工学接口实验

1、基于ARM的嵌入式系统概述目 录第1章 嵌入式系统综述1.1嵌入式系统定义1.2嵌入式系统结构及特征1.3嵌入式系统应用1.4嵌入式系统的发展趋势第2章嵌入式微处理器1.1嵌入式微处理器简介目 录2.2ARM微处理器体系结构2.3S3C44B0X芯片简介第3章 嵌入式操作系统综述3.1嵌入式操作系统定义3.2嵌入式操作系统的特点3.3常用的嵌入式操作系统3.4 RTOS选择原则3.5 EOS的体系结构举例目 录3.6嵌入式操作系统的配置3.7内核和应用程序的编译,加载执行3.8驱动程序的开发和配置第4章 基于ARM的嵌入式应用系统开发4.1嵌入式系统开发方法4.2嵌入式系统开发的一般步骤4.3

2、基于ARM的嵌入式系统的设计要点目 录第5章 C/OS-II5.1 C/OS-II简介5.2C/OS-内核结构5.3C/OS-任务管理、时间管理与任务通信与同步第6章 实验内容 6.1 嵌入式系统硬件开发环境 6.2 嵌入式系统软件开发环境 6.3 键盘及LED驱动 6.4 电机转动控制 6.5 D/A接口 6.6 中断实验 6.7 选做实验一、 嵌入式系统综述什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？ IEEE（国际电气和电子工程师协会）定义Embedded System如下： Devices used to control, monitor, or assist the operation of

3、 equipment, machinery or plants”（用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置）国内普遍认同的定义国内普遍认同的定义 “以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统的整体结构嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（1）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。（2）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般

4、要针对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 （3）系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（4）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 （5）嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、

5、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台 嵌入式系统的资源比PC少得多 嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多 嵌入式系统一般采用实时操作系统 嵌入式系统大都有成本、功耗的要求 嵌入式系统得到多种微处理体系的支持 嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统与PC之间的区别典型嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Oth

6、er外设典型嵌入式系统基本组成软件处理器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构嵌入式系统的体系结构举例嵌入式系统主要应用领域军事国防领域 民用电子装备及机电一体化设备 家用电器 消费类电子 移动计算设备 网络设备 军事国防军事国防嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制嵌入式系统主要应用领域嵌入式系统应用举例嵌入式系统应用举例PDA 可视电话 机器人 SONY机器狗 嵌入式系统的发展趋势 功能更加复杂化 更加微型化

7、（普遍化） 更加智能化 网络化二、嵌入式微处理器 （ARM）主要内容 嵌入式微处理器简介 ARM微处理器体系结构 S3C44B0X芯片简介（一）嵌入式微处理器简介 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下几个特点： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌

8、入式微处理器。4）嵌入式微处理器必须功耗很。如需要功耗只有mW 甚至W级。 嵌入式微处理器的特点ARM的由来 ARMAdvanced RISC Machines ARM32位RISC结构IP核提供商 ARM7TDMI (试验平台中的S3C44B0 x属于此类体系结构的微处理器） T：支持16为压缩指令集Thumb； D：支持片上Debug； M：内嵌硬件乘法器（Multiplier） I： 嵌入式ICE，支持片上断点和调试点 ARM处理器系列ARM处理器目前包括以下几个系列： ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 Intel的XscaleARM微处理器的

9、应用选型 ARM微处理器内核的选择 系统的工作频率 芯片内存储器的容量 片内外围电路的选择（二） ARM微处理器体系结构主要内容 ARM编程模型 ARM指令系统1、ARM的编程模型ARM指令结构跳转指令-1 跳转指令用于实现程序流程的跳转，在ARM 程序中有两种方法可以实现程序流程的跳转v使用专门的跳转指令v直接向程序计数器PC 写入跳转地址值 通过向程序计数器PC 写入跳转地址值，可以实现在4GB 的地址空间中的任意跳转，在跳转之前结合使用MOV LR，PC; 等类似指令，可以保存将来的返回地址值，从而实现在4GB 连续的线性地址空间的子程序调用ARM指令集中的跳转指令可以完成从当前指令向前

10、或向后的32MB 的地址空间的跳转跳转指令-2包括以下四类指令：B 条件 目标地址 BL 条件 目标地址 跳转之前，会在寄存器R14 中保存PC 的当前内容，因此，可以通过将R14 的内容重新加载到PC 中，来返回到跳转指令之后的那个指令处执行。该指令是实现子程序调用的一个基本但常用的手段 BLX 条件 目标地址 可用于在ARM态和Thumb态之间切换BX 条件 目标地址 注：各类指令的详细说明可参考实验指导书的附录注：各类指令的详细说明可参考实验指导书的附录2 2乘法指令与乘加指令-1 ARM 微处理器支持的乘法指令与乘加指令共有6 条，可分为运算结果为32 位和运算结果为64 位两类 与前

11、面的数据处理指令不同，指令中的所有操作数、目的寄存器必须为通用寄存器，不能对操作数使用立即数或被移位的寄存器，同时，目的寄存器和操作数1 必须是不同的寄存器。 乘法指令与乘加指令-2一共有6条： MUL条件S 目的寄存器，操作数1，操作数2 MLA条件S 目的寄存器，操作数1，操作数2，操作数3 SMULL条件S 目的寄存器Low，目的寄存器低High，操作数1，操作数2 SMLAL条件S 目的寄存器Low，目的寄存器低High，操作数1，操作数2 UMULL条件S 目的寄存器Low，目的寄存器低High，操作数1，操作数2 UMLAL条件S 目的寄存器Low，目的寄存器低High，操作数1，

12、操作数2 程序状态寄存器访问指令一共两条指令： MRS条件 通用寄存器，程序状态寄存器（CPSR 或SPSR） MSR条件 程序状态寄存器（CPSR 或SPSR）_，操作数 加载/存储指令 -1 ARM 微处理器支持加载/存储指令用于在寄存器和存储器之间传送数据 加载指令用于将存储器中的数据传送到寄存器，存储指令则完成相反的操作加载/存储指令 -2常用的加载与存储指令有以下6条： LDR条件 目的寄存器， LDR条件B 目的寄存器， LDR条件H 目的寄存器， STR条件 源寄存器， STR条件B 源寄存器， STR条件H 源寄存器， 批量数据加载/存储指令 -1 ARM 微处理器所支持批量数

13、据加载/存储指令可以一次在一片连续的存储器单元和多个寄存器之间传送数据 批量加载指令用于将一片连续的存储器中的数据传送到多个寄存器，批量数据存储指令则完成相反的操作 批量数据加载/存储指令 -2 常用的有两条指令： LDM 条件类型 基址寄存器！，寄存器列表 STM 条件类型 基址寄存器！，寄存器列表。其中类型包括： vIA： 每次传送后地址加1 vIB 每次传送前地址加1 vDA 每次传送后地址减1vDB 每次传送前地址减1vFD 满递减堆栈；vED 空递减堆栈；vFA 满递增堆栈；vEA 空递增堆栈； 数据交换指令 有两条指令： SWP条件 目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2 SWP条件B

14、 目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2 移位指令共有5条移位指令： 通用寄存器，LSL（或ASL） 操作数 通用寄存器，LSR 操作数 通用寄存器，ASR 操作数 通用寄存器，ROR 操作数 通用寄存器，RRX 操作数 协处理器指令 共有5条指令： CDP条件 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理器操作码2 LDC条件L 协处理器编码,目的寄存器，源寄存器 STC条件L 协处理器编码,源寄存器，目的寄存器 MCR条件 协处理器编码，协处理器操作码1，源寄存器，目的寄存器1，目的寄存器2，协处理器操作码2 MRC条件 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器

15、，源寄存器1，源寄存器2，协处理器操作码2 异常产生指令 共有两条指令： SWI条件 24 位的立即数 BKPT 16 位的立即数 ARM汇编器支持的伪指令 符号定义（Symbol Definition）伪指令 数据定义（Data Definition）伪指令 汇编控制（Assembly Control）伪指令 其他常用的伪指令 注：详细指令说明请参考实验指导书附录注：详细指令说明请参考实验指导书附录2 2 AREA HelloW,CODE,READONLY ;声明代码区SWI_WriteC EQU &0 ；输出r0中的字符SWI_Exit EQU &11 ；程序结束 ENTR

16、Y ；代码入口START ADR r1,TEXT ；r1-“Hello World”LOOP LDRB r0,r1,#1 ;读取下一字节 CMP r0,#0 ；检查文本终点 SWINE SWI_WriteC ；若非终点，则打印 BNE LOOP ；并返回LOOP SWI SWI_Exit ；执行结束TEXT = “Hello World”,&0a,&0d,0 END ；程序结束Example:Hello ARM World!（三）S3C44B0X简介S3C44B0XS3C44B0X微处理器体系结构框图微处理器体系结构框图三、嵌入式操作系统综述嵌入式操作系统（EOS, Embed

17、ded Operating System），负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。 EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点： 嵌入式操作系统定义嵌入式操作系统的特点-1 可装卸性: 开放性、可伸缩性的体系结构。 较强的实时性:EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 统一的接口:提供各种设备驱动接口。 操作方便、简单、友好的GUI: 对于人机交互频繁的设备尤为重要。 提供强大的网络功能：支持TCP/IP

18、、USB协议及其它协议，提供与外界信息交互的强大手段。 强稳定性，弱交互性：嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。 固化代码：在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中，辅助存储器在嵌入式系统中很少使用。 更好的硬件适应性：能够支持多种处理器架构，具有良好的移植性。 嵌入式操作系统的特点-2 常用的嵌入式操作系统：Linux（uCLinux）Windows CEVxWorksPalm OSuC/OSIIRT LinuxQNX嵌入式Linux 的特点： 精简的内核，性能高、稳定，良好的多任务支持； 适用于不同的C

19、PU：支持多种体系结构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。 支持嵌入式GUI：能够提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。 支持多种嵌入式应用：提供嵌入式浏览器、邮件程序、MP3播放器、MPEG播放器、记事本等多种应用。 用户可定制、裁减：可提供图形化的定制和配置工具。 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富； 强大的技术支持，完整的文档； 开放源码，丰富的软件资源：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广。 uCLinuxuCLinux操作系统 从linux移植而来，复杂但功能全 完全免费使用，提供全部源代码 支持多种CPU 使用GNU工具链开发，提供通

20、用的linux API 有完备的设备驱动程序和应用模块（可从linux中移植） 使用直接物理内存访问方式，支持无MMU的微处理器，如ARM7TDMI系列MPU。 完整的TCP/IP协议栈 需要较多的系统资源，内核R0 BIC R0,R0,#MODEMASK;MODEMASK=0 x1F,清除R0的低5位（模式位） ORR R1,R0,#IRQMODE ;IRQMODE =0 x12 MSR CPSR_c,R1 ;切换到IRQ模式 LDR SP,=IRQStack ;IRQStack对应具体存储空间。 BIC R0,R0,#MODEMASK;MODEMASK=0 x1F,清 除R0的低5位（模式

21、位） ORR R1,R0,#FIQMODE ;IRQMODE =0 x11 MSR CPSR_c,R1 ;切换到IRQ模式 LDR SP,=FIQStack ;FIQStack对应具体存储空间 . 初始化堆栈-2初始化有特殊要求的端口、设备及应用程序的运行环境 该部分的初始化由具体的系统和用户需求决定，一般的外设初始化可放在系统初始化以后进行。 比较典型的应用是驱动一些简单的输出设备，如LED等，用来指示系统启动的进程和状态。 初始化应用程序的运行环境，就是完成必要的从ROM到RAM的数据传输。 各处理器模式的初始化 微处理器支持7 种： User、FIQ、IRQ、Supervisor、Abo

22、rt、Undef、System 调用主应用程序当完成所有的系统初始化工作之后，就需要把程序流程转入主应用程序。最常见的操作是： IMPORT C_Entry B C_Entry异常处理程序的设计-1异常（中断）是用户程序的一种基本执行流程，ARM微处理器架构共支持7种类型的异常，按优先级由高到低排列如下： Reset ；0 x0 Data Abort；0 x10 FIQ；0 x1C IRQ；0 x18 PreAbort；0 x0C SWI；0 x08 Undef；0 x04 其中，FIQ和IRQ与我们通常所说的中断相似，但对于一个特定的系统来说，中断源可能有很多，以此，在多数情况下需要用软件来

23、处理异常分支。 当异常发生时，ARM内核完成如下动作： 拷贝CPSR到SPSR_ 设置适当的CPSR位（ARM状态位、相应的模式位、禁止中断使能位） 更新LR_ 设置PC为相应的异常向量 异常处理程序的设计-2进入异常后软件的任务：进入异常后软件的任务： 保护现场 清除对应的中断状态标识，表明该中断请求已得到响应。 根据中断源标识，分别进行处理 IRQ中断处理程序结构示例中断处理程序结构示例IRQ_Handler: switch(int_sourse) case 1: case 2: 异常处理程序的设计-3从异常返回：从异常返回： 恢复现场 恢复状态寄存器 恢复PC指针 程序示例：程序示例：I

24、RQ_Handler STMFDSP!,R0-R12,LR；保护现场 BLIrqHandler；进入处理函数 LDMFDSP!,R0-R12,LR；恢复现场 SUBSPC,LR,#4；中断返回 异常处理程序的设计-4五、 C/OS-II主要内容 C/OS-II简介 C/OS-内核结构 C/OS-任务管理、时间管理与任务通信与同步（一） C/OS-II简介 C/OSC/OS的由来的由来1、 C/OSMicro Controller O S，微控制器操作系统2、 C/OS简介 美国人Jean Labrosse 1992年完成 应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路

25、电话系统、自动提款机等 1998年C/OS-II，目前的版本C/OS -II V2.61 2000年，得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用于飞行器中 网站www.ucos-II.com（) C/OS-II的特点-1源代码公开，且清晰易读：uC/OSII V2.0的源代码约为5500行，完全公开、且结构协调，清晰易读，注释详尽。 可移植性（Portable）：uC/OSII 源代码绝大部分用移植性很强的ANSI C写成，与微处理器硬件相关的汇编代码已压缩到最低程度以便uC/OSII 在其他微处理器上的移植。uC/OSII 可以在绝大多数8位、16位、32位以至64位微处理器、微控制器及DS

26、P上运行。 可固化、可裁减（ROMable、Scalable）：uC/OSII 源代码可编译成二进制代码固化到系统的ROM中运行，同时，用户可以只使用所需要的服务。可裁减靠条件编译实现。 C/OS-II的特点-2可剥夺性（Preemptive）：uC/OSII 是完全可剥夺型的实时内核，即uC/OSII总是运行就绪条件下优先级最高的任务。 多任务（Multi-task）：uC/OSII可以支持64个任务的运行，但系统保留8个，因此，用户应用程序最多可以有56个任务，且赋予每个任务的优先级应各不相同。uC/OSII不支持时间片轮转调度（Round-robin scheduling），该调度法适合

27、于优先级平等的任务。 稳定性和可靠性：uC/OSII 源代码稳定性和可靠性，已经过数百个商业应用证明。同时，FAA的认证表明，uC/OSII具有足够的安全性和可靠性。 C/OS-IIC/OS-II提供的系统服务提供的系统服务 信号量 带互斥机制的信号量v减少优先级倒置的问题 事件标志 消息信箱 消息队列 内存管理 时钟管理 任务管理（二） C/OS-内核结构 内核（core） 任务管理（task） 时间管理（time） 任务之间通信与同步（消息队列Q、邮箱MBOX与信号量SEM） 内存管理（Mem） C/OSII的移植相关的模块（CPU）注：对注：对 C/OSIIC/OSII有兴趣的同学，可找

28、老师拷贝邵贝贝翻有兴趣的同学，可找老师拷贝邵贝贝翻译的电子版译的电子版 C/OSIIC/OSII译著译著任务任务tasktask典型的任务一个无限循环。void mytask(void *pdata) for (;) do something; waiting; do something; C/OS II 2.5版本支持64个任务，每个任务一个特定的优先级。优先级越高，数字越小。系统占用了8个任务，保留优先级为0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO-3、 OS_LOWEST_PRIO-2、 OS_LOWEST_PRIO-1、 OS_LOWEST_PRIO-0。void OSTaskIdl

29、e (void *pdata) pdata = pdata; for (;) OS_ENTER_CRITICAL(); OSIdleCtr+; OS_EXIT_CRITICAL(); 任务状态任务状态任任务控制块（务控制块（TCBTCB） 任务控制块 OS_TCB是一个数据结构，保存该任务的相关参数，包括任务堆栈指针，状态，优先级，任务表位置，任务链表指针等。 所有的任务控制块分为两条链表，空闲链表和使用链表。任务级的任务调度任务级的任务调度-OSSched-OSSched C/OS是占先式实时多任务内核，优先级最高的任务一旦准备就绪，则拥有CPU的所有权开始投入运行。 C/OS中不支持时间片

30、轮转法，每个任务的优先级要求不一样且是唯一的，所以任务调度的工作就是：查找准备就绪的最高优先级的任务并进行上下文切换。 C/OS任务调度所花的时间为常数，与应用程序中建立的任务数无关。l中断：由于某种事件的发生，而导致程序流程的改变。产生中断的事件称为中断源。lCPUCPU响应中断的条件：n至少有一个中断源向CPU发出中断信号；n系统允许中断，且对此中断信号未予屏蔽l中断类型：n硬件中断 n外部中断n陷井中断n现场控制量的中断l首先调用系统初始化函数OSIint()。OSIint()初始化C/OS-所有的变量和数据结构（见OS_CORE.C）。lOSInit()建立空闲任务idle task，

31、这个任务总是处于就绪态的。空闲任务OSTaskIdle（）的优先级总是设成最低，即OS_LOWEST_PRIO。l如果统计任务允许OS_TASK_STAT_EN和任务建立扩展允许都设为1，则OSInit()还得建立统计任务OSTaskStat()并且让其进入就绪态。OSTaskStat的优先级总是设为OS_LOWEST_PRIO-1 l空闲和统计任务的任务控制块（OS_TCBs）是用双向链表链接在一起的。OSTCBList指向这个链表的起始处。当建立一个任务时，这个任务总是被放在这个链表的起始处。（三） C/OS-任务管理、时间管理、任务通信与同步与移植 C/OS-IIC/OS-II图书图书由

32、于时间关系，此部分内容有兴趣的同学请参考邵贝贝翻译的uC/OSII译著，我们可以提供该书的电子版。声明：我们提供的电子版书籍不是公开发表的内容，声明：我们提供的电子版书籍不是公开发表的内容，仅供同学们个人学习使用，如果涉及到其他涉及版仅供同学们个人学习使用，如果涉及到其他涉及版权和法律的问题，后果自负！权和法律的问题，后果自负！EnglishChinese北京航空航天大学出版社六、 实验内容6.1 嵌入式系统硬件开发环境 熟悉UP-net3000实验平台的核心硬件电路和外设 ARM JTAG的安装与使用 通过操作系统自带的通讯软件超级终端，检验各个外设的工作状态要求：通过本次课程对各个外设的了

33、解，为今后各个接口实验打下基础6.2 嵌入式系统软件开发环境 嵌入式系统开发流程概述 ADS 1.2开发环境使用 AXD Debugger使用方法 Hello World！最小系统。6.3 键盘及LED驱动 熟悉ZLG7289芯片的内部结构 掌握用ZLG7289驱动键盘和LED的方法 掌握ARM汇编语言和C语言的编程方法 用上述两种语言分别编写出一段程序，要求能在LED上显示出小键盘上按下的4位数字注：注意消除键盘按键带来的抖动6.4 电机转动控制 l熟悉ARM自带的六路（三对）PWMl了解直流电机和步进电机的工作原理l熟悉ARM自带的A / D转换器的工作原理及编程方法l利用A/D转换器实现

34、对直流电机和步进电机的控制l利用实验设备上自带的小键盘实现A/D转换器对两个电机控制的切换6.5 D/A接口 掌握D/A转换原理 掌握MAX504 D/A转换芯片的使用方法 利用MAX504芯片，实现方波、三角波、正弦波，并输出到示波器中检验 要求用实验平台上的小键盘实现三种波形的切换注：程序如果设计不当，会出现梯形波或其它不正确形式的波形。6.6 中断实验 l学习掌握S3C44B0上定时器中断应用l学习掌握S3C44B0上中断的应用方法l综合前面实验中所用到的各种外设，编写出单一的中断应用l编写出多个不同优先级中断应用嵌套的应用系统6.7 选做实验 A/D接口 掌握A/D原理及嵌入式系统编程实现方法 LCD驱动 掌握LCD原理及显示驱动嵌入式系统编程实现方法 USB接口 掌握USB接口原理及嵌入式系统编程实现方法 网络接口 掌握网络接口原理及嵌入式网络编程方法谢谢！谢谢！RTOSRTOS选择原则 内核要求的最小存储器