嵌入式课程-第一讲

嵌入式系统综述课程设置的必要性应用需求日益复杂微处理器技术长足发展社会对嵌入式技术人才的需求 据统计2002年16/32位嵌入式处理器的销售额已接近70亿美元

嵌入式软件技术成为核心嵌入式处理器快速成长$70亿课程的主要内容

以32位ARM微处理器和嵌入式linux为基础全面阐述嵌入式系统的要素嵌入式系统的软硬件设计基础嵌入式应用开发流程与实验预期目标

对嵌入式系统的基本结构、嵌入式系统设计所涉及的问题有一个较全面的认识，基本掌握嵌入式系统的开发过程，为今后从事嵌入式系统的研究打下良好的基础。

课程安排（1）嵌入式系统综述－－2学时ARM体系结构－－4学时ARM指令系统－－4学时基于MC9328MX1的最小系统设计－－10学时嵌入式linux操作系统－－4学时linux设备驱动开发－－6学时应用程序开发－－6学时课程安排（2）实验环节－－12学时

linux基本操作及交叉编译环境的创建内核裁减和文件系统创建键盘实验

LCD实验触摸屏实验应用程序开发实验

推荐参考资料（1）马忠梅，ARM嵌入式处理器结构与应用基础，北航出版社，2002.陈章龙，嵌入式系统—IntelStrongARM结构与开发，北航出版社，2002.李驹光，ARM应用系统开发详解，清华大学出版社，2003ARMSystem-on-chipArchiteture(中文版)，北航出版社，2002CraigHollabansh，陈雷等译，嵌入式linux—硬件、软件与接口，电子工业出版社，2003.推荐参考资料（2）AlessandroRubini，魏永明等译，linux设备驱动程序，第二版，中国电力出版社，2002.MC9328MX1用户手册，Motorola公司，2002.Lisoleg中国Linux论坛嵌入式开发网ARMLinuxDeveloper.uk/developer

专用计算机系统（非PC智能电子设备）微处理器、定时器、存储器、传感器嵌入式的微型操作系统应用软件嵌入式系统的定义（1）以应用为中心的定义

以应用为中心以计算机技术和通讯技术为基础软件与硬件可剪裁满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求知识集成系统技术密集资金密集高度分散不可垄断面向应用不断创新

嵌入式系统的定义（2）嵌入式Internet技术是指设备通过嵌入式模块而非PC系统直接接入Internet，以Internet为介质实现信息交互的过程嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种存储器电源部分接口控制器及外围设备嵌入式系统的组成要素嵌入式软件系统嵌入式操作系统板级支持包(BSP)设备驱动协议栈应用程序等X86系列开发方便和移植容易体积大、功耗高、实时性差DSP系列具有较强数字信号处理能力，适合声音、图像等多媒体信息处理。处理能力弱、寻址范围有限、I/O功能弱等。ARM系列（RISC处理器）小体积、低功耗、低成本、高性能支持16/32位双指令集全球众多的合作伙伴PowerPC系列

Motorola和IBM联合开发的微处理器核嵌入式处理器嵌入式处理器核发展趋势ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，ARM处理器采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）技术，即采用精简指令集体系结构。RISC相对于CISC体系结构，其设计思路是如何使计算机结构更加简单合理地提高运行速度。目前它还没有严格的定义。据统计,CISC的指令集中，约20％的指令使用频率占80％，而80％的指令的使用频率仅占20％。ARM处理器(1)RISC体系结构特点采用固定长度的指令格式，指令规整、简单（ARM指令为32位）。使用单周期指令，便于流水线操作。大量使用寄存器（ARM共有37各寄存器），数据处理指令只对寄存器操作，访问存储器只使用Load/Store指令。

ARM处理器(2)ARM处理器的特点小体积、低功耗、低成本、高性能支持Thumb(16位)/ARM（32位）双指令集，提高指令密度大量使用寄存器大多少数据操作都在寄存器中完成。寻找方式简单灵活指令长度固定（16/32位）ARM处理器(3)ARM处理器的分类ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等ARM9系列:MX1采用ARM920T核ARM9E系列

ARM10系列

SecureCore系列

StrongARMXscaleARM处理器(4)ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等常见芯片主频为20～133MHzARM720T以下没有MMU适合对价位和功耗要求较高的产品。3级流水线和冯.诺依曼结构支持WindowCE、LinuxPalmOS等ARM处理器(5)ARM7TDMI核命名规则

7 =体系结构T =Thumb代码支持(16bit指令)D =Debug硬件调试模块支持M =加强的乘法支持(DSP性能)I =EmbeddedICELogicARM9TDMI与ARM7TDMI相同，但是使用ARM9结构.ARM处理器(6)ARM9系列:MX1采用ARM920T核常见的芯片主频为100～233MHz5级流水线和哈佛结构支持32位的高速AMBA总线接口MMU支持实时操作系统具有指令Cache和数据CacheARM处理器(7)ARM9E系列5级流水线和哈佛结构紧耦合的存储器接口支持32位的高速AMBA总线接口MMU支持DSP指令集，适合高速数字信号处理支持实时操作系统具有指令Cache和数据Cache支持VFP9浮点处理协处理器ARM处理器(8)ARM10系列6级流水线和哈佛结构支持64位的高速AHB总线接口MMU支持DSP指令集，适合高速数字信号处理支持实时操作系统具有指令Cache和数据Cache支持VFP9浮点处理协处理器ARM处理器(9)SecureCore系列专为安全需要而设计灵活的保护单元StrongARM融合了Intel技术的具有ARM体系结构的32位处理器XscaleIntel新一代的性能全、性价比高、低功耗的微处理器

ARM处理器(10)特点除具有普通操作系统的功能如任务调度、中断处理等外，嵌入式操作系统还有以下特点：编码体积小，适合有限的存储空间面向应用，可裁减和移植实时性强，又称实时多任务操作系统。可靠性高以及较强的网络功能。嵌入式操作系统（1）分类Windows兼容的：WindowsCE,嵌入式Linux等工业与通信类：VxWorks、QNX等单片机类：uc/OS等面向Internet类：PalmOS、Hopen等嵌入式操作系统（2）嵌入式操作系统发展趋势实时系统是指能够在指定或者确定的时间内，完成系统功能，及对外部或者内部事件在同步或者异步时间内作出响应的系统。

实时性的衡量指标响应时间：对外部事件做出响应的时间。生存时间：数据的有效时间。吞吐量：一定时间内，处理事件的总数。实时系统的概念（1）实时系统的分类根据响应时间分：弱实时系统：要求各任务运行越快越好，但并不严格限定在规定时间内完成，如手机、银行计算机系统。强实时系统：要求系统能够在规定的时间内完成任务，如航天控制系统，通常在毫秒或微妙级。实时系统的概念（2）实时系统的分类根据确定性分类：硬实时系统：对系统响应时间有严格要求，如果不能满足，就会引起系统崩溃或致命错误。软实时系统：对系统响应时间有要求，但是，如果响应时间不能满足，不会导致系统崩溃或出现致命错误。实时系统的概念（3）RTOS:实时操作系统RTOS内核提供CPU的管理,硬件初时化，MMU，定时器，中断RTOS内核提供任务，内存管理RTOS提供设备管理，文件和网络的支持RTOS提供C/C++，JAVA，图形模块(GUI)应用支持RTOS普遍应用于32bitCPU特点免费和代码公开支持多种硬件平台可裁剪使用成本低强大的网络功能支持GUI开发丰富的开发技术资源嵌入式Linux几种嵌入式Linux（1）uCLinux： 为支持没有MMU的处理器而对标准Linux作出的修正，它不支持实时性。普通嵌入式Linux

通过普通Linux的裁剪可得到。支持MMU，非实时性。

几种嵌入式Linux（2）RTLinux与RTAI RTLinux支持实时性，它通过在普通Linux内核下层增加一个实时内核实现了实时性。

RTAI(Real-timeApplicationInterface)通过在Linux上定义一个实时硬件抽象层（RTHAL），为普通Linux的实时性提供了解决方案。

嵌入式系统的应用网络家电多媒体通信个人数据处理国防工业智能交通微电子机械(MEMS)中的应用工业控制

生物微电子技术中的应用goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum嵌入式应用的开发（1）开发的一般过程任务分析操作系统选择处理器选择硬件设计操作系统移植应用程序设计驱动及BSP设计代码固化嵌入式应用的开发（2）任务分析 由于嵌入式系统是以应用为中心，对系统的可靠性、系统的开发周期、体系成本等都有严格的要求。因此，嵌入式系统开发首先要对任务进行详细地分析，使得系统能较好地满足要求。其中主要包括对系统功能的分析、对系统软硬件的特殊要求、实时性的水平、系统模块的分解、要达到的水平等。嵌入式应用的开发（3）处理器选择工作频率处理器的核（ARM处理器）片内存储器容量片内外围电路及其扩展能力嵌入式应用的开发（4）操作系统选择实时性、开发周期、开发资源等。硬件设计驱动程序及BSP开发处理器供应商可能会提供相关的内容。操作系统的移植将所选的操作系统移植到设计的目标板的过程

应用程序设计代码固化嵌入式开发的几种调试模式（1）

由于嵌入式系统的可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。 嵌入式应用软件通过宿主机上的交叉编译器，完成交叉编译和连接后下载到目标机。

宿主机：进行嵌入式软件开发的主机目标机：将要开发的目标板宿主机目标机逻辑连接物理连接嵌入式开发的几种调试模式（2）模拟开发调试它通过基于宿主机的软件，在主机上模拟目标机中处理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模拟器。它虽然简单可行，但是缺乏在线调试和实时仿真功能。嵌入式开发的几种调试模式（3）在线仿真(ICE)它通过在线仿真器，取代目标板的CPU，仿真嵌入式处理器芯片的行为。它支持单步执行、断点、反汇编、源程序级调试。仿真器通常价格比较昂贵，通常用在ARM硬件开发中，软件开发则较少用。

宿主机目标板仿真器硬件连接示意图嵌入式开发的几种调试模式（4）JTAG仿真器

ARM处理器内含EmbededICE宏单元，并留有JTAG调试接口，支持在线仿真。它无需目标存储器，不占用目标系统的端口。

使用集成开发环境配合JTAG仿真器是目前最常用的一种调试方式。

嵌入式开发的几种调试模式（4）ROMMonitor方式（或Angel方式）ROMMonitor（或Angel）是运行在目标机的Flash或ROM的