普林斯顿结构：也称冯·诺伊曼结构，它将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储结构。ARM7系列基于普林斯顿结构。

哈佛结构：将程序指令存储和数据存储分开的存储结构。ARM9系列之后都基于哈佛结构。

(4) 流水线

ARM7的三级流水线在执行单元完成了大量的工作，执行单元的工作往往占用多个时钟周期，从而成为系统性能的瓶颈。

ARM9采用哈佛架构，避免了数据访问了取指的总路线冲突，采用五级流水线设计。

五级流水线技术把三级流水线中的执行单元进一步细化，减少了在每个时钟周期内必须完成的工

作量，进而允许使用较高的时钟频率。

无论三级流水线还是五级流水线，在以下情况下都会发生阻塞：  多周期指令、跳转分支指令  中断发生

 相邻指令之间的寄存器冲突：如果当前指令(A)的目的操作数寄存器和下一条指令(B)的源操作数寄存器一致，B指令就需要等A回写之后才能译码。

(5) ARM体系结构的版本

2.3 ARM处理器系列

(1) ARM处理器系列

 经典ARM处理器：ARM

7、 ARM

9、 ARM

10、 ARM11  Cortex-A系列处理器：Cortex-A

15、Cortex-A

9、Cortex-A

8、Cortex-A

7、Cortex-A5  Cortex-R系列处理器：Cortex-R

7、Cortex-R

5、Cortex-R4  Cortex-M系列处理器：Cortex-M

4、Cortex-M

3、 Cortex-M

1、 Cortex-M0+、 Cortex-M0、CMSDK、CMSIS  SecurCore处理器 (2) ARM内核版本命名规则

(3) ARM7系列微处理器 a) 主要特点

 最高主频：130MIPS(Million Instructions Per Second);  功耗低;

 代码密度高，兼容16位的微处理器;  可得到广泛的操作系统和实时操作系统支持;  众多的开发工具，优秀的调试机制;  采用3级流水线结构;

 提供0.25μm、0.18μm和0.13μm的生产工艺。 b) 冯·诺伊曼结构：数据和指令使用同一条总线。

c) 包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S和ARM720T四种类型，适用于不同的市场要求 d) ARM7TDMI  ARM公司最早为业界普遍认可并广泛应用的处理器核。  T：Thumb;D：Debug;M：Multiplier;I：Embedded ICE logic。 e) ARM7TDMI-S  是ARM7TDMI的可综合 (synthesizable) 版本(软核)。

 ARM以“软”核的方式把ARM7TDMI核授权给处理器厂商，处理器厂商可进行修改和综合。这就是ARM7TDMI-S。

 综合出的整个核比“硬”核大50%，电源效率降低50%。 f) ARM7EJ-S  是可综合的、带有增强型DSP(E变种)和Java加速功能(J变种)的32位RISC嵌入式处理器。

 主要用于数字音频播放器、带Java功能的无线手持设备、喷墨打印机、数码相机和PDA等方面。

g) ARM720T  专为使用Windows CE、Symbian OS操作系统平台设计。  主要用于数字音频播放器、喷墨打印机和数码相机等。 (4) ARM9系列微处理器 a) 主要特点

 5级整数流水线;

 单一的32位AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 总线接口;  MMU支持Windows CE、Symbian OS、Linux等;  支持实时操作系统，包括VxWorks;  统一的数据Cache和指令Cache;

 提供0.25μm、0.18μm和0.13μm的生产工艺。

b) 包括ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T和ARM9E四种类型。后三种含有Cache。

c) 采用Harvard体系结构

 指令与数据分开存储。  采用指令快存和数据快存。

d) 在相同工艺条件下，ARM9TDMI的处理能力是ARM7TDMI的两倍。 e) ARM920T 

Motorola MC9328MX1和Samsung S3C2410X处理器都采用ARM920T 核心。  主要应用于通信终端、3G基带和应用处理器、基于OS的平台设备、数码相机、音频/视频解码和机顶盒等。

f) ARM940T  与ARM920T相比，实现了一个更小的D-Cache、I-Cache和MPU。适于不需运行操作系统的平台。

g) ARM9E  使用单一的处理器核，提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案;  DSP指令集;

 在0.13μm工艺下，主频可达300MIPS的性能;  集成实时跟踪调试功能;  可选的VFP9浮点处理协处理器;

 高性能的AHB (Advanced High performance Bus)。 (5) ARM10系列微处理器 a) 主要特点

 6级流水线;

 在典型的0.13μm工艺下，主频可达400MIPS的性能;  单一的32位AMBA 总线接口;

 MMU支持Windows CE、Symbian OS、Linux等;  统一的数据Cache和指令Cache;

 提供0.25μm、0.18μm和0.13μm的生产工艺;  并行读取/写入部件。

b) 包括：ARM1020、ARM10200、ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S。 c) 使用ARM10TDMI处理器核，采用ARMv5T结构。 d) ARM10TDMI  在相同工艺条件下，处理能力是ARM9TDMI的两倍;

 采用提高时钟频率、6级流水线、转移预测逻辑、64位存储器和无阻塞的存/取逻辑等措施提升性能。

e) ARM10E。新节能模式，64位Load/Store体系，与ARM10TDMI相比具有的特点

 DSP指令集;

 可选的VFP10浮点处理协处理器;

 在实时控制和三维图像处理时，主频可达650MFLPS (百万次浮点运算每秒)。

(6) ARM11系列微处理器

 ARM1156T2-S内核、 ARM1156T2F-S内核、 ARM1176JZ-S内核和ARM11JZF-S内核  ARM1156T2-S内核和 ARM1156T2F-S内核  基于ARM v6指令集体系结构;

 是首批含有ARM Thumb-2内核技术的产品。 (7) Cortex-A系列微处理器

 适于高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域。  支持传统 ARM、Thumb指令集和新的高性能紧凑型 Thumb-2 指令集。  移动互联网的支持

 低功率设计，支持 Adobe Flash 10.1  高性能 NEON 引擎，广泛支持媒体编解码器  高性能

 Cortex-A15：为新一代移动基础结构应用和无线基础结构应用提供高性能的解决方案。

 Cortex-A9。800 MHz1 GHz 的频率下，提供的性能超过 2000 DMIPS。

 Cortex-A5 低成本实现，在 400- 800 MHz 的频率下，提供的性能超过 1200 DMIPS，是尺寸最小、功耗最低的 ARM 多核处理器。

 多核技术：Cortex-A

15、Cortex-A5和Cortex-A9 处理器都支持 ARM 第二代多核技术。  高级扩展

 Thumb-2，提供最佳代码大小和性能。  TrustZone，安全扩展，提供可信计算。

 Jazelle 技术，提高执行环境(如 Java、.Net、MSIL、Python 和 Perl)速度。

(8) Cortex-R系列微处理器

 为具有严格的实时响应限制的深层嵌入式系统提供高性能计算解决方案。

 快速。以高时钟频率获得高处理性能。

 确定性。处理在所有场合都必须符合硬实时限制。  安全。系统必须可靠且可信。

 成本效益。在处理器及其内存系统中都具有竞争力的成本和功耗。  应用领域

 智能手机

 企业系统：硬盘驱动器、联网和打印  消费电子：机顶盒、数字电视和播放器  医疗行业、工业和汽车行业的可靠系统  功能集

(9) Cortex-M系列微处理器

 向上兼容的高能效、易于使用的处理器

 针对成本和功耗敏感的 MCU 和终端应用的混合信号设备进行过优化。  更低的功耗，更长的电池寿命。

 高密度指令集，更小的代码，更低的硅成本。

RISC 处理器内核高性能32 位CPU具有确定性的运算低延迟3 阶段管道Thumb-2 技术16/32 位指令的最佳混合小于8 位设备3 倍的代码大小对性能没有负面影响低功耗模式集成的睡眠状态支持多电源域基于架构的软件控制嵌套矢量中断控制器(NVIC)低延迟、低抖动中断响应不需要汇编编程以纯C 语言编写的中断服务例程工具和RTOS 支持广泛的第三方工具支持Cortex 微控制器软件接口标准(CMSIS)最大限度地增加软件成果重用CoreSight调试和跟踪JTAG 或2 针串行线调试(SWD)连接支持多处理器支持实时跟踪(10) SecurCore系列微处理器

 为安全要求较高应用设计。智能卡

 SIM、ID、银行业、付费电视、公共交通、电子政务

2.4 ARM处理器模式

(1) 32位ARM处理器工作状态

32位ARM处理器有三种工作状态  ARM状态。对应32位ARM指令集  Thumb状态。对应16位Thumb指令集  Jazelle状态。对应8位的Jazelle指令集

用于在处理器指令层次对JAVA加速

只有进入特定的状态，相应的指令集才有效。CPSR的J(Jazelle)和T(Thumb)位反映程序的状态。 Thumb-2  与现有 ARM 和 Thumb 解决方案向后兼容，同时扩展了 Thumb 指令集的可用功能;  使用少于 31% 的内存以降低系统成本;  提供比现有高密度代码高出 38% 的性能。 (2) 64位ARM处理器工作状态

ARMv8架构

两种主要执行状态：AArch64, AArch32 AArch64：引入了一套新的指令集“A64”专门用于64位处理 AArch32：兼容现有的32位ARM指令集 ARMv8架构支持三个主要指令集

A32(或 ARM)：32 位固定长度指令集

T32 (Thumb)：以 16 位固定长度指令集的形式引入，在引入 Thumb-2 技术时增强为 16 位和 32 位混合长度

A64：提供与 ARM 和 Thumb 指令集类似功能的64位固定长度指令集 (3) ARM处理器运行模式

 用户模式(usr)：ARM处理器正常的程序执行状态。  快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理  外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理。  管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式。

 数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

 系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务。

 未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

运行模式可通过软件改变，也可通过外部中断或异常处理改变。用户模式之外的模式称为非用户模式或特权模式。除用户模式和系统模式之外的5种称为异常模式，常用于处理中断和异常、访问受保护的系统资源等情况。

2.5 ARM体系的异常处理

(1) ARM体系中3种控制程序执行流程的方式：  顺序执行  跳转分支指令

 异常中断：处理器暂时中断当前数据流的现象。 (2) 对异常的响应。 ARM处理器执行完当前指令后：  进入与特定的异常相应的操作模式;

 将引起异常指令的下一条指令的地址保存到新模式的R14中;

 将CSPR原值保存到新模式的SPSR中;

 通过设置CSPR的第7位来禁止IRQ。如果为FIQ中断，则还要设置CSPR的第6位来禁止FIQ;

 给PC强制赋向量地址值。 (3) 中断向量表

指定了异常中断及其处理程序的对应关系，它通常存放在存储地址的低端。

大小为32字节，其中每个异常中断占据4字节空间，用于存放一个跳转指令或者一个向PC寄存器中赋值的指令。

(4) 异常优先级：当几个异常中断同时发生时，就必须按照一定的次序来处理这些异常中断。 (5) 从异常返回

将连接寄存器LR的值减去相应偏移量后送到PC中; 将SPSR复制回CPSR中;

若在进入异常处理时设置了中断禁止位，则要清除。通过普通指令控制PC返回

软件中断的返回指令 MOVS R15, R14 ;将链接寄存器内容移入PC并转换模式 IRQ，FIQ和预取异常终止中断的返回指令 SUBS R15, R14, #4 数据终止异常的返回指令 SUBS R15, R14, #8 ; 异常在导致异常的指令的下一条指令后产生

2.6 ARM内部寄存器

(1) 寄存器结构

32位ARM有31个32位通用寄存器，6个状态寄存器。通用寄存器可用来保存数据和地址信息，用R为前缀加寄存器序号表示

15个通用寄存器(R0~R14)、一个或两个状态寄存器及程序计数器可在任意时间和处理器模式下被访问，有些处理器模式拥有自身独立的寄存器

(2) 通用寄存器

分成三类：

R0~R7：未分组寄存器。每个未分组寄存器在所有的处理器模式下都表示同一个物理寄存器。 R8~R14：分组寄存器。每个分组寄存器与一个用户模式的寄存器对应。 R15：程序计数器PC。

分组寄存器R8~R14可分为两组：

R8~R12：每个寄存器对应两组不同的物理寄存器，一组是FIQ模式下的，记为R8_fiq~R12_fiq, 另一组是除FIQ模式外的：R8_usr~R12_usr。

R13~R14：分别对应6个不同的物理寄存器。用户模式和系统模式共用一个寄存器，另外5个对应其余5种。

R13 _ R14 _

可以是以下几种模式之一：usr、svc、abt、und、irq和fiq。

R13：被称为堆栈指针SP，但没有任何指令强制性使用R13作为堆栈指针

R14又被称为链接寄存器LR(Link Register)。当调用子程序时，返回地址被自动保存到R14。由于ARM采用了多级流水线技术，所以当正常读取PC值时，该值为当前指令地址值加8，或是加12。

2.7 ARM体系的存储系统

(1) 地址空间

将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合 0-3字节：第1个存储的字数据 4-7字节：第1个存储的字数据依次排列 (2) 存储器格式大端格式

小端格式

(3) 存储器访问对准

无论取指还是内存访问都以字、半字或字节对准访问 a) 非对齐的指令预取操作

ARM状态：将一个非对齐地址写入PC，数据的第0位和第1位被忽略，PC的bit[1:0]为0 Thumb状态：数据的第0位被忽略，PC的bit[0]为0 b) 非对齐地址内存的访问操作(LOAD/STORE操作)

执行结果不可预知

忽略字单元地址低两位的值，半字单元最低位的值(分别对应访问字和半字)

在LDR和SWP指令中，对存储器访问忽略造成地址不对齐的低地址位，然后使用这些低地址位控制装载数据的循环

3 ARM指令系统及程序设计基础

教学目的：使学生对ARM指令系统及程序设计的基础知识有一定的了解。教学重点：ARM指令系统。

教学难点：ARM程序设计的基础知识。教学方法与教学手段：课堂讲授，多媒体教学。教学时间：4课时。教学内容

3.1 ARM寻址方式

(1) 寻址方式

处理器根据指令中给出的地址信息寻找物理地址的方式。寻找操作数或操作数地址的方式。

(2) 立即寻址

也叫立即数寻址，操作数本身在指令中给出，该操作数被称为立即数。例如： ADD R0, R0, #1 ; R0R0+1 立即数须以“#”为前缀，对于十六进制表示的立即数，还需在“#”后加上“0x”或“&”。 (3) 寄存器寻址

操作数存在寄存器中。例如： ADD R0, R1, R2 ; R0R1+R2 (4) 寄存器间接寻址

以寄存器的值作为操作数地址。例如： ADD R0, R1, [R2]

; R0  R1+[R2] (5) 基址变址寻址

a) 基址加偏移的寻址方式

将寄存器内容与指令中给出的地址偏移量相加，得到操作数的有效地址。如： LDR R0, [R1, #4] ; R0  [R1+4]

前变址：基址加变址作为操作数地址。

后变址：基址作为操作数的地址，传送后自动更新基址寄存器的值。

b) 基址加索引的寻址方式

将基址寄存器的值与索引寄存器的值相加，形成操作数的有效地址。例如： LDR R0, [R1, R2]

; R0  [R1+R2] c) 多寄存器寻址

一条指令可完成多个(最多16个)寄存器值的传送。例如：

LDMIA R0, {R1, R2, R4} ; R1  [R0] 22

; R2  [R0+4] ; R4  [R0+8] (6) 寄存器移位寻址

操作数为寄存器中数做相应的移位而得到例如：

ARM中的移位或循环移位操作：  LSL：逻辑左移(Logical Shift Left)  LSR：逻辑右移(Logical Shift Right)ADD

R0, R1, R2, LSL #3 ; R0R1+8×R2  ASR：算术右移(Arithmetic Shift Right)。移位过程中保持符号位不变，若源操作数为正数，则字的高端空出的位补0。若源操作数为负数，则字的高端空出的位补1。

 ROR：循环右移(Rotate Right)。从字的最低端移出的位依次填入字的高端空出的位。  RRX：扩展的循环右移(Rotate Right Extended )。操作数向右移一位，左侧空位由状态寄存器C位填充。当移位的类型为RRX时，无需指定移位的位数，其它的则须指定移位的位数。 (7) 相对寻址

以PC当前值作为基地址，指令中的地址标号作为位移量，两者相加后得到操作数的有效地址。例如：

MOV „„

PC, LR

; 从子程序返回 NEXT

; 跳转至子程序 NEXT „„

(8) 堆栈寻址

a) 堆栈：按先进后出(FILO)的方式工作，使用堆栈指针(Stack Pointer, SP) 指示当前操作位置。 b) 根据栈指针的指向位置可将堆栈分为

 满堆栈：SP指向最后压入堆栈的数据。  空堆栈：SP指向下个将放入数据空位置

c) 根据堆栈的生成方式可将堆栈分为

 递增堆栈(Ascending Stack)：堆栈由低地址向高地址生成。

 递减堆栈(Descending Stack) ：由高地址向低地址生成。 d) ARM支持四种类型堆栈工作方式

满递增堆栈：SP指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。满递减堆栈：SP指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生产。

空递增堆栈：SP指向下个将放入数据的空位置，且由低地址向高地址生成。空递减堆栈：SP指向下个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生成。

3.2 ARM指令集

(1) ARM指令集分类加载/存储指令

数据处理指令分支指令

状态寄存器访问指令异常/中断指令协处理器指令 (2) ARM指令的特点所有指令都是32bit;

大多数指令都在单周期内完成; 所有指令都可以条件执行; load/store体系结构;

指令集可以通过协处理器扩展。 (3) ARM指令的格式

(4) ARM指令的条件执行

所有ARM指令都可包含一个可选的条件码，只有当CPSR中条件标志位满足指定条件时，指令才会被执行。否则以NOP指令通过流水线。

(5) 加载/存储指令

Load：将内存中数据装载到寄存器 Store：将寄存器中的数据存入内存 a) 单寄存器传输指令

{} {B} Rd, addressing1 {} SB | H | SH Rd, addressing2 {} {B} Rd, LABEL LDR/STR指令：寄存器在前，地址在后 LDM/STM指令：地址在前，寄存器在后

LABEL：相对PC的寻址方式。编译器在汇编时，会将标号LABEL汇编成PC的偏移量存入该指令的立即数字段。

B: Byte;S: Sign;H: Half LDR/STR：读/写一个32bit字到/从一个32位寄存器，要求读/写地址字对齐。 LDRB：内存8bit字节32bit寄存器;不要求地址对齐，寄存器高24位清零。 STRB：寄存器低8位内存的某个地址;不要求地址对齐。

LDRH：16bit半字 32bit寄存器;要求地址半字对齐，寄存器的高16bit清零。 STRH：寄存器低16bit内存;要求地址半字对齐。

LDRSH：有符号16bit半字32bit寄存器中;要求地址半字对齐，寄存器高16bit根据符号位扩展。

LDRSB：有符号8bit字节32bit寄存器中;不要求地址对齐，寄存器高24bit根据符号位扩展。

“数据”一列指的是这条指令所访问的存储单元

“基址寄存器”一列的内容是指执行指令之后“基址寄存器”的内容 b) 多寄存器传输指令

{} <寻址模式> Rn{!}, {^} LDM / STM：从由基址寄存器指示的一片连续存储器到寄存器列表所指示的多个寄存器之间传送数据。

!：表示执行完操作后将变化之后的地址值写入基址寄存器

^：对于LDM操作，如恢复的寄存器中含有PC(R15)寄存器，则指令执行的同时CPU自动将SPSR拷贝到CPSR中，例如：

LDMFD {R0-R12, LR, PC}^ 数据的传送发生在User用户模式下的寄存器，而非当前模式寄存器，例如：

LDMDB SP, {R0 - LR}^ 例如：

STMIA R0!, {R1-R5} ;以R0为地址指针，将R1-R5保存到内存，指针向上移动

c) 交换指令

SWP {B} {} Rd, Rm, [Rn] SWP：字交换;SWPB：字节交换 Rd  [Rn], [Rn]  Rm 例如：

SWP R1, R2, [R3]; R1[R3] ,[R3] R2 SWP R1, R1, [R2]; R1与[R2]内容互换 (6) 数据处理指令

a) 数据传送指令

MOV {cond} {S} Rd, Operand 例如： MOV R1, R0 MOVEQ PC, R14

; 将R14值传到PC b) 数据取反传送指令 MVN {cond} {S} Rd, Operand 例如：

MVN R1, #2 ; 将立即数2取反送至R1 c) 算术运算指令

ADD、ADC ADD|ADC {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 例如： ADDS ADCS ADCS ADC R0, R4, R8 R1, R5, R9 ; 加低端的字 ; 带进位加第二字

R2, R6, R10; 带进位加第三字 R3, R7, R11; 带进位加第四字

可实现 128位加法 SUB：减法指令

SUB {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 SBC：带借位减法指令

SBC {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 例：SBCS R0, R1, R2 ; R0=R1–R2–C RSB：反向减法指令

RSB {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 操作数2减去操作数1，例如： RSB R0, R1, R2 ; R0 = R2 – R1 RSC：带借位的逆向减法指令 RSC {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 d) 逻辑运算指令 AND：与

AND {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 ORR：或

ORR {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 EOR：异或

EOR {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 e) 比较指令 CMP CMP {cond} Operand1, Operand2 CMN：反值比较 CMN {cond} Operand1, Operand2 将第一个数与第二个数的反值进行比较，相当于完成两个数相加。例如： CMN R1, R0 ; R1+R0，并设置CPSR f) 测试指令 TST TST {cond} Operand1, Operand2

把两个操作数按位进行与运算，根据结果更新CPSR。

TEQ TEQ {cond} Operand1, Operand2 把两个操作数按位进行异或运算，根据结果更新CPSR g) 乘法指令 MUL MUL {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 RdOperand1×Operand2。例如： MUL

R0, R1, R2 MLA MLA {cond} {S} Rd,Oper1,Oper2,Oper3 RdOperand1×Operand2+Operand3 例如：

MLA R0, R1, R2, R3 ; R0 = R1×R2+R3 ; R0 =R1×R2 UMULL：64位无符号数乘法指令 UMULL {cond} {S} Rd_L, Rd_H, Operand1, Operand2 Rd_H:Rd_L Operand1×Operand2 例如： UMULL R0, R1, R2, R3 ; R0 = (R2×R3) 的低32位 ; R1 = (R2×R3) 的高32位 UMLAL： 64位无符号数乘加指令 UMLAL {cond} {S} Rd_L, Rd_H, Operand1, Operand2 Rd_H:Rd_L+= Operand1×Operand2 例如：

UMLAL

R0, R1, R2, R3 ; R0 = (R2×R3)的低32位+R0 ; R1 = (R2×R3)的高32位+R1 SMULL：64位有符号数乘法指令 SMULL {cond} {S} Rn_L, Rn_H, Operand1, Operand2 Rd_H:Rd_L Operand1×Operand2 SMLAL： 64位有符号数乘加指令 SMLAL {cond} {S} Rn_L, Rn_H, Operand1, Operand2 Rd_H:Rd_L+= Operand1×Operand2 (7) 分支指令

a) B (分支指令)和 BL (带链接分支指令) B {cond} LABEL BL {cond} LABEL

允许向前或向后跳转最高32MB。

BL：带返回的分支指令，用于调用一个将其返回地址存入链接寄存器的函数。例如：

SUBPRG BL …… SUBPRG „„ ; <子程序代码> MOV PC, LR ; 返回

b) BX (分支并可选地交换指令集)和BLX(带链接分支并可选地交换指令集) BX {cond} Rm BLX {cond} LABEL | Rm Rm：转移地址，bit[0]为0时，目标地址处为ARM指令，否则为Thumb指令。 BX 和 BLX是唯一可使用的切换指令集的方法。

BX 和 BLX指令执行与B和BL指令相同的分支操作，并可从ARM指令集切换到THUMB指令集。

c) 长跳转

通过向PC寄存器中写目标地址值，可实现在4GB地址空间中进行任意跳转。例如： MOV MOV LR, PC ; 保存返回地址

R15, #0x00110000 ; 无条件转向0x110000 (8) 状态寄存器访问指令 a) MRS MRS {} Rd, 将状态寄存器的内容传送到通用寄存器中。例如： MRS b) MSR MSR {} _, Rm MSR {} _,# 表示下列情况之一： c：控制域，即PSR[7:0] PSR[32:24] CPSR|SPSR  通用寄存器。例如： MSR CPSR_F, #&F00000000

32 R3, CPSR ; CPSRR3

x：扩展域，即PSR[15:8] s：状态域，即PSR[23:16] f：标志域，即

;设置所有标志位

(9) 异常/中断指令(续) a) SWI SWI {} <24位立即数> 产生SWI异常中断，以实现在用户模式下调用操作系统的监控功能程序。它将处理器置于管理 (SVC) 模式。例如：

SWI 0x01

;调用编号为01的系统例程

b) BKPT BKPT <16位立即数> 产生软件断点中断，可用于程序调试。例如 BKPT 0xF010 (10) 协处理器指令 a) CDP CDP {} , , CRd, CRn, CRm {,} 编号为CP#的协处理器接受指令并执行。具体操作由Cop1和Cop2定义，CRn和CRm为源操作数，结果CRd。例如：

CDP P6, 2, C5, C10, C3, 16

; 激活协处理器P6的操作，操作码1和操作码2值分别为2和16，目标寄存器为C5，源操作数寄存器为C10和C3 b) MRC和MRC MRC | MCR {} , , CRd, CRn, CRm {,} 在ARM与协处理器寄存器间传送数据。 MRC：ARM寄存器协处理器寄存器 MCR：协处理器寄存器ARM寄存器例如： MCR P3, 3, R0, C4, C5, 6 ; ARM处理器R0协处理器P3的寄存器C4和C5 c) LDC和STC 在协处理器寄存器与存储器间传送数据 LDC：协处理器寄存器存储器

STC：存储器协处理器寄存器前变址格式

LDC | STC {} {L} , CRd, [Rn, ]{!} 后变址格式

LDC | STC {} {L} , CRd, Rn, 3.3 Thumb指令集

(1) Thumb指令集的特点

 是ARM指令集压缩形式的子集，所有Thumb指令均有对应的ARM指令。  采用16位二进制编码，代码密度小。

 执行Thumb指令时，先动态解压缩，然后作为标准的ARM指令执行。  如何区分指令流取决于CPSR的位T。  大多Thumb数据处理指令采用2地址格式。  移位操作变成单独指令。

 没有协处理器指令、单寄存器交换指令、乘加指令、64位乘法指令及程序寄存器处理指令。  仅分支指令B有条件执行功能。

(2) Thumb状态切换

a) ARM状态进入Thumb状态执行带状态切换的转移指令BX。例如： BX R0 ; 若R0最低位为1，则转Thumb状态

异常返回。通常用于返回到进入异常前所执行的指令流，而不是特地用于切换到Thumb模式。适用于异常前执行的是Thumb指令。

b) Thumb 状态进入ARM状态执行BX指令。

利用异常进入ARM指令流。 (3) Thumb指令寄存器的使用  对R0~R7具有全部访问权限。

 R8~R12的访问受到限制，只能通过MOV、ADD和CMP访问。

 在每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR，分别对应ARM状态的R

13、R14和R15。 (4) Thumb指令与ARM指令的相似点  Load/Store结构。

 支持8位字节、16位半字和32位字数据类型。  半字以2字节边界对准，字以4字节边界对准。 (5) Thumb指令与ARM指令差异点

 跳转指令：条件跳转在范围上有更多的限制，转向子程序只具有无条件转移。

 数据处理指令：对通用寄存器进行操作，操作结果需放入其中一个操作数寄存器。因此，许多Thumb指令采用2地址格式，ARM数据处理指令大多采用3地址格式。  单寄存器加载和存储指令：只能访问R0~R7。

 PUSH和POP指令使用堆栈指针R13作为基址实现满递减堆栈，除R0~R7外，PUSH指令还可存储R14，POP指令可加载程序指令PC。

 大多数Thumb指令是无条件执行的，所有ARM指令都是条件执行的。  由于采用高密度编码，Thumb指令格式没有ARM指令格式规则。 (6) Thumb分支指令

a) B 指令——目标为Thumb代码 B <条件码> 偏移量左移1位

B指令是Thumb指令集中唯一可条件执行的指令。 PC = PC + (SignExtend(signed_immed_8) << 1) B

3.4 3.5 35

3.6 嵌入式系统设计与开发过程

(1) 嵌入式软件开发的特点 a) 需要交叉开发环境

 交叉开发环境：实现编译、链接和调试应用程序代码的环境，它分散在有通信连接的宿主机与目标环境之中。

 宿主机 (Host) 是一台通用计算机，一般是PC机。

 目标机 (Target) 可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。

 交叉软件开发工具包括：交叉编译器、交叉调试器和模拟软件等。 b) 引入任务设计方法

 嵌入式应用系统以任务为基本执行单元  用多个并发的任务代替通用软件的多个模块 c) 需要固化程序 d) 软件开发难度大

 实时性。

 稳定性、可靠性、抗干扰性。 (2) 软硬件平台的选择选择处理器需考虑的因素  处理性能  技术指标、功耗

 软件支持工具、是否内置调试工具  供应商是否提供评估板软件平台的选择

 操作系统。开发工具，与硬件接口难度，内存，是否提供硬件驱动程序，可裁剪性、实时性等

 编程语言。通用性、可移植性、执行效率、可维护性等  集成开发环境

(3) 嵌入式系统设计与开发流程  需求分析  体系结构设计

 硬件的设计、制作及测试  软件的设计、实现及测试  系统集成

 系统性能测试及可靠性测试

4 STM32微控制器

教学目的：使学生对STM32的性能指标、硬件结构有一定的了解。教学重点：STM32的硬件结构。教学难点：STM32的硬件结构。

教学方法与教学手段：课堂讲授，多媒体教学。教学时间：4课时。教学内容

4.1 STM32微控制器的性能指标

(1) STM32F103的主要功能

 ARM Cortex-M3核  最高主频72MHz  512kB Flash、64kB RAM  1个USB、1个CAN 、5个USART、 3个SPI、2个I2C、2个I2S 、1个SDIO 、112个GPIO

 3个ADC、2个DAC、8个定时器

 FSMC总线(支持NOR，NAND，SRAM)  12通道DMA控制器

 Serial wire debug (SWD) 、JTAG 接口  启动：用户Flash、系统存储器、SRAM (2) JC-STM32CB核心板

 核心芯片：ST STM32F103ZET6  8M NOR Flash：SST39VF6401，16bit  128M NAND Flash：K9F1G08U0C，8bit  8MHz CPU晶振，32768Hz RTC晶振  1个10M/100M以太网接口  1路音频输出和1路音频输入  1个10-pin JTAG调试接口  1个4-pin SWD串行调试接口  Reset按钮、自定义LED，电源LED  1个精密可调电阻连接到片内ADC输入

 使用CPLD扩展IO口及地址译码，型号EPM240T100C5N  板载10/100M网卡控制器，型号DM9000AEP，16bit总线接口

STM32

第五篇：嵌入式系统课程设计

《嵌入式系统概论》综合设计报告书

设计题目：用键盘控制LED显示不同图形

中央民族大学二零零八年十月三十一日

一、设计目的

了解LED点阵和矩阵键盘的工作原理。

二、设计内容

编写程序控制用矩阵键盘控制LED点亮，产生不同的图形。

三、设计方案

功能概述：

本设计要实现的功能是通过键盘控制LED点阵图形显示，如果键盘输入0-9十个数字时显示相应的数字，如果输入其他的键，则显示“+”号。

1、程序设计思路

本设计要实现键盘控制LED点阵图形显示，就必须要编写键盘和LED点阵的程序。先通过扫描矩阵键盘，得到键盘值，然后再调用点阵显示子函数，根据扫描的键盘值，在LED点阵上显示不同的图形。

2、主程序设计

主程序要实现的功能是矩阵键盘扫描，得到键盘值，然后把值传给LED显示函数。

程序流程图如下：

3、LED点阵显示函数设计

本函数要实现的功能是根据键盘的值，在LED点阵上显示不同的图形。如果键盘的输入值为0-9则显示相应的数字，如果输入的是其他值，则显示“+”。本程序采用二维数组存放要显示的图形的字模，然后再通过逐行扫描LED点阵，把要显示的图形分8次显示，一次显示一行，利用人眼的视觉暂留效应，是人看到的是一个图形一次显示出来，通过一个循环控制图形显示的时间。程序流程图如下：

4、点阵图形设计

根据8*8 LED点阵的原理，8X8 点阵共需要64 个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1 电平，某一行置0 电平，则相应的二极管就亮;

先绘制出要显示的图形如下：

根据图形中点亮的LED灯的位置，得到相应图形的16进制数，存放在二维数组Buf1[11][8]中。

所以要显示的图形的字模如下：

buf1[11][8]={ {0x3c,0x24,0x24,0x24,0x24,0x24,0x3c,0x00},

//0

{0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08},

//1

{0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x04,0x04,0x3c,0x00},

//2

{0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x00},

//3

{0x24,0x24,0x24,0x3c,0x20,0x20,0x20,0x00},

//4

{0x3c,0x04,0x04,0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x00},

//5

{0x3c,0x04,0x04,0x3c,0x24,0x24,0x3c,0x00},

//6

{0x3c,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00},

//7

{0x3c,0x24,0x24,0x3c,0x24,0x24,0x3c,0x00},

//8

{0x3c,0x24,0x24,0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x00},

//9

{0x08,0x08,0x08,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x00}

//+

};

四、程序源代码

//*************************************************************** #include #include #include #include // open() close() #include // read() write() #include

#define DEVICE_NAME "/dev/led_ary_ctl" #define DEVICE_NAME1 "/dev/keypad"

void Key(unsigned char b[]);

//------ main ---- int main(void) {

int fd;

int ret;

unsigned char buf[2] ;

double x;

char pre_scancode = 0xff;

printf(" start keypad_driver test ");

fd = open(DEVICE_NAME1, O_RDWR);

printf("fd = %d ",fd);

if (fd == -1) {

printf("open device %s error ",DEVICE_NAME1); }

else {

buf[0]=0x22;

while (1)

{

read (fd,buf,1);

if(buf[0]!= pre_scancode)

{

if(buf[0]!=0xff)

{

printf("key =%x ",buf[0]);

Key(buf);

}

pre_scancode = buf[0];

usleep(50000);

}

// close

ret = close(fd);

printf ("ret=%d ",ret);

printf ("close keypad_driver test "); }

return 0; }// end main //***************************************************************************** //--------------- void Key(unsigned char b[]) { int fd;

int ret;

int i,j,k;

unsigned char buf[2] ;

unsigned char buf2[8]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; unsigned char buf1[11][8]={{0x3c,0x24,0x24,0x24,0x24,0x24,0x3c,0x00},

//0

{0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08},

//1

{0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x04,0x04,0x3c,0x00},

//2

{0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x20,0x20,0x3c,0x00},

//3

{0x24,0x24,0x24,0x3c,0x20,0x20,0x20,0x00},