第一篇：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文解讀
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
專
業(yè)：
電子信息工程（信號(hào)處理）
班
級(jí)：
姓
名：
指導(dǎo)教師：
評(píng)
分：
年
月 日
【摘要】
當(dāng)今信息時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無(wú)處不在，而ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)份額約占75%。從嵌入式系統(tǒng)的基本概念入手，分別從ARM的定義、ARM微處理器、ARM開發(fā)工具及調(diào)試方法來(lái)介紹ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)。接著，討論了ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，介紹了目前市場(chǎng)上的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）。最后，概括了ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并預(yù)測(cè)ARM技術(shù)發(fā)展的前景。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM；微處理器；RTOS
目錄
1.引言......................................................................1 2.嵌入式系統(tǒng)................................................................1 2.1 2.2
...................................................1...................................................1 3.ARM嵌入式系統(tǒng)............................................................2 3.1 什么是ARM.........................................................2 3.2 ARM3.3 ARM3.4 ARM3.5 ARM
.............................................2.................................................3
.............................................3
...................................4 4.ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求................................................5 4.1 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS
....................................5 4.2 RTOS...............................................................6 5.嵌入式系統(tǒng)的信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.................................................6 5.1 ARM
.................................................6 5.2 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.................................................7 6......................................................................7 參考文獻(xiàn).....................................................................8
1.引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的深入發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無(wú)處不在。
ARM是目前公認(rèn)的業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC（精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)）微處理器。ARM技術(shù)日益成熟和不斷發(fā)展，正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。
本文從實(shí)際出發(fā)，首先介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念，隨之重點(diǎn)闡述了由ARM微處理器構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ARM嵌入式系統(tǒng)）的基礎(chǔ)知識(shí)，最后分析了ARM技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程及發(fā)展趨勢(shì)。.嵌入式系統(tǒng)
2.1
嵌入式系統(tǒng)的英文叫做Embedded System，是一種包括硬件和軟件的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但又跟通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同。嵌入式系統(tǒng)的定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可剪裁，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。”嵌入式系統(tǒng)所用的計(jì)算機(jī)是嵌入到被控對(duì)象中的專用微處理器，但是功能比通用計(jì)算機(jī)專門化，具有通用計(jì)算機(jī)所不能具備的針對(duì)某個(gè)方面特別設(shè)計(jì)的、合適的運(yùn)算速度、高可靠性和較低比較成本的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
2.2
嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自底向上包含有3個(gè)部分，如圖1所示。
（1）硬件環(huán)境：是整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。
（2）嵌入式操作系統(tǒng)：完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡(jiǎn)、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì) 不變性。
（3）嵌入式應(yīng)用程序：運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序。.ARM嵌入式系統(tǒng)
3.1 什么是ARM
ARM是Advanced RISC Machines的縮寫，是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量廉價(jià)、高性能、低功耗的RISC
ARM技術(shù)有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界許多頂級(jí)的半導(dǎo)體公司。目前，共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、PHILIPS和國(guó)家半導(dǎo)體這樣的大公司。可以說(shuō)，ARM不僅僅代表一個(gè)公司，代表了一類微處理器，代表了一種技術(shù)，還代表了一種新型的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。
3.2 ARM處理器核系列及應(yīng)用
ARM公司開發(fā)了一系列ARM處理器核。目前最新的系列已經(jīng)是ARM11了。ARM6及更早的系列已經(jīng)罕見了，ARM7以后的核也不是都獲得廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用最多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、SecurCore系列、Intel的StrongARM、XScale
ARM7系列：包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T和擴(kuò)充了Iazelle 的ARM7EJ-S。該系列廣泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動(dòng)電話、PDA等無(wú)線設(shè)備。
ARM9系列：包括ARM9TDMI、ARM920T和帶有高速緩存處理器宏單元的ARM940T。該系列主要應(yīng)用于引擎管理、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、PDA、網(wǎng)絡(luò)電腦以及帶有MP3音頻和MPEG4視頻多媒體格式的智能電話
ARM9E系列：為綜合處理器，包括ARM926EJ-S、帶有高速緩存處理宏單元的ARM966E-S/ARM946E-S。該系列強(qiáng)化了數(shù)字信號(hào)處理功能，可應(yīng)用于需要DSP與微控制器結(jié)合使用的情況，將Thumb技術(shù)和DSP都擴(kuò)展到ARM指令集中，并 具有EmbeddedICE-RT
ARM10系列：包括ARM1020E和ARM1020E微處理器核。其核心在于使用向量浮點(diǎn)（VFP）單元VFP10提供高性能的浮點(diǎn)解決方案，從而極大地提高了處理器的整型和浮點(diǎn)運(yùn)算性能，為用戶界面的2D和3D圖形引擎應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)，SecurCore系列：包括SC100、SC110、SC200和SC210處理器核。該系列主要針對(duì)新興的安全市場(chǎng)，以一種全新的安全處理器設(shè)計(jì)為智能卡和其他安全I(xiàn)C開發(fā)提供獨(dú)特的32位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并具有特定的反偽造方法，從而有助于防止對(duì)
StrongARM系列：StrongARM處理器將Intel處理器技術(shù)和ARM體系結(jié)構(gòu)融
Xscale系列：提供全性能、高性價(jià)比和低功耗的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP指令。
3.3 ARM微處理器的特點(diǎn)
采用RISC體系架構(gòu)的ARM微處理器一般有如下特點(diǎn):（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；
（2）支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；（5）尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；（6）指令長(zhǎng)度固定。
3.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)
ARM微處理器在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長(zhǎng)度，Thumb指令為16位長(zhǎng)度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省30％-40％以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。
3.5 ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具及調(diào)試方法
ARM處理器產(chǎn)品作為一種高性能、低功耗的處理器產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
ARM開發(fā)工具也因此得到發(fā)展，除ARM公司自己推出ARM集成開發(fā)工具外，還有一些公司也研發(fā)ARM開發(fā)工具。目前市場(chǎng)上有ARM SDT、ARM ADS、MULTI 2000、Hitools for ARM、Embest IDE for ARM五種集成開發(fā)環(huán)境。這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)有相對(duì)較暢通的銷售渠道，用戶容易購(gòu)買。前三種由國(guó)外廠商出品，歷史比較悠久，在全球范圍內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，后兩種由國(guó)內(nèi)廠商推出，具有很高的性價(jià)比。
ARM應(yīng)用軟件的開發(fā)工具根據(jù)功能的不同，分別有編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、函數(shù)庫(kù)、評(píng)估板、JTAG仿真器、在線仿真器等。
用戶選用ARM處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，選擇合適的開發(fā)工具可以加快開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省開發(fā)成本。因此一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、工程管理及函數(shù)庫(kù)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）一般來(lái)說(shuō)是必不可少的，至于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、評(píng)估板等其他開發(fā)工具則可以根據(jù)應(yīng)用軟件規(guī)模和開發(fā)計(jì)劃選用。目前常見的調(diào)試方法有以下幾種。
（1）指令集模擬器。
部分集成開發(fā)環(huán)境提供了指令集模擬器，可方便用戶在PC機(jī)上完成一部分簡(jiǎn)單的調(diào)試工作，但是由于指令集模擬器與真實(shí)的硬件環(huán)境相差很大，因此即使用戶使用指令集模擬器調(diào)試通過(guò)的程序也有可能無(wú)法在真實(shí)的硬件環(huán)境下運(yùn)行，（2）駐留監(jiān)控軟件。
駐留監(jiān)控軟件（Resident Monitors）是一段運(yùn)行在目標(biāo)板上的程序，集成開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試軟件通過(guò)以太網(wǎng)口、并行端口、串行端口等通訊端口與駐留監(jiān)控軟件進(jìn)行交互，由調(diào)試軟件發(fā)布命令通知駐留監(jiān)控軟件控制程序的執(zhí)行、讀寫存儲(chǔ)器、讀寫寄存器、設(shè)置斷點(diǎn)等。
駐留監(jiān)控軟件是一種比較低廉有效的調(diào)試方式，不需要任何其他的硬件調(diào)試和仿真設(shè)備。ARM公司的Angel就是該類軟件，大部分嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也是采用該類軟件進(jìn)行調(diào)試，不同的是在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，駐留監(jiān)控軟件是作為操作系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)存在的。
駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對(duì)硬件設(shè)備的要求比較高，一般在硬件穩(wěn)定之后才能進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)，同時(shí)它占用目標(biāo)板上的一部分資源，而且不能對(duì) 程序的全速運(yùn)行進(jìn)行完全仿真，所以對(duì)一些要求嚴(yán)格的情況不是很適合。
（3）JTAG仿真器。
JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過(guò)ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與 ARM CPU 核通信，屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調(diào)試，它無(wú)需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而這些是駐留監(jiān)控軟件所必需的。另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行，仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配，電線長(zhǎng)度的限制等被最小化了。使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)試方式。目前國(guó)際市場(chǎng)上較流行的兩種JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE。
（4）在線仿真器。
在線仿真器使用仿真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調(diào)試功能。但這類仿真器為了能夠全速仿真時(shí)鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝，因而其價(jià)格比較昂貴。在線仿真器通常用在ARM的硬件開發(fā)中，在軟件的開發(fā)中較少使用，其價(jià)格高昂也是在線仿真器難以普及的因素。
另外國(guó)際市場(chǎng)上較流行的有兩種JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE。
4.ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求
4.1 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺(tái)
通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。
4.2 RTOS
RTOS是英文Real Time multi-tasking Operation System的縮寫，即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。它是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。目前在中國(guó)大多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，沒有采用商品化的RTOS，不能將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理。RTOS最關(guān)鍵的部分是實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它的基本功能包括任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理、資源管理、事件管理、系統(tǒng)管理、消息管理、隊(duì)列管理、旗語(yǔ)管理等，這些管理功能是通過(guò)內(nèi)核服務(wù)函數(shù)形式交給用戶調(diào)用的，也就是RTOS的API。RTOS的引入，對(duì)嵌入式軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和加速知識(shí)創(chuàng)新是一個(gè)里程碑。
5.嵌入式系統(tǒng)的信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
5.1 ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
現(xiàn)在，嵌入式技術(shù)無(wú)處不在，ARM幾乎成為嵌入式技術(shù)的代名詞。作為一種16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器，ARM微處理器目前已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛的嵌入式微處理器。ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。
(1)工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32位的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。
(2)無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85％的無(wú)線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固
(3)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。
(4)消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。
(5)成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取得更加廣泛的應(yīng)用。
5.2 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
市場(chǎng)需求為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入巨大推動(dòng)力。嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)是巨大的，市場(chǎng)需求是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的巨大推動(dòng)力。據(jù)報(bào)告，10%～20%的計(jì)算機(jī)芯片是為臺(tái)式或便攜式電腦設(shè)計(jì)的，80%～90%的計(jì)算機(jī)芯片是為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的，這意味著每年有10億至20億個(gè)CPU是為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)制造的。2003年，全球嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)值已達(dá)2000億美元，估計(jì)全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)將超過(guò)10 000億美元。世界范圍內(nèi)嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)了1萬(wàn)億美元。
6.隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，ARM技術(shù)將會(huì)不斷的變化和進(jìn)步，ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)再次擴(kuò)大，ARM技術(shù)帶來(lái)的工業(yè)產(chǎn)值將會(huì)劇增，ARM技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)前景更加美好。總之，ARM技術(shù)的不斷創(chuàng)新會(huì)給人類社會(huì)生活帶來(lái)奇跡和享受。
參考文獻(xiàn)
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1、行萬(wàn)里路，讀萬(wàn)卷書。
2、書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟。
3、讀書破萬(wàn)卷，下筆如有神。
4、我所學(xué)到的任何有價(jià)值的知識(shí)都是由自學(xué)中得來(lái)的。——達(dá)爾文
5、少壯不努力，老大徒悲傷。
6、黑發(fā)不知勤學(xué)早，白首方悔讀書遲。——顏真卿
7、寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來(lái)。
8、讀書要三到：心到、眼到、口到
9、玉不琢、不成器，人不學(xué)、不知義。
10、一日無(wú)書，百事荒廢。——陳壽
11、書是人類進(jìn)步的階梯。
12、一日不讀口生，一日不寫手生。
13、我撲在書上，就像饑餓的人撲在面包上。——高爾基
14、書到用時(shí)方恨少、事非經(jīng)過(guò)不知難。——陸游
15、讀一本好書，就如同和一個(gè)高尚的人在交談——歌德
16、讀一切好書，就是和許多高尚的人談話。——笛卡兒
17、學(xué)習(xí)永遠(yuǎn)不晚。——高爾基
18、少而好學(xué)，如日出之陽(yáng)；壯而好學(xué)，如日中之光；志而好學(xué)，如炳燭之光。——?jiǎng)⑾?/p>
19、學(xué)而不思則惘，思而不學(xué)則殆。——孔子
20、讀書給人以快樂、給人以光彩、給人以才干。——培根
第二篇：基于嵌入式Linux的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解讀
基于嵌入式Linux的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTA—C)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為1～26 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于0．5 dB，采用1．8 V電源，TSMC 0．18μm CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte 1 引言
隨著科技的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，目前已成為產(chǎn)品技術(shù)水平的標(biāo)志之一。其中Linux因?yàn)槠鋼碛虚_放性、多用戶、多任務(wù)、良好的用戶界面、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、可靠的系統(tǒng)安全和良好的可移植等特性被廣泛的應(yīng)用到儀器測(cè)量設(shè)備中。
傳 統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備(持斯拉計(jì)、高斯計(jì))普遍存在精度低(典型測(cè)量精度為1．5％)、操作不便等缺點(diǎn)。本文提出一種基于嵌入式Linux的中頻磁場(chǎng)測(cè)量系 統(tǒng)，它不但可以滿足當(dāng)前磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)采集的需要，還因?yàn)槠淝度肓瞬僮飨到y(tǒng)Linux，使具有可靠性好、升級(jí)方便的特點(diǎn)，既提高了磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，又為儀 器的功能升級(jí)帶來(lái)便利。可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室儀器，醫(yī)療儀器，姿態(tài)控制，安全檢測(cè)等需磁場(chǎng)檢測(cè)的領(lǐng)域。2 磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上采用ARM9作為控制器，與信號(hào)放大、整流濾波、程控放大等硬件構(gòu)成了整個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。而且，測(cè)量系統(tǒng)還搭配了USB、RS232、以太網(wǎng)通信接口，系統(tǒng)通訊能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連網(wǎng)功能。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
ARM9 嵌入式處理器采用三星公司的$3C2410。S3C2410是基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià) 比，低功耗的應(yīng)用。它采用5級(jí)流水線和全性能的MMU，同時(shí)該芯片集成了大量的功能擴(kuò)展單元，例如LCD控制器、I2C總線、觸摸屏接口、USB接口等。強(qiáng)大的芯片功能簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不但縮小了系統(tǒng)體積，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。
USB、RS232和以太網(wǎng)接口可為系統(tǒng)提供不同的通信方式，適合不同測(cè)量環(huán)境和條件，以太網(wǎng)接口還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能。
在磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)中，可使用觸摸屏簡(jiǎn)便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同顯示方式切換、參數(shù)設(shè)置和測(cè)量數(shù)據(jù)保存等功能。
磁場(chǎng)測(cè)量電壓信號(hào)部分，由磁場(chǎng)傳感器得到微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)放大整流等措施后輸入控制系統(tǒng)。
報(bào)警輸出可實(shí)現(xiàn)用戶自設(shè)定報(bào)警的上下限值，方便用戶測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)前端信號(hào)處理模塊
磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)前端傳感器采用的測(cè)量方法為電磁感應(yīng)法。電磁感應(yīng)法是將測(cè)量線圈置入交變磁場(chǎng)中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律在線圈的引線間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)線圈的磁通量的大小成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為： 測(cè)量系統(tǒng)前端信號(hào)處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
(1)為了實(shí)現(xiàn)多路磁場(chǎng)傳感器的信號(hào)輸入，設(shè)計(jì)中采用片選芯片74HCl5進(jìn)行通道的選擇。通過(guò)對(duì)74HCl53控制端S0，Sl輸入不同的數(shù)據(jù)組合(00，1O，0l，11)，輸出端lY和2Y就可實(shí)現(xiàn)不同輸入通道的選擇。
(2)在整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，前置放大電路的主要作用是將傳感器輸出的、和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的微弱電壓信號(hào)放大。根據(jù)其要求，設(shè)計(jì)的前置放大電路采用了差動(dòng)放大的方式，電路如圖3所示。它具有高共模抑制比、輸入阻抗高、輸出阻抗低、失調(diào)小、溫漂小、線性好等優(yōu)點(diǎn)。
第三篇：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告
班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：姓 名：成 績(jī)：指導(dǎo)教師：
20090612 2009112107 侯金鐘 武俊鵬、劉書勇 1.實(shí)驗(yàn)一
1.1 實(shí)驗(yàn)名稱
嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)環(huán)境
1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1．熟悉UP-net3000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
2.超級(jí)終端設(shè)置及BIOS 功能使用。
1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
熟悉UP-net3000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件電路和外設(shè)，ARM JTAG的安裝和使用，利用超級(jí)終端檢驗(yàn)外設(shè)的工作狀態(tài)。
1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
１．建立工程
（1）運(yùn)行ARM SDT 2.5 集成開發(fā)環(huán)境（ARM Project Manager）.（2）在新建的工程中，如圖1A-2 所示，選中工程樹的“根部”。
（3）因?yàn)殚_發(fā)板上的嵌入式處理器ARM7TDMI 沒有浮點(diǎn)處理器，所以，如圖1A-3 所
示，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置Floating Point Processor 為none，并保持其他的設(shè)置不變。（4）選中工程樹的“根部”，通過(guò)菜單Project | Tool Configuration for work1.apj | asmlink | Set，對(duì)整個(gè)工程的連接方式進(jìn)行設(shè)置。（5）在彈出的對(duì)話框中，選中Entry and Base 標(biāo)簽，如圖1A-4 所示，設(shè)置連接的Read-Only（只讀）和Read-Write（讀寫）地址。
（6）選擇Linker Configuration 的ImageLayout 標(biāo)簽，（7）選擇Project | Edit Project Tamplete 菜單，彈出Project Template Editor 對(duì)話框。
（8）選擇Project | Edit Variables for work1.apj，彈出Edit Variables for work1.apj 對(duì)話框。
2．進(jìn)行程序的在線仿真、調(diào)試
1.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析
熟悉UP-net3000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件電路和外設(shè)，安裝了ARM JTAG，利用超級(jí)終端檢驗(yàn)了外設(shè)的工作狀態(tài)。
1.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
軟件安裝成功，結(jié)果顯示正常。
1.8 心得體會(huì)
通過(guò)此次試驗(yàn)，我對(duì)ARM的環(huán)境的功能有一定的了解與完善。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)有了基本的認(rèn)識(shí)與使用。
2.實(shí)驗(yàn)二
2.1 實(shí)驗(yàn)名稱
嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境
2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1.熟悉ADS1.2 開發(fā)環(huán)境，學(xué)會(huì)ARM 仿真器的使用。
2.使用ADS 編譯、下載、調(diào)試并跟蹤一段已有的程序，了解嵌入式開發(fā)的基本思想和過(guò)程。
2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
本次實(shí)驗(yàn)使用ADS 集成開發(fā)環(huán)境。新建一個(gè)簡(jiǎn)單的工程文件，并編譯這個(gè)工程文件。學(xué)習(xí)ARM 仿真器的使用和開發(fā)環(huán)境的設(shè)置。下載已經(jīng)編譯好的文件到嵌入式控制器中運(yùn)行。學(xué)會(huì)在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，觀察系統(tǒng)內(nèi)存和變量。
2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
（1）運(yùn)行ADS1.2 集成開發(fā)環(huán)境（CodeWarrior for ARM Developer Suite）。
（2）在新建的工程中，選擇Debug 版本，使用Edit | Debug Settings菜單對(duì)Debug 版本進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。（3）在Debug Settings 對(duì)話框中選擇Target Settings 項(xiàng)。在Post-linker一欄中選擇ARM from ELF。
（4）在Debug Settings 對(duì)話框中選擇ARM Linker 項(xiàng)
（5）在第四步中如果選擇簡(jiǎn)單的地址連接設(shè)置，在Debug Settings 對(duì)話框中選擇ARM Linker 項(xiàng)
（6）回到的工程窗口中，選擇Release 版本，使用Edit | Release Settings 菜單對(duì)Release 版本進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。（7）參照第（3）、（4）、（5）、（6）步在Release Settings 對(duì)話框中設(shè)置Release版本的Post-linker、連接地址范圍、入口模塊和輸出文件。（8）回到如圖1B-3 所示的工程窗口中，選擇Targets 選項(xiàng)卡，如圖1B-11 所示。選中DebugRel 版本，按Del 鍵將其刪除。DebugRel 子樹是一個(gè)折衷版本，通常用不到，所以在這里刪除。
2.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析
1）回到工程窗口選中Debug 版本，執(zhí)行菜單Project | Make 對(duì)工程進(jìn)行編譯連接。（2）在ADS 中執(zhí)行菜單Project | Debug 啟動(dòng)ADS1.2 的調(diào)試工具AXD。（3）在AXD 中執(zhí)行菜單Options | Configure Target 對(duì)AXD 進(jìn)行設(shè)置。（4）點(diǎn)Select 按鈕選擇遠(yuǎn)程連接為ARM ethernet driver，點(diǎn)Configure 按鈕輸入仿真器的IP 地址。
（5）等待程序裝載完畢以后，通過(guò)Execute | Go 菜單以及Execute | Stop（或者工具欄中的相應(yīng)按鈕）運(yùn)行或暫停程序。程序暫停后在窗口中將顯示出程序暫停的位置。（6）通過(guò)Execute | Step 菜單（或者工具欄中的相應(yīng)按鈕）可以單步運(yùn)行程序。
（7）程序停止后可以通過(guò)Processor Views | Sources 菜單查看源文件，并可在適當(dāng)位置按F9 設(shè)置端點(diǎn)。
（8）使用在Processor View 菜單下的Registers、Variables 和Memory 命令可以查看工作寄存器或者內(nèi)存變量。讀者可以逐一地嘗試，為以后調(diào)試程序打下基礎(chǔ)。
2.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
超級(jí)終端輸出“Hello World!”。
2.8 心得體會(huì)
基本了解了ADS1.2的配置條件，學(xué)會(huì)了ARM仿真器的使用方法。
3.實(shí)驗(yàn)三
3.1 實(shí)驗(yàn)名稱
鍵盤及LED實(shí)驗(yàn)
3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1．學(xué)習(xí)鍵盤及LED 驅(qū)動(dòng)原理。
2．掌握Z(yǔ)LG7289芯片串行接口的使用方法，用ZLG7289芯片驅(qū)動(dòng)17鍵的鍵盤和8個(gè)共陰極LED。
3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
3.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
通過(guò)ZLG7289芯片驅(qū)動(dòng)17鍵的鍵盤和8個(gè)共陰極LED，將按鍵值在LED上顯示出來(lái)。要求從右至左循環(huán)顯示至少四位數(shù)字。
基本功能實(shí)現(xiàn)之后可考慮實(shí)現(xiàn)從左至右顯示四位及四位以上數(shù)字（最大八位），并可設(shè)置清零鍵等擴(kuò)展功能。
3.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
利用所給的基礎(chǔ)代碼進(jìn)行調(diào)試，觀察輸出結(jié)果，結(jié)合指導(dǎo)書和教材掌握基本原理和源代碼的編寫方式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求設(shè)計(jì)函數(shù)流程，并反復(fù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)功能。1．新建工程，將“Exp3 鍵盤及LED 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”中的文件添加到工程。2．定義ZLG7289 寄存器（ZLG7289.h）
#define ZLG7289_CS(0x20)//GPB5 #define ZLG7289_KEY(0x10)//GPG4 #define ZLG7289_ENABLE()do{ZLG7289SIOBand=rSBRDR;ZLG7289SIOCtrl=rSIOCON;rSIOCON=0x31;rSBRDR=0xff;rPDATB&=(~ZLG7289_CS);}while(0)#define ZLG7289_DISABLE()do{rPDATB|=ZLG7289_CS;rSBRDR=ZLG7289SIOBand;rSIOCON=ZLG7289SIOCtrl;}while(0)3.編寫ZLG7289 驅(qū)動(dòng)函數(shù)（ZLG7289.c）4．定義鍵盤映射表：（Keyboard16.c）
unsigned char KeyBoard_Map[]= {4,8,11,0,0,0,0,0,5,9,12,15,1,0,0,0,6,10,13,16,2,3,0,0,7,0,14,0,0,0,0,0,0 ,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//64 鍵值映射表，通過(guò)查找鍵盤映射表來(lái)確定鍵盤掃描碼對(duì)應(yīng)的按鍵值。
5．定義鍵值讀取函數(shù)。（Keyboard16.c）6．編寫主函數(shù)，將按鍵值在數(shù)碼管上顯示。
3.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析
利用鍵盤驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)基本數(shù)字輸入，然后利用循環(huán)左移函數(shù)實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)字做一樣功能，并通過(guò)改變函數(shù)中相應(yīng)delay的值來(lái)消除鍵盤按鍵帶來(lái)的抖動(dòng)。
3.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
按鍵值可以在LED上顯示出來(lái)。要求從右至左循環(huán)顯示八位數(shù)字，同時(shí)可以復(fù)位清零。達(dá)到實(shí)驗(yàn)的效果。
3.8 心得體會(huì)
通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我了解了LED的顯示屏幕的數(shù)字的移位功能，這個(gè)功能不止可以用一個(gè)方法實(shí)現(xiàn)，而循環(huán)左移是其中比較巧妙且省力的一種，在遇到類似情況的時(shí)候，可以優(yōu)先考慮能不能利用到文件中已經(jīng)存在的函數(shù)，這樣可以不必自己編寫函數(shù)，省時(shí)省力。是一種可靠的方法。4.實(shí)驗(yàn)四
4.1 實(shí)驗(yàn)名稱
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制及中斷實(shí)驗(yàn)
4.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1．熟悉ARM本身自帶的六路即三對(duì)PWM，掌握相應(yīng)寄存器的配置。
2．編程實(shí)現(xiàn)ARM系統(tǒng)的PWM輸出和I/O輸出，前者用于控制直流電機(jī)，后者用于控制步進(jìn)電機(jī)。
3.了解直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的工作原理，學(xué)會(huì)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配，即用軟件的方法代替硬件的脈沖分配器。
4.了解44B0處理器上中斷的應(yīng)用。5.學(xué)習(xí)在44B0處理器上中斷的應(yīng)用。
6.進(jìn)一步熟悉平臺(tái)外圍硬件及其驅(qū)動(dòng)程序的編寫。
4.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
4.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
1．學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的工作原理，了解實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)的軟件和硬件要求。學(xué)習(xí)ARM 知識(shí)，掌握 PWM 的生成方法，同時(shí)也要掌握 I/O的控制方法。
2．編程實(shí)現(xiàn)ARM芯片的一對(duì)PWM輸出用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)A/D旋鈕控制其轉(zhuǎn)動(dòng)方式。
3．編程實(shí)現(xiàn)ARM的四路I/O通道，實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)A/D旋鈕控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。
4．通過(guò)鍵盤控制直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的切換。5．設(shè)置并啟動(dòng)定時(shí)器。
6．設(shè)置中斷，編寫定時(shí)器中斷服務(wù)程序，對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并在LED上顯示結(jié)果。
4.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
1．添加并打開工程。
2．進(jìn)行直流電機(jī)初始化設(shè)置和代碼編寫。3．進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)初始化設(shè)置和代碼編寫。
4．對(duì)Timer3編程，編寫定時(shí)器中斷服務(wù)程序，完成對(duì)中斷次數(shù)的計(jì)數(shù)。5．編寫LED計(jì)數(shù)顯示函數(shù)，使LED能正確計(jì)數(shù)并顯示0-9999。6．編寫中斷初始化函數(shù)和中斷響應(yīng)函數(shù)。7．終端下載測(cè)試。
4.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析 1．對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行編程和測(cè)試，掌握轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)定方法。
2．對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程和測(cè)試，掌握ARM的四路I/O通道，實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)A/D旋鈕控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。
3．對(duì)主函數(shù)進(jìn)行編程，用鍵盤響應(yīng)直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的切換控制。
4．掌握中斷相關(guān)語(yǔ)句的應(yīng)用，弄清定義的中斷向量、中斷向量號(hào)，編寫中斷響應(yīng)函數(shù)，并完成中斷響應(yīng)控制。
4.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的基本設(shè)置和控制，可以通過(guò)鍵盤控制電機(jī)之間的切換。完成了中斷的響應(yīng)和定時(shí)中斷。當(dāng)對(duì)其中一個(gè)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可以由直流電機(jī)轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的效果。
4.8 心得體會(huì)
通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我了解了直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的工作原理，同時(shí)也知曉了電機(jī)間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，了解其中的道理內(nèi)涵，熟悉了ARM自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及編程方法，了解了中斷的意義和實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單了中斷處理程序。同時(shí)我也收獲了很多關(guān)于ARM處理機(jī)的相關(guān)知識(shí)。
5.實(shí)驗(yàn)五
5.1 實(shí)驗(yàn)名稱
觸摸屏驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)
5.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1．了解觸摸屏的基本概念與原理。
2．理解觸摸屏與LCD的關(guān)系。3.編程實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏的控制。
4.熟悉用 ARM 內(nèi)置的 LCD控制器驅(qū)動(dòng) LCD。
5.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
5.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
1．了解觸摸屏基本原理，理解對(duì)觸摸屏進(jìn)行輸出標(biāo)定、與LCD顯示器配合的過(guò)程。2．通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)觸摸兩點(diǎn)自動(dòng)在兩點(diǎn)間劃直線。3．通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)在觸摸屏上動(dòng)態(tài)畫出曲線。5.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
1．添加并打開工程。
2．在頭文件中定義宏和常量及驅(qū)動(dòng)函數(shù)。
#define ADS7843_CTRL_START 0x80 #define ADS7843_GET_X 0x50 #define ADS7843_GET_Y 0x10 #define ADS7843_CTRL_12MODE 0x0 #define ADS7843_CTRL_8MODE 0x8 #define ADS7843_CTRL_SER 0x4 #define ADS7843_CTRL_DFR 0x0 #define ADS7843_CTRL_DISPWD 0x3 // Disable power down #define ADS7843_CTRL_ENPWD 0x0 // enable power down #define ADS7843_PIN_CS(1<<6)//GPF6 #define ADS7843_PIN_PEN(1<<5)//GPG5 /////////觸摸屏動(dòng)作//////// #define TCHSCR_ACTION_NULL 0 #define TCHSCR_ACTION_CLICK 1 //觸摸屏單擊 #define TCHSCR_ACTION_DBCLICK 2 //觸摸屏雙擊 #define TCHSCR_ACTION_DOWN 3 //觸摸屏按下 #define TCHSCR_ACTION_UP 4 //觸摸屏抬起 #define TCHSCR_ACTION_MOVE 5 //觸摸屏移動(dòng)
#define TCHSCR_IsPenNotDown()(rPDATG&ADS7843_PIN_PEN)(ADS7843_CTRL_START|ADS7843_GET_X|ADS7843_CTRL_12MODE |ADS7843_CTRL_DFR|ADS7843_CTRL_ENPWD)//采樣x 軸電壓值，數(shù)據(jù)為12 位，參考電壓輸入模式為差分模式，允許省電模式
#defineADS7843_CMD_Y(ADS7843_CTRL_START|ADS7843_GET_Y|ADS7843_CTRL_12MODE |ADS7843_CTRL_DFR|ADS7843_CTRL_ENPWD)int TchScr_Xmax=1840,TchScr_Xmin=176, TchScr_Ymax=195,TchScr_Ymin=1910;//觸摸屏返回電壓值范圍 #defineADS7843_CMD_X 3．校準(zhǔn)觸摸屏坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
4．實(shí)現(xiàn)觸屏取點(diǎn)并顯示功能。
將觸摸動(dòng)作及觸摸點(diǎn)坐標(biāo)在超級(jí)終端上顯示出來(lái)。5．實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間自動(dòng)劃線功能。6．實(shí)現(xiàn)觸摸屏動(dòng)態(tài)劃線功能。
可以使用TchScr_GetScrXY()函數(shù)（第三個(gè)參數(shù)為0）來(lái)獲得液晶屏的x、y 方向的電壓
范圍，分別點(diǎn)觸摸屏有效面積的左上角和右下角，得到下列參數(shù)：
TchScr_Xmax=1840;TchScr_Xmin=176;TchScr_Ymax=195;TchScr_Ymin=1910;//此數(shù)值僅供參考，請(qǐng)以實(shí)際校對(duì)為準(zhǔn)
5.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析 1．在定義觸屏響應(yīng)功能的函數(shù)中對(duì)點(diǎn)擊觸屏進(jìn)行響應(yīng)函數(shù)的修改，在其中添加修改點(diǎn)顏色的函數(shù)，修改得到的觸摸點(diǎn)的顏色，并顯示在LCD上。
2．獲取第一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)并儲(chǔ)存，獲取第二個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)并儲(chǔ)存，由編寫的劃線函數(shù)取得儲(chǔ)存的兩點(diǎn)間直線上所有點(diǎn)的坐標(biāo)，并對(duì)其改變顏色，顯示在LCD上，即完成劃直線功能。
3．將劃線函數(shù)應(yīng)用到響應(yīng)觸屏移動(dòng)消息的函數(shù)下，即可對(duì)連續(xù)獲得的觸摸坐標(biāo)進(jìn)行連續(xù)的畫短直線，連接成曲線，完成動(dòng)態(tài)劃線功能。
5.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
了解了觸摸屏響應(yīng)動(dòng)作消息的函數(shù)的工作原理，通過(guò)修改實(shí)現(xiàn)了觸摸屏響應(yīng)不同動(dòng)作進(jìn)行畫點(diǎn)、劃線、動(dòng)態(tài)劃線的功能。驗(yàn)證觸摸屏的靈敏度的實(shí)驗(yàn)。
5.8 心得體會(huì)
通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我基本掌握了通過(guò)編程驅(qū)動(dòng)觸摸屏以及觸摸屏響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了觸摸屏對(duì)不同動(dòng)作消息的響應(yīng)。同時(shí)也知曉了在觸摸屏上的描點(diǎn)畫線的實(shí)現(xiàn)，但是由于不知名的原因，描點(diǎn)畫線的誤差較大，位置偏差較大，同時(shí)觸摸屏有時(shí)會(huì)不靈敏，出現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象，但是由于我們的辛勤鉆研，最終克服了這個(gè)困難，實(shí)現(xiàn)了最后的觸摸屏的實(shí)現(xiàn)。
6.實(shí)驗(yàn)六
6.1 實(shí)驗(yàn)名稱
UCOS-Ⅱ在ARM微處理器上的裁剪
6.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1．了解UCOS-Ⅱ內(nèi)核的主要結(jié)構(gòu)。
2.掌握UCOS-Ⅱ裁剪的基本原理與嵌入式編程實(shí)現(xiàn)方法。3.學(xué)習(xí)如何根據(jù)具體情況對(duì)UCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪。
4．通過(guò)對(duì)UCOS-Ⅱ配置文件(OS_CFG.H)中相關(guān)的配置常量進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)UCOS-Ⅱ的裁剪。
6.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
6.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
對(duì)UCOS-Ⅱ內(nèi)核進(jìn)行裁剪并移植到ARM7微處理器上。
6.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟 1.按照要求，載入STARTUP目錄下文件，完成系統(tǒng)初始化、環(huán)境配置。2.載入U(xiǎn)COS-Ⅱ的全部源碼，與處理器架構(gòu)相關(guān)的文件位于arch目錄下。3.在os_cpu.h中編寫與處理器和編譯器相關(guān)的代碼。
4.編寫os_cpu_c.c等6個(gè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。5.編寫os_cpu.asm等4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)。
6.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析
按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，得到了需要的系統(tǒng)。
6.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
按照要求進(jìn)行了裁剪，得到了滿足需要又緊湊的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。
6.8 心得體會(huì)
通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我了解了UCOS-Ⅱ內(nèi)核的主要結(jié)構(gòu)，掌握UCOS-Ⅱ裁剪的基本原理與嵌入式編程實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)會(huì)了如何根據(jù)具體情況對(duì)UCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪。
7.實(shí)驗(yàn)七
7.1 實(shí)驗(yàn)名稱
UCOS-Ⅱ在ARM微處理器上的移植和編譯
7.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1．了解UCOS-Ⅱ內(nèi)核的主要結(jié)構(gòu)。
2.掌握將UCOS-Ⅱ內(nèi)核移植到ARM7處理器上的基本方法。
7.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
7.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
1.將UCOS-Ⅱ內(nèi)核進(jìn)行移植到ARM7微處理器上。
2.編寫兩個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)，在超級(jí)終端上觀察兩個(gè)任務(wù)的切換。
7.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
1．該實(shí)驗(yàn)的文件分為兩類，其一是 STARTUP 目錄下的系統(tǒng)初始化、配置等文件，其二是 UCOS-Ⅱ的全部源碼，arch 目錄下的 3 個(gè)文件是和處理器架構(gòu)相關(guān)的。
2.設(shè)置 os_cpu.h 中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼。
3.用 C 語(yǔ)言編寫 6 個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU_C.C）。4.用匯編語(yǔ)言編寫 4 個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU.ASM）。5.編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的多任務(wù)程序來(lái)測(cè)試一下移植是否成功。6.編譯并下載移植后的 UCOS-Ⅱ。
7.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析
1.按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，將μC/OS-II 內(nèi)核移植到了ARM7 微處理器上。2編寫了兩個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)，在超級(jí)終端上觀察兩個(gè)任務(wù)的切換。
7.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
將μC/OS-II 內(nèi)核順利移植到了ARM7 微處理器上。
7.8 心得體會(huì)
通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，使我更加了解了μC/OS-II 內(nèi)核的主要結(jié)構(gòu)，掌握了ARM的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的編程方法，了解了ARM7處理器結(jié)構(gòu)，掌握了將μC/OS-II 內(nèi)核移植到ARM 7 處理器上的基本原理與嵌入式編程實(shí)現(xiàn)方法。
8.實(shí)驗(yàn)八
8.1 實(shí)驗(yàn)名稱
綜合實(shí)驗(yàn)
8.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
對(duì)前七次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，應(yīng)用之前所學(xué)的知識(shí)，將前幾次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，完成鍵盤，LED，觸摸屏，直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)各種功能的組合。實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為全面的功能結(jié)構(gòu)。
8.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)平臺(tái)、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentium100 以 上、串口線。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成開發(fā) 環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、超級(jí)終端通訊程序。
8.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
對(duì)前七次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，應(yīng)用之前所學(xué)的知識(shí)，完成自擬的嵌入式系統(tǒng)，要求綜合前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的各種功能。
8.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟
1．添加并打開工程。2．進(jìn)行LCD設(shè)計(jì)，在LCD顯示屏輸出文本。
3．進(jìn)行LED及鍵盤設(shè)計(jì)，完成LED輸出顯示功能和鍵盤輸入功能。4．進(jìn)行電機(jī)控制設(shè)計(jì)，完成鍵盤控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功能。5．進(jìn)行中斷設(shè)計(jì)，完成定時(shí)中斷功能。
6．進(jìn)行觸摸屏設(shè)計(jì)，完成觸摸屏感應(yīng)和劃線功能。7．進(jìn)行裁剪和移植功能設(shè)計(jì)和完成。
8.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析
1．完成LCD顯示功能，在LCD顯示屏上輸出文本：“Hello World！”。2．進(jìn)入界面觸屏控制選擇功能，實(shí)現(xiàn)觸屏選擇功能。
3．自定義四種種功能，第一為電機(jī)控制，從鍵盤讀取命令，并將功能編號(hào)顯示在LED上，LED顯示的是計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)按鈕完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制選擇。
4．第三種功能為劃線，功能編號(hào)顯示在LED高四位上，同時(shí)LCD屏幕清屏，為劃線功能做準(zhǔn)備，可以實(shí)現(xiàn)劃線功能。
5．第四種功能為定時(shí)中斷，當(dāng)由鍵盤控制時(shí)，LED顯示數(shù)值清零，實(shí)現(xiàn)了中斷。6．實(shí)現(xiàn)裁剪與移植功能。
8.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
完成了各種基本功能，并通過(guò)自擬的系統(tǒng)將各種功能整合起來(lái)，完成了一個(gè)小的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)前七次的功能有了更深入的了解。通過(guò)LED的計(jì)數(shù)，當(dāng)在計(jì)數(shù)值在前30秒之內(nèi)，由鍵盤控制LED的數(shù)值及顯示，按鍵盤上的某一個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED上的數(shù)值清零，后30秒由觸摸屏控制清零，并且在前30秒之內(nèi)，旋轉(zhuǎn)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換。
8.8 心得體會(huì)
通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我更加深刻地掌握了前幾次實(shí)驗(yàn)中的基本功能的實(shí)現(xiàn)方法，并且把幾種功能聯(lián)合在一起，實(shí)現(xiàn)一些功能，把LED 顯示屏，LCD觸摸屏，鍵盤，直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等等設(shè)備聯(lián)合在一起，對(duì)該實(shí)驗(yàn)有一定的幫助與提高，而我和我的隊(duì)友也對(duì)嵌入式系統(tǒng)有了更深入的了解，在此期間，也學(xué)習(xí)了關(guān)于ARM處理器的開發(fā)與實(shí)踐，了解了關(guān)于手機(jī)的嵌入式設(shè)備的產(chǎn)生過(guò)程，我也深深的對(duì)此充滿了興趣，對(duì)未來(lái)的嵌入式課程設(shè)計(jì)奠定了深厚的基礎(chǔ)，可是令我遺憾的是，我和隊(duì)員的水平所限，沒有完成中斷優(yōu)先級(jí)的控制。本來(lái)想完成更多的功能，可是最后由于時(shí)間緊迫，也有一些其他的事情來(lái)分神分心，所以就只能完成這些，但是在未來(lái)的幾周內(nèi)，嵌入式課程設(shè)計(jì)也給了我們很大的空間去做未完成的事情。我相信我們會(huì)做的更加完美，功能更強(qiáng)大，用于未來(lái)的生活中去實(shí)踐。
第四篇：《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)大綱
《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)(Design of Embedded Systems)
一、課程教學(xué)目的和基本要求
教學(xué)目的：
嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、信息家電、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器、智能儀器儀表等眾多領(lǐng)域。如手機(jī)、PDA、MP3、手持設(shè)備、智能電話、機(jī)頂盒等，可以說(shuō)嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在。本課程講述當(dāng)前主流的嵌入式處理器—ARM的微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS，介紹嵌入式系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使學(xué)生掌握ARM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)擴(kuò)展方法、應(yīng)用及開發(fā)技術(shù)等。使學(xué)生在工作中具有利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)品和解決實(shí)際問題的基本能力。
基本要求：
1、掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基本原理。
2、了解并掌握ARM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)擴(kuò)展方法、應(yīng)用及開發(fā)技術(shù)等。
3、比較熟練地用ADS進(jìn)行ARM實(shí)驗(yàn)箱的編程及調(diào)試。
4、了解并掌握實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS，并學(xué)會(huì)用μC/OS開發(fā)小型應(yīng)用系統(tǒng)。
二、先修課程及本課程總學(xué)時(shí)
先修課程：C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、單片機(jī)原理 本課程總學(xué)時(shí)：36
三、課程章節(jié)及各章節(jié)學(xué)時(shí)安排
第一章 嵌入式系統(tǒng)概述（2學(xué)時(shí)）
第二章 嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)）
第三章 設(shè)計(jì)方法及ADS集成開發(fā)環(huán)境（4學(xué)時(shí)）
第一節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（2學(xué)時(shí)）第二節(jié) ADS集成開發(fā)環(huán)境（2學(xué)時(shí)）第四章 ARM7體系結(jié)構(gòu)（4學(xué)時(shí)）
第一節(jié)ARM7體系結(jié)構(gòu)介紹（2學(xué)時(shí)）第二節(jié)ARM7TDMI(-S)指令集簡(jiǎn)介。（2學(xué)時(shí)）第五章 ARM指令集（8學(xué)時(shí)）
第一節(jié) ARM處理器尋址方式。（2學(xué)時(shí)）第二節(jié)ARM指令集。（2學(xué)時(shí)）第三節(jié)ARM匯編程序設(shè)計(jì)。（2學(xué)時(shí)）第四節(jié)C與匯編混合編程。（2學(xué)時(shí)）第六章 硬件結(jié)構(gòu)與功能（12學(xué)時(shí)）第一節(jié) LPC2106/2105/2104結(jié)構(gòu)（2學(xué)時(shí)）第二節(jié) GPIO及引腳連接模塊。（2學(xué)時(shí)）
第三節(jié) UART0和UART1、I2C接口、SPI接口。（2學(xué)時(shí)）第四節(jié) 定時(shí)器0和定時(shí)器1。（2學(xué)時(shí)）第五節(jié) 脈寬調(diào)制器（PWM）。（2學(xué)時(shí)）
第六節(jié) 看門狗及Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)和編程。（2學(xué)時(shí)）第七章 μC/0S－II程序設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）
第一節(jié) μC/0S－II簡(jiǎn)介及移植（2學(xué)時(shí)）第二節(jié) 移植μC/0S－II。（2學(xué)時(shí)）
四、課程主要內(nèi)容
第一章 嵌入式系統(tǒng)概述（2學(xué)時(shí)）
1、嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介（包括什么是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)的分類）。
2、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
3、嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
4、嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。
5、嵌入式系統(tǒng)中的一些重要概念。難點(diǎn)：什么是嵌入式系統(tǒng)。
第二章 嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)）
1、嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。
2、與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的硬件知識(shí)。難點(diǎn)：總體結(jié)構(gòu)。
第三章 設(shè)計(jì)方法及ADS集成開發(fā)環(huán)境（4學(xué)時(shí)）第一節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法
包括嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法，嵌入式系統(tǒng)的硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。第二節(jié) ADS集成開發(fā)環(huán)境
1、ADS 1.2 集成開發(fā)環(huán)境的組成
2、工程的編輯
3、工程的調(diào)試
4、仿真器的安裝與應(yīng)用 難點(diǎn)：調(diào)試、仿真器。
第四章 ARM7體系結(jié)構(gòu)（4學(xué)時(shí)）第一節(jié)ARM7體系結(jié)構(gòu)介紹
1、處理器模式。
2、內(nèi)部寄存器。
3、程序狀態(tài)寄存器。
4、異常。
第二節(jié)ARM7TDMI(-S)指令集簡(jiǎn)介。難點(diǎn)：異常。
第五章 ARM指令集（8學(xué)時(shí)）第一節(jié) ARM處理器尋址方式。第二節(jié)ARM指令集。
第三節(jié)ARM匯編程序設(shè)計(jì)。第四節(jié)C與匯編混合編程。難點(diǎn)：ARM匯編程序設(shè)計(jì)。
第六章 硬件結(jié)構(gòu)與功能（12學(xué)時(shí)）第一節(jié) LPC2106/2105/2104結(jié)構(gòu)
1、存儲(chǔ)器尋址。
2、系統(tǒng)控制模塊。
3、存儲(chǔ)器加速模塊。
4、向量中斷控制器。
第二節(jié) GPIO及引腳連接模塊。
第三節(jié) UART0和UART1、I2C接口、SPI接口。第四節(jié) 定時(shí)器0和定時(shí)器1。第五節(jié) 脈寬調(diào)制器（PWM）。
第六節(jié) 看門狗及Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)和編程。
難點(diǎn)：存儲(chǔ)器重新映射，編程實(shí)現(xiàn)功能部件的初始化和控制。本章實(shí)驗(yàn)：LPC2106/2105/2104功能部件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。
第七章 μC/0S－II程序設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）第一節(jié) μC/0S－II簡(jiǎn)介及移植
1、移植規(guī)則。
2、編寫LPC2106/2105/2104的啟動(dòng)代碼。第二節(jié) 移植μC/0S－II。難點(diǎn)：移植μC/0S－II。本章實(shí)驗(yàn)：學(xué)習(xí)移植μC/0S－II。
五、教材及主要參考書
教材：
《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)》，馬文華，科學(xué)出版社，2006年
主要參考書：
[1] 田苗苗．嵌入式控制系統(tǒng)．北京航空航天大學(xué)出版社，2002年 [2] 呂 駿 譯．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)．電子工業(yè)出版社，2002年
[3] 周立功等．ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)．北京航空航天大學(xué)出版社，2003年
[4] 李駒光等．ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)祥解．清華大學(xué)出版社，2003年
[5] 劭貝貝譯．uCOS-II－源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)．中國(guó)電力出版社，2001年 [6] 田苗苗．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)．清華大學(xué)出版社，2002年 [7] 袁勤勇等譯．嵌入式系統(tǒng)構(gòu)件．機(jī)械工業(yè)出版社，2002年 [8] 田苗苗．《實(shí)用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)—基于ARM微處理器與μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)》(第二版)，清華大學(xué)出版社，2003.9 [9] 邵貝貝譯．《源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)——μCOS-II》，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年
六、其他需要說(shuō)明的情況
1．采用多媒體教學(xué)。
2．實(shí)驗(yàn)課單列，每周2學(xué)時(shí)。
3．每周作業(yè)量2～3小時(shí)，主要針對(duì)基本概念、開發(fā)環(huán)境的操作和編程。
七、成績(jī)?cè)u(píng)定
1.理論考核
占60% 2.實(shí)踐考核
占40%（其中包括：實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、課堂提問、學(xué)生自行設(shè)計(jì)制作的作品）。
第五篇：《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教案
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教案
課程總學(xué)時(shí)： 32 講課學(xué)時(shí)： 24 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 8 授 課 人： 楊詞慧
南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院
目錄 嵌入式系統(tǒng)概述.......................................................................................................................1 1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念...............................................................................................1 1.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史...............................................................................................2 1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)...............................................................................................2 1.4 嵌入式處理器...............................................................................................................3 1.5 嵌入式操作系統(tǒng)...........................................................................................................4 1.6 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)...................................................................................7 ARM體系結(jié)構(gòu).........................................................................................................................8 2.1 ARM設(shè)計(jì)思想.............................................................................................................8 2.2 ARM體系結(jié)構(gòu)分析.....................................................................................................9 2.3 ARM處理器系列.......................................................................................................11 2.4 ARM處理器模式.......................................................................................................15 2.5 ARM體系的異常處理...............................................................................................16 2.6 ARM內(nèi)部寄存器.......................................................................................................18 2.7 ARM體系的存儲(chǔ)系統(tǒng)...............................................................................................19 ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)...........................................................................................21 3.1 ARM尋址方式...........................................................................................................21 3.2 ARM指令集...............................................................................................................24 3.3 Thumb指令集............................................................................................................33 3.4............................................................................................................................................35 3.5............................................................................................................................................35 3.6 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程.....................................................................................36 STM32微控制器...................................................................................................................37 4.1 STM32微控制器的性能指標(biāo)....................................................................................37 2 3 4
I 嵌入式系統(tǒng)概述
教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的基本概念和體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)有一定的了解。
教學(xué)重點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。教學(xué)難點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)間：2課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容
1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念
(1)嵌入式系統(tǒng)的定義
先舉例說(shuō)明生活中的各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，如iPhone、小米手機(jī)、洗衣機(jī)、電壓力鍋等。IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
微機(jī)學(xué)會(huì)的定義：嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)和片級(jí)。a)系統(tǒng)級(jí)：各種類型的工控機(jī)、PC104等模塊。b)板級(jí)：各種類型的帶CPU的主板或OEM產(chǎn)品。c)片級(jí)：各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。
一般定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(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，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
(2)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) a)專用、軟硬件可剪裁配置。b)低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性。c)軟件代碼矮小精悍。d)代碼可固化。e)實(shí)時(shí)性。f)弱交互性。
g)軟件開發(fā)通常需要專門的開發(fā)工具、環(huán)境和方法。h)要求開發(fā)、設(shè)計(jì)人員具有較高的技能。i)具有較長(zhǎng)的生命周期。(3)嵌入式系統(tǒng)的分類
按嵌入式微處理器的位數(shù)可分為：4位、8位、16位、32位和64位。按實(shí)時(shí)性能可分為：非實(shí)時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
按軟件結(jié)構(gòu)可分為：嵌入式單線程系統(tǒng)和嵌入式事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：信息家電類、消費(fèi)電子類、醫(yī)療電子類、移動(dòng)終端類、通信類、汽車電子類、工業(yè)控制類、航空電子類、軍事電子類等。
1.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史
(1)以單芯片為核心的可編程控制器形成的系統(tǒng)
1971年11月，Intel推出Intel 4004。隨后出現(xiàn)Intel 8080/8085、8086、Motorola的6800、68000，Zilog的Z80、Z8000。
以微處理器為核心構(gòu)成的系統(tǒng)
單板機(jī)：Intel的iSBC系列、Zilog的MCB等
將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，大部分應(yīng)用于專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，沒有操作系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小。
(2)以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)
CPU種類繁多，通用性較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)化，用戶界面不夠友好。
(3)以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)可運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小，效率高；具備文件和目錄管理，支持多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具備圖形窗口和用戶界面；有大量的應(yīng)用程序接口API。
(4)以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合。
1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
(1)體系結(jié)構(gòu)
(2)硬件層
? 嵌入式處理器：ARM、DSP、FPGA ? 存儲(chǔ)器系統(tǒng)：ROM、FLASH、SDRAM ? 中斷控制器、DMAC、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、UART、USB控制器、LCD控制器等 ? I/O接口：USB、I2C、SPI、CAN等
(3)中間層
? 硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer, HAL)。位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，隱藏硬件接口細(xì)節(jié)。
? 板級(jí)支持包（Board Support Package, BSP）。為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
1.4 嵌入式處理器
(1)嵌入式處理器的分類
中高端的嵌入式微處理器（Embedded Micro-Processor Unit, EMPU）低端的微控制器（Microcontroller Unit, MCU）DSP處理器（Digital Signal Processor, DSP）高度集成的片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）(2)嵌入式微處理器
由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性、功耗等方面做了各種增強(qiáng)。
主要的嵌入式處理器類型：ARM、MIPS、PowerPC、68000系列等。特點(diǎn)
a)在設(shè)計(jì)中考慮低功耗。
b)采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。處理器內(nèi)部留有很多擴(kuò)展接口。c)具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。d)提供豐富的調(diào)試功能。
e)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。(3)微控制器
俗稱單片機(jī)，將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。
WatchWatchdogdogGPIO/計(jì)數(shù)GPIOUARTUART定時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)A/DA/DD/A器D/A器2CCANCANII2CSPISPIUSBUSBCPUCPUSRAMSRAM核心部分FlashFlash8位單片機(jī)示意圖以一種微處理器為核心，芯片內(nèi)部集成Flash、RAM、總線邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O口、串行口、PWM、A/D、D/A等。
最早的單片機(jī)： 1976年，Intel的8048，Motorola的68HC05、Zilog公司的Z80.(4)DSP處理器
對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合DSP算法 高效乘累加運(yùn)算、超標(biāo)量操作、指令流水線 高效數(shù)據(jù)存取、硬件重復(fù)循環(huán) 確定性操作（程序執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)）應(yīng)用場(chǎng)合：音視頻編解碼、數(shù)字濾波、FFT等(5)片上系統(tǒng)
將整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上 優(yōu)點(diǎn)
a)通過(guò)改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗 b)減少芯片對(duì)外的引腳數(shù)，簡(jiǎn)化制造過(guò)程
c)減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度 d)內(nèi)嵌線路可避免信號(hào)傳遞時(shí)所造成的系統(tǒng)雜訊 聯(lián)發(fā)科推出28nm雙核處理器MT6572 a)代號(hào)武松，基于Cortex-A7架構(gòu) b)主頻為1.2GHz c)處理器上整合了Wi-Fi、FM收音機(jī)、GPS以及藍(lán)牙四種功能 d)支持500萬(wàn)像素?cái)z像頭(6)嵌入式處理器的發(fā)展趨勢(shì) a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
SoC設(shè)計(jì)，與DSP、Flash、FPGA融合；性能更強(qiáng)，集成更多的功能部件；雙核或多核結(jié)構(gòu) b)功耗更低 c)可靠性更高 d)支持ISP、ISD 1.5 嵌入式操作系統(tǒng)
(1)操作系統(tǒng)的概念及功能
操作系統(tǒng)。是一組計(jì)算機(jī)程序的集合，用來(lái)有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。
功能：處理器管理；存儲(chǔ)器管理；設(shè)備管理；文件管理；用戶接口(2)操作系統(tǒng)的分類 按程序調(diào)度的方法分為
? 順序操作系統(tǒng)。只含一個(gè)運(yùn)行程序，獨(dú)占CPU時(shí)間，順序執(zhí)行。如DOS系統(tǒng)。? 分時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)有多道程序運(yùn)行。如Unix系統(tǒng)。? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
從應(yīng)用角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為 ? 面向低端信息家電
? 面向高端信息家電 ? 面向個(gè)人通信終端 ? 面向通信設(shè)備 ? 面向汽車電子 ? 面向工業(yè)控制
從實(shí)時(shí)性的角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為 ? 具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng) ? 具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng) ? 沒有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)(3)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）
是具有實(shí)時(shí)性且能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源來(lái)完成控制任務(wù)。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不停監(jiān)測(cè)，一旦有事件發(fā)生能立即處理。與通用OS的區(qū)別：實(shí)時(shí)性，代碼尺寸小。一般包括以下幾個(gè)重要組成部分：
? 實(shí)時(shí)內(nèi)核：任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理、任務(wù)間通信與同步等。? 網(wǎng)絡(luò)組件 ? 文件系統(tǒng) ? 圖形用戶界面
IEEE的Unix委員會(huì)規(guī)定了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)： ? 支持異步事件的響應(yīng)。? 中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先機(jī)制。? 支持指令性計(jì)劃占式調(diào)度。? 支持同步。
(4)常見的嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式Linux ? 實(shí)時(shí)的嵌入式Linux：如RT-Linux、KURT-Linux等。RT-Linux將通常的Linux任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低。
? 一般的嵌入式Linux：如μCLinux。? 開源，內(nèi)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開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。
? 已被移植到Intel、ARM、Motorola等公司的81種不同的處理器上。
? Labrosse用一年時(shí)間開發(fā)了μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)； 1992年在《Embedded System Programming》上 發(fā)表介紹文章，并公布源代碼；1993年寫了《μC/OS, The Real-Time Kernel》；書及源碼推動(dòng)了μC/OS-II的發(fā)展。
? μC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，全部核心代碼只有8.3 KB。? 只包含進(jìn)程調(diào)度、時(shí)鐘管理、內(nèi)存管理和進(jìn)程間的通信與同步等基本功能。Windows CE ? 多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的32位嵌入式操作系統(tǒng)。? 基本內(nèi)核大小至少為200KB。VxWorks ? 美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)
? 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)。? 擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力和高性能的內(nèi)核及友好的用戶開發(fā)環(huán)境。
? 支持多種處理器，如ARM、x86、i960、SunSparc、MIPS RX000、PowerPC、StrongARM等。? 以良好的可靠性和實(shí)時(shí)性，廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等領(lǐng)域。
? 應(yīng)用案例：美國(guó)F-
16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)，B-2隱形轟炸機(jī)，“愛國(guó)者”導(dǎo)彈，1997年4月在火星登陸的火星探測(cè)器。Palm OS ? 32位嵌入式操作系統(tǒng)，由3Com公司的Palm Computing部門開發(fā)。
? 在掌上電腦和PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額，曾占據(jù)90%的PDA市場(chǎng)份額。? 2010年04月29日惠普12億美元收購(gòu)Palm QNX ? 一個(gè)實(shí)時(shí)、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)。
? 部分遵循POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
? 內(nèi)核僅提供4種服務(wù)：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理。? 內(nèi)核非常小巧（QNX4.X約為12KB），運(yùn)行速度極快。iOS ? 蘋果推出，基于Darwin ? 最新：iOS8 Android ? Google開發(fā)的基于Linux平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng) Delta OS ? 是電子科技大學(xué)實(shí)時(shí)系統(tǒng)教研室和北京科銀京成技術(shù)有限公司聯(lián)合研制并開發(fā)的全中文嵌入式操作系統(tǒng)。
? 絕大部分代碼由C語(yǔ)言編寫。
? 已成功應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。pSOS ISI公司研發(fā)的產(chǎn)品。
模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展。
1.6 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
(1)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 ? 消費(fèi)電子領(lǐng)域 ? 通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域
? 工業(yè)控制領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域 ? 交通管理與汽車電子領(lǐng)域 ? 國(guó)防與航空航天領(lǐng)域 ? 醫(yī)療儀器領(lǐng)域
(2)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
? 小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化 ? 多核技術(shù)的應(yīng)用 ? 低功耗、綠色環(huán)保
? 云計(jì)算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中 ? 嵌入式系統(tǒng)軟件將逐漸PC化 ? 融合趨勢(shì)
? 微控制器MCU與SoC的結(jié)合 ? 微控制器MCU與DSP的結(jié)合 ? ARM與DSP的結(jié)合
? 微控制器MCU與CPLD/FPGA的結(jié)合 ? 安全性 ARM體系結(jié)構(gòu)
教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)ARM設(shè)計(jì)思想、ARM處理器系列、ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM處理器模式、ARM內(nèi)部寄存器、ARM體系的存儲(chǔ)系統(tǒng)有一定的了解。
教學(xué)重點(diǎn)：ARM設(shè)計(jì)思想、ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM處理器模式、ARM內(nèi)部寄存器。教學(xué)難點(diǎn)：ARM處理器模式、ARM內(nèi)部寄存器。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)間：4課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容
2.1 ARM設(shè)計(jì)思想
(1)RISC 傳統(tǒng)的CISC(Complex Instruction Set Computing)指令集中，約20%指令占整個(gè)程序代碼的80%。RISC(Reduced Instruction Set Computing)是一種設(shè)計(jì)思想，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一套能在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡(jiǎn)單而有效的指令集。
RISC設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于降低硬件執(zhí)行指令的復(fù)雜度，而傳統(tǒng)的CISC更側(cè)重于硬件執(zhí)行指令的功能性，使CISC指令變得復(fù)雜。
(2)RISC設(shè)計(jì)思想的實(shí)現(xiàn)
? 指令集。減少了指令種類，指令只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能，指令長(zhǎng)度固定。
? 流水線。指令的處理過(guò)程被拆分成幾個(gè)更小的、能夠被流水線并行執(zhí)行的單元。
? 寄存器。更多通用寄存器，可存數(shù)據(jù)和地址，可為所有數(shù)據(jù)操作提供快速的局部存儲(chǔ)訪問。? load-store結(jié)構(gòu)。處理器只處理寄存器中數(shù)據(jù)，用load和store指令完成寄存器和外存間的數(shù)據(jù)傳送
(3)ARM的設(shè)計(jì)思想 ? 較小的核。降低功耗
? 高的代碼密度。考慮成本和物理尺寸限制
? 較小的處理器內(nèi)核管芯(Die)面積。留給外設(shè)電路的空間較大 ? 硬件調(diào)試技術(shù)(4)ARM微處理器的特點(diǎn)
? 體積小，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，指令執(zhí)行速度更快； ? 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； ? 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； ? 指令長(zhǎng)度固定。
2.2 ARM體系結(jié)構(gòu)分析
(1)包含典型 的RISC 體系結(jié)構(gòu)特征
? 統(tǒng)一寄存器文件加載/存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理操作只針對(duì)寄存器內(nèi)容； ? 簡(jiǎn)單尋址模式，所有加載/存儲(chǔ)地址只通過(guò)寄存器內(nèi)容和指令字段確定。? 指令長(zhǎng)度固定，簡(jiǎn)化了指令譯碼。(2)還提供
? 可組合使用轉(zhuǎn)換與算術(shù)或邏輯運(yùn)算指令 ? 自動(dòng)遞增和自動(dòng)遞減尋址模式，可優(yōu)化程序循環(huán) ? 加載存儲(chǔ)多個(gè)指令以最大化數(shù)據(jù)吞吐量 ? 幾乎所有指令都采取條件執(zhí)行的方式(3)普林斯頓結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)
普林斯頓結(jié)構(gòu)：也稱馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，它將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。ARM7系列基于普林斯頓結(jié)構(gòu)。
哈佛結(jié)構(gòu)：將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。ARM9系列之后都基于哈佛結(jié)構(gòu)。
(4)流水線
ARM7的三級(jí)流水線在執(zhí)行單元完成了大量的工作，執(zhí)行單元的工作往往占用多個(gè)時(shí)鐘周期，從而成為系統(tǒng)性能的瓶頸。
ARM9采用哈佛架構(gòu)，避免了數(shù)據(jù)訪問了取指的總路線沖突，采用五級(jí)流水線設(shè)計(jì)。
五級(jí)流水線技術(shù)把三級(jí)流水線中的執(zhí)行單元進(jìn)一步細(xì)化，減少了在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)必須完成的工
作量，進(jìn)而允許使用較高的時(shí)鐘頻率。
無(wú)論三級(jí)流水線還是五級(jí)流水線，在以下情況下都會(huì)發(fā)生阻塞： ? 多周期指令、跳轉(zhuǎn)分支指令 ? 中斷發(fā)生
? 相鄰指令之間的寄存器沖突：如果當(dāng)前指令（A）的目的操作數(shù)寄存器和下一條指令（B）的源操作數(shù)寄存器一致，B指令就需要等A回寫之后才能譯碼。
(5)ARM體系結(jié)構(gòu)的版本
2.3 ARM處理器系列
(1)ARM處理器系列
? 經(jīng)典ARM處理器：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11 ? Cortex-A系列處理器：Cortex-A15、Cortex-A9、Cortex-A8、Cortex-A7、Cortex-A5 ? Cortex-R系列處理器：Cortex-R7、Cortex-R5、Cortex-R4 ? Cortex-M系列處理器：Cortex-M4、Cortex-M3、Cortex-M1、Cortex-M0+、Cortex-M0、CMSDK、CMSIS ? SecurCore處理器(2)ARM內(nèi)核版本命名規(guī)則
(3)ARM7系列微處理器 a)主要特點(diǎn)
? 最高主頻：130MIPS(Million Instructions Per Second)； ? 功耗低；
? 代碼密度高，兼容16位的微處理器； ? 可得到廣泛的操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持； ? 眾多的開發(fā)工具，優(yōu)秀的調(diào)試機(jī)制； ? 采用3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；
? 提供0.25μm、0.18μm和0.13μm的生產(chǎn)工藝。b)馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。
c)包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S和ARM720T四種類型，適用于不同的市場(chǎng)要求 d)ARM7TDMI ? ARM公司最早為業(yè)界普遍認(rèn)可并廣泛應(yīng)用的處理器核。? T：Thumb；D：Debug；M：Multiplier；I：Embedded ICE logic。e)ARM7TDMI-S ? 是ARM7TDMI的可綜合(synthesizable)版本（軟核）。
? ARM以“軟”核的方式把ARM7TDMI核授權(quán)給處理器廠商，處理器廠商可進(jìn)行修改和綜合。這就是ARM7TDMI-S。
? 綜合出的整個(gè)核比“硬”核大50%，電源效率降低50%。f)ARM7EJ-S ? 是可綜合的、帶有增強(qiáng)型DSP（E變種）和Java加速功能（J變種）的32位RISC嵌入式處理器。
? 主要用于數(shù)字音頻播放器、帶Java功能的無(wú)線手持設(shè)備、噴墨打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和PDA等方面。
g)ARM720T ? 專為使用Windows CE、Symbian OS操作系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)。? 主要用于數(shù)字音頻播放器、噴墨打印機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等。(4)ARM9系列微處理器 a)主要特點(diǎn)
? 5級(jí)整數(shù)流水線；
? 單一的32位AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線接口； ? MMU支持Windows CE、Symbian OS、Linux等； ? 支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包括VxWorks； ? 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache；
? 提供0.25μm、0.18μm和0.13μm的生產(chǎn)工藝。
b)包括ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T和ARM9E四種類型。后三種含有Cache。
c)采用Harvard體系結(jié)構(gòu)
? 指令與數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)。? 采用指令快存 和數(shù)據(jù)快存。
d)在相同工藝條件下，ARM9TDMI的處理能力是ARM7TDMI的兩倍。e)ARM920T ?
Motorola MC9328MX1和Samsung S3C2410X處理器都采用ARM920T 核心。? 主要應(yīng)用于通信終端、3G基帶和應(yīng)用處理器、基于OS的平臺(tái)設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、音頻/視頻解碼和機(jī)頂盒等。
f)ARM940T ? 與ARM920T相比，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更小的D-Cache、I-Cache和MPU。適于不需運(yùn)行操作系統(tǒng)的平臺(tái)。
g)ARM9E ? 使用單一的處理器核，提供微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案； ? DSP指令集；
? 在0.13μm工藝下，主頻可達(dá)300MIPS的性能； ? 集成實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試功能； ? 可選的VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；
? 高性能的AHB(Advanced High performance Bus)。(5)ARM10系列微處理器 a)主要特點(diǎn)
? 6級(jí)流水線；
? 在典型的0.13μm工藝下，主頻可達(dá)400MIPS的性能； ? 單一的32位AMBA 總線接口；
? MMU支持Windows CE、Symbian OS、Linux等； ? 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache；
? 提供0.25μm、0.18μm和0.13μm的生產(chǎn)工藝； ? 并行讀取/寫入部件。
b)包括：ARM1020、ARM10200、ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S。c)使用ARM10TDMI處理器核，采用ARMv5T結(jié)構(gòu)。d)ARM10TDMI ? 在相同工藝條件下，處理能力是ARM9TDMI的兩倍；
? 采用提高時(shí)鐘頻率、6級(jí)流水線、轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)邏輯、64位存儲(chǔ)器和無(wú)阻塞的存/取邏輯等措施提升性能。
e)ARM10E。新節(jié)能模式，64位Load/Store體系，與ARM10TDMI相比具有的特點(diǎn)
? DSP指令集；
? 可選的VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；
? 在實(shí)時(shí)控制和三維圖像處理時(shí)，主頻可達(dá)650MFLPS(百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒)。
(6)ARM11系列微處理器
? ARM1156T2-S內(nèi)核、ARM1156T2F-S內(nèi)核、ARM1176JZ-S內(nèi)核和ARM11JZF-S內(nèi)核 ? ARM1156T2-S內(nèi)核和 ARM1156T2F-S內(nèi)核 ? 基于ARM v6指令集體系結(jié)構(gòu)；
? 是首批含有ARM Thumb-2內(nèi)核技術(shù)的產(chǎn)品。(7)Cortex-A系列微處理器
? 適于高計(jì)算要求、運(yùn)行豐富操作系統(tǒng)及提供交互媒體和圖形體驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。? 支持傳統(tǒng) ARM、Thumb指令集和新的高性能緊湊型 Thumb-2 指令集。? 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的支持
? 低功率設(shè)計(jì)，支持 Adobe Flash 10.1 ? 高性能 NEON 引擎，廣泛支持媒體編解碼器 ? 高性能
? Cortex-A15：為新一代移動(dòng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用和無(wú)線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供高性能的解決方案。
? Cortex-A9。800 MHz1 GHz 的頻率下，提供的性能超過(guò) 2000 DMIPS。
? Cortex-A5 低成本實(shí)現(xiàn)，在 400-800 MHz 的頻率下，提供的性能超過(guò) 1200 DMIPS，是尺寸最小、功耗最低的 ARM 多核處理器。
? 多核技術(shù)：Cortex-A15、Cortex-A5和Cortex-A9 處理器都支持 ARM 第二代多核技術(shù)。? 高級(jí)擴(kuò)展
? Thumb-2，提供最佳代碼大小和性能。? TrustZone，安全擴(kuò)展，提供可信計(jì)算。
? Jazelle 技術(shù)，提高執(zhí)行環(huán)境（如 Java、.Net、MSIL、Python 和 Perl）速度。
(8)Cortex-R系列微處理器
? 為具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)響應(yīng)限制的深層嵌入式系統(tǒng)提供高性能計(jì)算解決方案。
? 快速。以高時(shí)鐘頻率獲得高處理性能。
? 確定性。處理在所有場(chǎng)合都必須符合硬實(shí)時(shí)限制。? 安全。系統(tǒng)必須可靠且可信。
? 成本效益。在處理器及其內(nèi)存系統(tǒng)中都具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本和功耗。? 應(yīng)用領(lǐng)域
? 智能手機(jī)
? 企業(yè)系統(tǒng)：硬盤驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)網(wǎng)和打印 ? 消費(fèi)電子：機(jī)頂盒、數(shù)字電視和播放器 ? 醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)和汽車行業(yè)的可靠系統(tǒng) ? 功能集
(9)Cortex-M系列微處理器
? 向上兼容的高能效、易于使用的處理器
? 針對(duì)成本和功耗敏感的 MCU 和終端應(yīng)用的混合信號(hào)設(shè)備進(jìn)行過(guò)優(yōu)化。? 更低的功耗，更長(zhǎng)的電池壽命。
? 高密度指令集，更小的代碼，更低的硅成本。
RISC 處理器內(nèi)核高性能32 位CPU具有確定性的運(yùn)算低延遲3 階段管道Thumb-2 技術(shù)16/32 位指令的最佳混合小于8 位設(shè)備3 倍的代碼大小對(duì)性能沒有負(fù)面影響低功耗模式集成的睡眠狀態(tài)支持多電源域基于架構(gòu)的軟件控制嵌套矢量中斷控制器(NVIC)低延遲、低抖動(dòng)中斷響應(yīng)不需要匯編編程以純C 語(yǔ)言編寫的中斷服務(wù)例程工具和RTOS 支持廣泛的第三方工具支持Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)(CMSIS)最大限度地增加軟件成果重用CoreSight調(diào)試和跟蹤JTAG 或2 針串行線調(diào)試(SWD)連接支持多處理器支持實(shí)時(shí)跟蹤(10)SecurCore系列微處理器
? 為安全要求較高應(yīng)用設(shè)計(jì)。智能卡
? SIM、ID、銀行業(yè)、付費(fèi)電視、公共交通、電子政務(wù)
2.4 ARM處理器模式
(1)32位ARM處理器工作狀態(tài)
32位ARM處理器有三種工作狀態(tài) ? ARM狀態(tài)。對(duì)應(yīng)32位ARM指令集 ? Thumb狀態(tài)。對(duì)應(yīng)16位Thumb指令集 ? Jazelle狀態(tài)。對(duì)應(yīng)8位的Jazelle指令集
用于在處理器指令層次對(duì)JAVA加速
只有進(jìn)入特定的狀態(tài)，相應(yīng)的指令集才有效。CPSR的J(Jazelle)和T(Thumb)位反映程序的狀態(tài)。Thumb-2 ? 與現(xiàn)有 ARM 和 Thumb 解決方案向后兼容，同時(shí)擴(kuò)展了 Thumb 指令集的可用功能； ? 使用少于 31% 的內(nèi)存以降低系統(tǒng)成本； ? 提供比現(xiàn)有高密度代碼高出 38% 的性能。(2)64位ARM處理器工作狀態(tài)
ARMv8架構(gòu)
兩種主要執(zhí)行狀態(tài)：AArch64, AArch32 AArch64：引入了一套新的指令集“A64”專門用于64位處理 AArch32：兼容現(xiàn)有的32位ARM指令集 ARMv8架構(gòu)支持三個(gè)主要指令集
A32(或 ARM)：32 位固定長(zhǎng)度指令集
T32(Thumb)：以 16 位固定長(zhǎng)度指令集的形式引入，在引入 Thumb-2 技術(shù)時(shí)增強(qiáng)為 16 位和 32 位混合長(zhǎng)度
A64：提供與 ARM 和 Thumb 指令集類似功能的64位固定長(zhǎng)度指令集(3)ARM處理器運(yùn)行模式
? 用戶模式(usr)：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。? 快速中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理 ? 外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理。? 管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。
? 數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。
? 系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。
? 未定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。
運(yùn)行模式可通過(guò)軟件改變，也可通過(guò)外部中斷或異常處理改變。用戶模式之外的模式稱為非用戶模式或特權(quán)模式。除用戶模式和系統(tǒng)模式之外的5種稱為異常模式，常用于處理中斷和異常、訪問受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。
2.5 ARM體系的異常處理
(1)ARM體系中3種控制程序執(zhí)行流程的方式： ? 順序執(zhí)行 ? 跳轉(zhuǎn)分支指令
? 異常中斷：處理器暫時(shí)中斷當(dāng)前數(shù)據(jù)流的現(xiàn)象。(2)對(duì)異常的響應(yīng)。ARM處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后： ? 進(jìn)入與特定的異常相應(yīng)的操作模式；
? 將引起異常指令的下一條指令的地址保存到新模式的R14中；
? 將CSPR原值保存到新模式的SPSR中；
? 通過(guò)設(shè)置CSPR的第7位來(lái)禁止IRQ。如果為FIQ中斷，則還要設(shè)置CSPR的第6位來(lái)禁止FIQ；
? 給PC強(qiáng)制賦向量地址值。(3)中斷向量表
指定了異常中斷及其處理程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它通常存放在存儲(chǔ)地址的低端。
大小為32字節(jié)，其中每個(gè)異常中斷占據(jù)4字節(jié)空間，用于存放一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令或者一個(gè)向PC寄存器中賦值的指令。
(4)異常優(yōu)先級(jí)：當(dāng)幾個(gè)異常中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，就必須按照一定的次序來(lái)處理這些異常中斷。(5)從異常返回
將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)偏移量后送到PC中； 將SPSR復(fù)制回CPSR中；
若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，則要清除。通過(guò)普通指令控制PC返回
軟件中斷的返回指令 MOVS R15, R14;將鏈接寄存器內(nèi)容移入PC并轉(zhuǎn)換模式 IRQ，F(xiàn)IQ和預(yù)取異常終止中斷的返回指令 SUBS R15, R14, #4 數(shù)據(jù)終止異常的返回指令 SUBS R15, R14, #8;異常在導(dǎo)致異常的指令的下一條指令后產(chǎn)生
2.6 ARM內(nèi)部寄存器
(1)寄存器結(jié)構(gòu)
32位ARM有31個(gè)32位通用寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。通用寄存器可用來(lái)保存數(shù)據(jù)和地址信息，用R為前綴加寄存器序號(hào)表示
15個(gè)通用寄存器（R0~R14）、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器及程序計(jì)數(shù)器可在任意時(shí)間和處理器模式下被訪問，有些處理器模式擁有自身獨(dú)立的寄存器
(2)通用寄存器
分成三類：
R0~R7：未分組寄存器。每個(gè)未分組寄存器在所有的處理器模式下都表示同一個(gè)物理寄存器。R8~R14：分組寄存器。每個(gè)分組寄存器與一個(gè)用戶模式的寄存器對(duì)應(yīng)。R15：程序計(jì)數(shù)器PC。
分組寄存器R8~R14可分為兩組：
R8~R12：每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩組不同的物理寄存器，一組是FIQ模式下的，記為R8_fiq~R12_fiq, 另一組是除FIQ模式外的：R8_usr~R12_usr。
R13~R14：分別對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器。用戶模式和系統(tǒng)模式共用一個(gè)寄存器，另外5個(gè)對(duì)應(yīng)其余5種。
R13 _
R13：被稱為堆棧指針SP，但沒有任何指令強(qiáng)制性使用R13作為堆棧指針
R14又被稱為鏈接寄存器LR(Link Register)。當(dāng)調(diào)用子程序時(shí)，返回地址被自動(dòng)保存到R14。由于ARM采用了多級(jí)流水線技術(shù)，所以當(dāng)正常讀取PC值時(shí)，該值為當(dāng)前指令地址值加8，或是加12。
2.7 ARM體系的存儲(chǔ)系統(tǒng)
(1)地址空間
將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合 0-3字節(jié)：第1個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù) 4-7字節(jié)：第1個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù) 依次排列(2)存儲(chǔ)器格式 大端格式
小端格式
(3)存儲(chǔ)器訪問對(duì)準(zhǔn)
無(wú)論取指還是內(nèi)存訪問都以字、半字或字節(jié)對(duì)準(zhǔn)訪問 a)非對(duì)齊的指令預(yù)取操作
ARM狀態(tài)：將一個(gè)非對(duì)齊地址寫入PC，數(shù)據(jù)的第0位和第1位被忽略，PC的bit[1:0]為0 Thumb狀態(tài)：數(shù)據(jù)的第0位被忽略，PC的bit[0]為0 b)非對(duì)齊地址內(nèi)存的訪問操作（LOAD/STORE操作）
執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知
忽略字單元地址低兩位的值，半字單元最低位的值（分別對(duì)應(yīng)訪問字和半字）
在LDR和SWP指令中，對(duì)存儲(chǔ)器訪問忽略造成地址不對(duì)齊的低地址位，然后使用這些低地址位控制裝載數(shù)據(jù)的循環(huán) ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)有一定的了解。教學(xué)重點(diǎn)：ARM指令系統(tǒng)。
教學(xué)難點(diǎn)：ARM程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)間：4課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容
3.1 ARM尋址方式
(1)尋址方式
處理器根據(jù)指令中給出的地址信息尋找物理地址的方式。尋找操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式。
(2)立即尋址
也叫立即數(shù)尋址，操作數(shù)本身在指令中給出，該操作數(shù)被稱為立即數(shù)。例如： ADD R0, R0, #1;R0?R0+1 立即數(shù)須以“#”為前綴，對(duì)于十六進(jìn)制表示的立即數(shù)，還需在“#”后加上“0x”或“&”。(3)寄存器尋址
操作數(shù)存在寄存器中。例如： ADD R0, R1, R2;R0?R1+R2(4)寄存器間接尋址
以寄存器的值作為操作數(shù)地址。例如： ADD R0, R1, [R2]
;R0 ? R1+[R2](5)基址變址尋址
a)基址加偏移的尋址方式
將寄存器內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，得到操作數(shù)的有效地址。如： LDR R0, [R1, #4];R0 ? [R1+4]
前變址：基址加變址作為操作數(shù)地址。
后變址：基址作為操作數(shù)的地址，傳送后自動(dòng)更新基址寄存器的值。
b)基址加索引的尋址方式
將基址寄存器的值與索引寄存器的值相加，形成操作數(shù)的有效地址。例如： LDR R0, [R1, R2]
;R0 ? [R1+R2] c)多寄存器尋址
一條指令可完成多個(gè)（最多16個(gè)）寄存器值的傳送。例如：
LDMIA R0, {R1, R2, R4};R1 ? [R0] 22
;R2 ? [R0+4];R4 ? [R0+8](6)寄存器移位尋址
操作數(shù)為寄存器中數(shù)做相應(yīng)的移位而得到 例如：
ARM中的移位或循環(huán)移位操作： ? LSL：邏輯左移（Logical Shift Left）? LSR：邏輯右移（Logical Shift Right）ADD
R0, R1, R2, LSL #3;R0?R1+8×R2 ? ASR：算術(shù)右移（Arithmetic Shift Right）。移位過(guò)程中保持符號(hào)位不變，若源操作數(shù)為正數(shù)，則字的高端空出的位補(bǔ)0。若源操作數(shù)為負(fù)數(shù)，則字的高端空出的位補(bǔ)1。
? ROR：循環(huán)右移（Rotate Right）。從字的最低端移出的位依次填入字的高端空出的位。? RRX：擴(kuò)展的循環(huán)右移（Rotate Right Extended）。操作數(shù)向右移一位，左側(cè)空位由狀態(tài)寄存器C位填充。當(dāng)移位的類型為RRX時(shí)，無(wú)需指定移位的位數(shù)，其它的則須指定移位的位數(shù)。(7)相對(duì)尋址
以PC當(dāng)前值作為基地址，指令中的地址標(biāo)號(hào)作為位移量，兩者相加后得到操作數(shù)的有效地址。例如：
BL
NEXT
MOV ??
PC, LR
;從子程序返回 NEXT
;跳轉(zhuǎn)至子程序 NEXT ??
(8)堆棧尋址
a)堆棧：按先進(jìn)后出(FILO)的方式工作，使用堆棧指針(Stack Pointer, SP)指示當(dāng)前操作位置。b)根據(jù)棧指針的指向位置可將堆棧分為
? 滿堆棧：SP指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)。? 空堆棧：SP指向下個(gè)將放入數(shù)據(jù)空位置
c)根據(jù)堆棧的生成方式可將堆棧分為
? 遞增堆棧(Ascending Stack)：堆棧由低地址向高地址生成。
? 遞減堆棧(Descending Stack)：由高地址向低地址生成。d)ARM支持四種類型堆棧工作方式
滿遞增堆棧：SP指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生成。滿遞減堆棧：SP指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生產(chǎn)。
空遞增堆棧：SP指向下個(gè)將放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生成。空遞減堆棧：SP指向下個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生成。
3.2 ARM指令集
(1)ARM指令集分類 加載/存儲(chǔ)指令
數(shù)據(jù)處理指令 分支指令
狀態(tài)寄存器訪問指令 異常/中斷指令 協(xié)處理器指令(2)ARM指令的特點(diǎn) 所有指令都是32bit；
大多數(shù)指令都在單周期內(nèi)完成； 所有指令都可以條件執(zhí)行； load/store體系結(jié)構(gòu)；
指令集可以通過(guò)協(xié)處理器擴(kuò)展。(3)ARM指令的格式
(4)ARM指令的條件執(zhí)行
所有ARM指令都可包含一個(gè)可選的條件碼，只有當(dāng)CPSR中條件標(biāo)志位滿足指定條件時(shí)，指令才會(huì)被執(zhí)行。否則以NOP指令通過(guò)流水線。
(5)加載/存儲(chǔ)指令
Load：將內(nèi)存中數(shù)據(jù)裝載到寄存器 Store：將寄存器中的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存 a)單寄存器傳輸指令
LABEL：相對(duì)PC的尋址方式。編譯器在匯編時(shí)，會(huì)將標(biāo)號(hào)LABEL匯編成PC的偏移量存入該指令的立即數(shù)字段。
B: Byte；S: Sign；H: Half LDR/STR：讀/寫一個(gè)32bit字到/從一個(gè)32位寄存器，要求讀/寫地址字對(duì)齊。LDRB：內(nèi)存8bit字節(jié)?32bit寄存器；不要求地址對(duì)齊，寄存器高24位清零。STRB：寄存器低8位?內(nèi)存的某個(gè)地址；不要求地址對(duì)齊。
LDRH：16bit半字? 32bit寄存器；要求地址半字對(duì)齊，寄存器的高16bit清零。STRH：寄存器低16bit?內(nèi)存；要求地址半字對(duì)齊。
LDRSH：有符號(hào)16bit半字?32bit寄存器中；要求地址半字對(duì)齊，寄存器高16bit根據(jù)符號(hào)位擴(kuò)展。
LDRSB：有符號(hào)8bit字節(jié)?32bit寄存器中；不要求地址對(duì)齊，寄存器高24bit根據(jù)符號(hào)位擴(kuò)展。
“數(shù)據(jù)”一列指的是這條指令所訪問的存儲(chǔ)單元
“基址寄存器”一列的內(nèi)容是指執(zhí)行指令之后“基址寄存器”的內(nèi)容 b)多寄存器傳輸指令
!：表示執(zhí)行完操作后將變化之后的地址值寫入基址寄存器
^：對(duì)于LDM操作，如恢復(fù)的寄存器中含有PC(R15)寄存器，則指令執(zhí)行的同時(shí)CPU自動(dòng)將SPSR拷貝到CPSR中，例如：
LDMFD {R0-R12, LR, PC}^ 數(shù)據(jù)的傳送發(fā)生在User用戶模式下的寄存器，而非當(dāng)前模式寄存器，例如：
LDMDB SP, {R0-LR}^ 例如：
STMIA R0!, {R1-R5};以R0為地址指針，將R1-R5保存到內(nèi)存，指針向上移動(dòng)
c)交換指令
SWP {B} {
SWP R1, R2, [R3];R1?[R3] ,[R3]? R2 SWP R1, R1, [R2];R1與[R2]內(nèi)容互換(6)數(shù)據(jù)處理指令
a)數(shù)據(jù)傳送指令
MOV {cond} {S} Rd, Operand 例如： MOV R1, R0 MOVEQ PC, R14
;將R14值傳到PC b)數(shù)據(jù)取反傳送指令 MVN {cond} {S} Rd, Operand 例如：
MVN R1, #2;將立即數(shù)2取反送至R1 c)算術(shù)運(yùn)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;帶進(jìn)位加第二字
R2, R6, R10;帶進(jìn)位加第三字 R3, R7, R11;帶進(jìn)位加第四字
可實(shí)現(xiàn) 128位加法 SUB：減法指令
SUB {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 SBC：帶借位減法指令
SBC {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 例：SBCS R0, R1, R2;R0=R1–R2–C RSB：反向減法指令
RSB {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 操作數(shù)2減去操作數(shù)1，例如： RSB R0, R1, R2;R0 = R2 – R1 RSC：帶借位的逆向減法指令 RSC {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 d)邏輯運(yùn)算指令 AND：與
AND {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 ORR：或
ORR {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 EOR：異或
EOR {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 e)比較指令 CMP CMP {cond} Operand1, Operand2 CMN：反值比較 CMN {cond} Operand1, Operand2 將第一個(gè)數(shù)與第二個(gè)數(shù)的反值進(jìn)行比較，相當(dāng)于完成兩個(gè)數(shù)相加。例如： CMN R1, R0;R1+R0，并設(shè)置CPSR f)測(cè)試指令 TST TST {cond} Operand1, Operand2
把兩個(gè)操作數(shù)按位進(jìn)行與運(yùn)算，根據(jù)結(jié)果更新CPSR。
TEQ TEQ {cond} Operand1, Operand2 把兩個(gè)操作數(shù)按位進(jìn)行異或運(yùn)算，根據(jù)結(jié)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位無(wú)符號(hào)數(shù)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位無(wú)符號(hào)數(shù)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位有符號(hào)數(shù)乘法指令 SMULL {cond} {S} Rn_L, Rn_H, Operand1, Operand2 Rd_H:Rd_L? Operand1×Operand2 SMLAL： 64位有符號(hào)數(shù)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(帶鏈接分支指令)B {cond} LABEL BL {cond} LABEL
允許向前或向后跳轉(zhuǎn)最高32MB。
BL：帶返回的分支指令，用于調(diào)用一個(gè)將其返回地址存入鏈接寄存器的函數(shù)。例如：
SUBPRG BL …… SUBPRG ??;<子程序代碼> MOV PC, LR;返回
b)BX(分支并可選地交換指令集)和BLX(帶鏈接分支并可選地交換指令集)BX {cond} Rm BLX {cond} LABEL | Rm Rm：轉(zhuǎn)移地址，bit[0]為0時(shí)，目標(biāo)地址處為ARM指令，否則為Thumb指令。BX 和 BLX是唯一可使用的切換指令集的方法。
BX 和 BLX指令執(zhí)行與B和BL指令相同的分支操作，并可從ARM指令集切換到THUMB指令集。
c)長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)
通過(guò)向PC寄存器中寫目標(biāo)地址值，可實(shí)現(xiàn)在4GB地址空間中進(jìn)行任意跳轉(zhuǎn)。例如： MOV MOV LR, PC;保存返回地址
R15, #0x00110000;無(wú)條件轉(zhuǎn)向0x110000(8)狀態(tài)寄存器訪問指令 a)MRS MRS {
R3, CPSR;CPSR?R3
x：擴(kuò)展域，即PSR[15:8] s：狀態(tài)域，即PSR[23:16] f：標(biāo)志域，即
;設(shè)置所有標(biāo)志位
(9)異常/中斷指令（續(xù)）a)SWI SWI {
SWI 0x01
;調(diào)用編號(hào)為01的系統(tǒng)例程
b)BKPT BKPT <16位立即數(shù)> 產(chǎn)生軟件斷點(diǎn)中斷，可用于程序調(diào)試。例如 BKPT 0xF010(10)協(xié)處理器指令 a)CDP CDP {
CDP P6, 2, C5, C10, C3, 16
;激活協(xié)處理器P6的操作，操作碼1和操作碼2值分別為2和16，目標(biāo)寄存器為C5，源操作數(shù)寄存器為C10和C3 b)MRC和MRC MRC | MCR {
STC：存儲(chǔ)器?協(xié)處理器寄存器 前變址格式
LDC | STC {
LDC | STC {
(1)Thumb指令集的特點(diǎn)
? 是ARM指令集壓縮形式的子集，所有Thumb指令均有對(duì)應(yīng)的ARM指令。? 采用16位二進(jìn)制編碼，代碼密度小。
? 執(zhí)行Thumb指令時(shí)，先動(dòng)態(tài)解壓縮，然后作為標(biāo)準(zhǔn)的ARM指令執(zhí)行。? 如何區(qū)分指令流取決于CPSR的位T。? 大多Thumb數(shù)據(jù)處理指令采用2地址格式。? 移位操作變成單獨(dú)指令。
? 沒有協(xié)處理器指令、單寄存器交換指令、乘加指令、64位乘法指令及程序寄存器處理指令。? 僅分支指令B有條件執(zhí)行功能。
(2)Thumb狀態(tài)切換
a)ARM狀態(tài)進(jìn)入Thumb狀態(tài) 執(zhí)行帶狀態(tài)切換的轉(zhuǎn)移指令BX。例如： BX R0;若R0最低位為1，則轉(zhuǎn)Thumb狀態(tài)
異常返回。通常用于返回到進(jìn)入異常前所執(zhí)行的指令流，而不是特地用于切換到Thumb模式。適用于異常前執(zhí)行的是Thumb指令。
b)Thumb 狀態(tài)進(jìn)入ARM狀態(tài) 執(zhí)行BX指令。
利用異常進(jìn)入ARM指令流。(3)Thumb指令寄存器的使用 ? 對(duì)R0~R7具有全部訪問權(quán)限。
? R8~R12的訪問受到限制，只能通過(guò)MOV、ADD和CMP訪問。
? 在每一種特權(quán)模式下都有一組SP、LR和SPSR，分別對(duì)應(yīng)ARM狀態(tài)的R13、R14和R15。(4)Thumb指令與ARM指令的相似點(diǎn) ? Load/Store結(jié)構(gòu)。
? 支持8位字節(jié)、16位半字和32位字?jǐn)?shù)據(jù)類型。? 半字以2字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)，字以4字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)。(5)Thumb指令與ARM指令差異點(diǎn)
? 跳轉(zhuǎn)指令：條件跳轉(zhuǎn)在范圍上有更多的限制，轉(zhuǎn)向子程序只具有無(wú)條件轉(zhuǎn)移。
? 數(shù)據(jù)處理指令：對(duì)通用寄存器進(jìn)行操作，操作結(jié)果需放入其中一個(gè)操作數(shù)寄存器。因此，許多Thumb指令采用2地址格式，ARM數(shù)據(jù)處理指令大多采用3地址格式。? 單寄存器加載和存儲(chǔ)指令：只能訪問R0~R7。
? PUSH和POP指令使用堆棧指針R13作為基址實(shí)現(xiàn)滿遞減堆棧，除R0~R7外，PUSH指令還可存儲(chǔ)R14，POP指令可加載程序指令PC。
? 大多數(shù)Thumb指令是無(wú)條件執(zhí)行的，所有ARM指令都是條件執(zhí)行的。? 由于采用高密度編碼，Thumb指令格式?jīng)]有ARM指令格式規(guī)則。(6)Thumb分支指令
a)B 指令——目標(biāo)為Thumb代碼 B <條件碼>
B指令是Thumb指令集中唯一可條件執(zhí)行的指令。PC = PC +(SignExtend(signed_immed_8)<< 1)B
3.4 3.5 35
3.6 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程
(1)嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn) a)需要交叉開發(fā)環(huán)境
? 交叉開發(fā)環(huán)境：實(shí)現(xiàn)編譯、鏈接和調(diào)試應(yīng)用程序代碼的環(huán)境，它分散在有通信連接的宿主機(jī)與目標(biāo)環(huán)境之中。
? 宿主機(jī)(Host)是一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)，一般是PC機(jī)。
? 目標(biāo)機(jī)(Target)可以是嵌入式應(yīng)用軟件的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，也可以是能替代實(shí)際環(huán)境的仿真系統(tǒng)。
? 交叉軟件開發(fā)工具包括：交叉編譯器、交叉調(diào)試器和模擬軟件等。b)引入任務(wù)設(shè)計(jì)方法
? 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)以任務(wù)為基本執(zhí)行單元 ? 用多個(gè)并發(fā)的任務(wù)代替通用軟件的多個(gè)模塊 c)需要固化程序 d)軟件開發(fā)難度大
? 實(shí)時(shí)性。
? 穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性。(2)軟硬件平臺(tái)的選擇 選擇處理器需考慮的因素 ? 處理性能 ? 技術(shù)指標(biāo)、功耗
? 軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具 ? 供應(yīng)商是否提供評(píng)估板 軟件平臺(tái)的選擇
? 操作系統(tǒng)。開發(fā)工具，與硬件接口難度，內(nèi)存，是否提供硬件驅(qū)動(dòng)程序，可裁剪性、實(shí)時(shí)性等
? 編程語(yǔ)言。通用性、可移植性、執(zhí)行效率、可維護(hù)性等 ? 集成開發(fā)環(huán)境
(3)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)流程 ? 需求分析 ? 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
? 硬件的設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試 ? 軟件的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試 ? 系統(tǒng)集成
? 系統(tǒng)性能測(cè)試及可靠性測(cè)試
STM32微控制器
教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)STM32的性能指標(biāo)、硬件結(jié)構(gòu)有一定的了解。教學(xué)重點(diǎn)：STM32的硬件結(jié)構(gòu)。教學(xué)難點(diǎn)：STM32的硬件結(jié)構(gòu)。
教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)間：4課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容
4.1 STM32微控制器的性能指標(biāo)
(1)STM32F103的主要功能
? ARM Cortex-M3核 ? 最高主頻72MHz ? 512kB Flash、64kB RAM ? 1個(gè)USB、1個(gè)CAN、5個(gè)USART、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、112個(gè)GPIO
? 3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、8個(gè)定時(shí)器
? FSMC總線（支持NOR，NAND，SRAM）? 12通道DMA控制器
? Serial wire debug(SWD)、JTAG 接口 ? 啟動(dòng)：用戶Flash、系統(tǒng)存儲(chǔ)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個(gè)10M/100M以太網(wǎng)接口 ? 1路音頻輸出和1路音頻輸入 ? 1個(gè)10-pin JTAG調(diào)試接口 ? 1個(gè)4-pin SWD串行調(diào)試接口 ? Reset按鈕、自定義LED，電源LED ? 1個(gè)精密可調(diào)電阻連接到片內(nèi)ADC輸入
? 使用CPLD擴(kuò)展IO口及地址譯碼，型號(hào)EPM240T100C5N ? 板載10/100M網(wǎng)卡控制器，型號(hào)DM9000AEP，16bit總線接口
STM32
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