S01第1讲嵌入式系统及Cortex-M4简介D5

单片机（嵌入式微控制器）

原理与实验厦门大学信息科学与技术学院实验教学中心单片机与嵌入式实验室胡晓毅（教授级高级工程师）解永军（高级工程师）助教：陈杨教：沈舒讲知识点：课程情况嵌入式系统概述嵌入系统的组成嵌入式微控制器的相关概念嵌入式系统的软件开发ARM微处理器Cortex-M4处理器介绍2单片机与嵌入式实验室S305课程性质目的任务是以实践为主的技术类课程，有很强的工程应用背景ARM公司的Cortex-M4是专门针对嵌入式应用开发的32位处理器内核，具有高效的控制和信号处理功能本课程以TI公司基于Cortex-M4架构的TM4C123单片机为例，主要讲授单片机的结构原理、程序设计方法和硬件接口方法，介绍单片机系统的开发和调试方法通过学习该课程可以掌握单片机软件编程和硬件电路的调试方法；建立单片机应用系统设计的概念；为通信电子系统的智能化和数字化设计打下坚实的基础单片机与嵌入式实验室S3053教学基本要求实验硬件平台：德州仪器（TI）Cortex-M4F的32位单片机TM4C123学习内容：学习现代微控制器的体系结构；熟练微控制器的编程和调试方法；掌握工作模式及硬件接口扩展方法等基础知识；学会单片机的I/O端口、中断系统、定时/计数器、A/D模块、I2C模块、SPI模块等的使用方法；掌握单片机与外部液晶模块、UART、Ｄ/Ａ、温度传感器、光照传感器等的接口控制方法单片机与嵌入式实验室S3054课程学习与考核前修课程电子线路；数字电子技术基础；C语言程序设计；软件技术基础课程教材、参考书教材：《嵌入式系统教程——基于TivaC系列ARMCortex-M4微控制器》北京航空航天大学出版社，2015年5月参考书：《TM4C123微处理器原理与实践》清华大学出版社，2014年1月考试形式：实验考试平时成绩（20%）平时实验成绩（40%）期末实验成绩（40%）实践能力！单片机与嵌入式实验室S3055关于课程资料课件ppt、实验资料、实验报告等登陆点“信息科学与技术学院”，找到“单片机原理与实验（通信系2013级）”课程加入班级码：tm4c123用到的软件等工具

ftp://tm4c:tm4c@单片机与嵌入式实验室S3056单片机与嵌入式实验室S3057嵌入式系统概述嵌入式系统(embeddedsystem)

定义以应用为中心、计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统特点：是一种专用的计算机系统：性能、功能应用差异性大是装置或设备的一部分多任务，实时性好很强的存储区保护能力低功率消耗：毫瓦或微瓦小尺寸低成本完善的开发工具，便于快速开发应用单片机与嵌入式实验室S3058嵌入式系统示例：ADSL/Router4微处理器6RAM7flash单片机与嵌入式实验室S30591966年由MIT仪器实验室开发完成：ApolloGuidanceComputerIntel4004单片机与嵌入式实验室S30510第一台嵌入式系统嵌入式系统产品单片机与嵌入式实验室S30511单片机（微控制器）的一些应用单片机与嵌入式实验室S30512单片机（微控制器）的一些应用单片机与嵌入式实验室S30513嵌入式系统的组成嵌入式系统的硬件核心芯片：嵌入式处理器存储器系统外部接口嵌入式系统的软件嵌入式操作系统应用软件嵌入式系统的开发工具和开发系统语言编译器连接定位器调试器单片机与嵌入式实验室S30514嵌入式系统的组成——嵌入式处理器不同型号，不同体系，存储器容量不同，速度不同嵌入式微处理器MPU:（MicroProcessingUnit）主频>500MHz，大容量存储，完整的操作系统，如：ARMCortex-A，MIPS,X86嵌入式控制器MCU（MicroControllerUnit）：主频:8～200MHz，几百KB的容量存储，有RTOS或无操作系统。如：ARMCortex-M、AVR、PIC、MSP430、MCS51等嵌入式DSP（DigitalSignalProcessing）：专用信号处理器，乘累加功能，音视频编解码，马达控制等嵌入式片上系统SOC（SystemOnChip）：转为某些应用定制的，将微处理器和某些外设结合在一起。Wifi，Bluetooth单片机与嵌入式实验室S30515微处理器是指功能较强大的CPU，通常电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机嵌入式系统的组成——嵌入式处理器16单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的组成——嵌入式处理器常见的有ARM微处理器（如SamSungS3C2410，FreescaleM21/M31等），Intel的80x86系列，Motorola的68K系列、PowerPC系列等17单片机与嵌入式实验室S305Intel80486Intel80486芯片内核Theprototypeof68kSingleBoardComputer嵌入式系统的组成——嵌入式处理器常见的有ARM微处理器（如SamSungS3C2410，FreescaleM21/M31等），Intel的80x86系列，Motorola的68K系列、PowerPC系列等18单片机与嵌入式实验室S305Motorola-XPC603PRX180LEMotorola-XPC603FE75-2B嵌入式处理器单片机与嵌入式实验室S30519嵌入式系统的组成——嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机，是将整个计算机系统集成到一块芯片中嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash等各种功能和外设20单片机与嵌入式实验室S305经典系列MCS-51（Intel，8051）PIC（Microchip，8位、16位、32位全系列）MSP430（TI，16位，超低功耗）AVR/AT89S51（Atmel，8位）68HCxx（Motorola，8位）飞思卡尔、新唐、凌阳、STC、NEC、东芝、富士通、NS、Epson、三星、华邦、SST、Zilog……Cortex-Mx系列内核（ARM公司授权）单片机的发展单片机与嵌入式实验室S305几种早期的单片机22单片机与嵌入式实验室S305单片机/微控制器（MCU）单片微型计算机（single-chipmicrocomputer），又称微控制器（microcontroller）可看作是把中央处理器、存储器、定时/计数器（timer/counter）、各种输入/输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机单片机与嵌入式实验室S30523嵌入式系统的组成——嵌入式微控制器Modern16-bitRISCCPU

Ultra-low-powerconsumptionaslowas0.1uARAMretentionmode

Integratedhigh-performanceanaloganddigitalperipherals

In-systemprogrammableFlash

CompleteIDEstartingat$99

Keyapplicationsinclude:

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Metering

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Portableinstrumentation

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Consumer24单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的组成——嵌入式微控制器目前常见的基于ARM核的嵌入式微控制器：Philips的LPC21xx,Atmel的SAM7,ST的STR71x、91x,STM32等25PhilipsLPC2129(ARM7)STR912开发板AtmelAT91SAM7X256(ARM7TDMI)嵌入式系统的组成——嵌入式DSP处理器

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单品机中以普通指令实现DSP功能，过滤到采用嵌入式DSP处理器嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP5600系列26嵌入式系统的组成——存储器存储器是计算机系统和嵌入式系统的存储设备，用于存取数据和程序代码27随机存取RAM只读存储器ROM嵌入式系统的组成——存储器存储器的性能指标分类：嵌入式系统的组成——存储器存储器的性能指标易失性只读性位容量速度功耗可靠性价格 多级多层次的存储器系统嵌入式系统的组成——存储器SRAM速度较快：~几百KB高速缓冲寄存器（Cache）DRAM：容量大（>16MB）成本低，需定时刷新。在MPU系统中是主存易失性存储器非易失性，主要存储程序和不常存取的数据可擦写次数约10万次，存放系统相关参数FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器。可擦写次数约1万次，但擦写单位较大为几百B~几KB非易失性，体积小，功耗低，抗振性强，密度高，可直接执行在微控制器中主要用作存放程序代码单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的组成——存储器FlashMemory和EEPROM的性能对比单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的组成——存储器FLASH存储器主要分为两种NOR型FLASHNAND型FLASH主要区别如下单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的组成——存储器Flash单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的组成——外设外设与系统外部完成I/O操作34单片机与嵌入式实验室S305内部外设：与处理器在一块芯片上外部外设：与处理器不在一块芯片上嵌入式微控制器的相关概念计算机体系结构35单片机与嵌入式实验室S305流水线工作将芯片内、外的存储器和外设编址的方法大多微处理器是统一编址的将外设当作存储器单元，与存储器一起进行编址片内存储器映射地址是厂家规定好的，需要看数据手册当需要外扩存储器时，需要进行地址译码，与微控制器内部存储器一起进行编址译码方法：详见课本Page60译码器译码与非门译码PLD逻辑译码存储器空间映射36单片机与嵌入式实验室S305数据在存储器中存储的方式大端模式：

高位地址存数据的高字节，地位地址存数据的低字节小端模式：存储方向与上面相反嵌入式微控制器的相关概念37单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的软件开发特点目标机不具备自主开发能力：宿主机：执行编译、链接和定址过程的计算机目标机：运行嵌入式软件的硬件平台，因资源有限，它不是用于目标机的开发环境平台宿主机和目标机运行的指令集一般是不一样的嵌入式需要特殊的软硬件将其固化到嵌入式系统中嵌入式开发的调试需要利用调试器来跟踪程序的执行情况嵌入式软件开发多采用远程调试（交叉调试）方式38单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的软件开发软件开发过程39单片机与嵌入式实验室S305联机调试就调试方法而言，调试方法分为以下两种：就操作系统调试的层次而言，分为以下两种：软件调试：使用软件调试器调试嵌入式系统软件连接定位器：使用仿真调试器协助调试过程调试嵌入式操作系统内核调试嵌入式操作系统的应用程序40单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的软件开发嵌入式系统的软件开发交叉调试调试器运行在主机上，被调试程序运行的在目标机上，主机和目标机通过某种通信手段（并行口，USB总线，以太网，仿真器等）连接，这样调试器就可以控制、跟踪被调试的程序示例如下图：调试主机（PC)调试器目标机USB或以太网

JTAG仿真头程序编辑、编译、定位链接运行程序41单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的调试方法Monitor方式：调试器与目标操作系统通过指定的通信端口并依据远程调试协议来实现通信在线ICE：InCircuitEmulator片上调试方式：目标机处理器内部嵌入额外的硬件控制模块，满足特定的触发条件时，进入某种特殊状态JTAG仿真器嵌入式系统的软件开发4242单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的软件开发JTAG仿真JTAG(JointTestActionGroup，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（TestAccessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试硬件：一个连接计算机的接口；一个连接目标处理器上JTAG引脚的接口软件：把调试命令和数据通过仿真器发送到目标处理器中，然后接收目标处理器的状态信息；并通过JTAG命令控制目标处理器的运行43单片机与嵌入式实验室S305嵌入式系统的软件开发JTAG仿真器特点（1）采用串行方式传输数据（2）JTAG命令独立于处理器的指令系统（3）JTAG标准仅定义了与处理器的通信协议IEEE1149.1JTAG引脚描述4