嵌入式微处理器与应用

课程介绍一、课程目的1.了解嵌入式系统概况；2.掌握S3C6410处理器的开发方法；3.初步掌握基于S3C6410的嵌入式Linux开发方法；

第一页，共56页。第一页，共56页。课程介绍二、学习内容1.嵌入式系统概况概念、嵌入式处理器、嵌入式操作系统等2.处理器S3C6410/2410的开发方法：当成单片机概况、

结构、各个内部模块3.基于S3C6410的嵌入式Linux开发方法Linux系统开发、驱动程序、应用程序4.时间安排S3C64106周Linux系统开发5周Linux驱动程序开发4周Linux应用程序开发1周第二页，共56页。第二页，共56页。课程介绍三、学习方法1、兴趣/认识为先导；自主学习为主2、分组学习：3人一组每组一套开发板；可相互讨论3、学习嵌入式：实验为主1）32理论，32实验。实验会更多2）在实验室上课4、学习Linux方法：读代码1）移植的需要；2）开发的需要5、观看视频四、考核方法开卷考试60%+实验30%+平时表现10%第三页，共56页。第三页，共56页。课程介绍五、经典参考书嵌入式Linux开发：《嵌入式Linux开发完全手册》，韦东山

Linux操作系统：《鸟哥的Linux私房菜-基础学习篇》Linux驱动：《Linux设备驱动程序》《精通Linux设备驱动程序开发》Linux内核：《深入理解Linux内核》Linux编程：《UNIX环境高级编程》Android开发：《疯狂Android讲义》网络资源第四页，共56页。第四页，共56页。第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统简介1.2嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统介绍1.4ARM系列处理器简介第五页，共56页。第五页，共56页。嵌入式系统目前被国内计算机界普遍认同的定义是：

以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。由嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统明显的特点有：

·

嵌入式系统是一个专用计算机系统，有别于通用计算机系统；

·

专用：专门的应用；

·

要求：功能、可靠性、成本、体积、功耗；

·实现方法：软、硬件可裁剪；1.1嵌入式系统简介一、嵌入式系统定义第六页，共56页。第六页，共56页。二、嵌入式系统的应用领域通信设备汽车电子数字消费类工业控制仪器仪表数字医疗设备信息家电“嵌入”无处不在1.1嵌入式系统简介第七页，共56页。第七页，共56页。1.2.1嵌入式处理器分类按处理器的应用领域，广义上将其分为4类，嵌入式微处理器(广义)嵌入式微控制器：单片机嵌入式数字信号处理器(DSP)嵌入式微处理器(狭义)可编程逻辑器件(PLD)1.2嵌入式处理器第八页，共56页。第八页，共56页。第九页，共56页。第九页，共56页。第十页，共56页。第十页，共56页。第十一页，共56页。第十一页，共56页。第十二页，共56页。第十二页，共56页。第十三页，共56页。第十三页，共56页。第十四页，共56页。第十四页，共56页。每个半导体制造商根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前已遍及：工业控制、消费类电子、通信系统、网络系统、无线系统等ARM目前占据的市场份额：75%32位RISC处理器市场；90%手机处理器市场，

30%上网本处理器市场；80%平板电脑处理器市场第十五页，共56页。第十五页，共56页。第十六页，共56页。第十六页，共56页。第十七页，共56页。第十七页，共56页。第十八页，共56页。第十八页，共56页。第十九页，共56页。第十九页，共56页。第二十页，共56页。第二十页，共56页。四种处理器的简单比较：单片机：资源少，成本低嵌入式微处理器：资源多，成本高DSP：运算速度快，用于信号处理；三个特色PLD/FPGA：硬件编程第二十一页，共56页。第二十一页，共56页。1.2.2主流嵌入式微处理器介绍⒈ARMARM是英文AcornRISCMachine的缩写，Acorn是英国剑桥的一个计算机公司，1985年开发出第一代ARMRISC处理器原型。1990年，Acorn将公司名称改为AdvancedRISCMachineLimited（先进RISC机器公司），缩写仍为ARM。ARM公司的32位嵌入式RISC处理器，在低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域占据领先地位。第二十二页，共56页。第二十二页，共56页。ARM公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权（IntellectualProperty，IP）设计供应商。ARM公司本身并不生产芯片，而是通过转让IP核，由合作伙伴生产各种型号的微处理器芯片。目前ARM的合作伙伴在全世界已经超过100个，许多著名半导体公司与ARM公司有着合作关系。第二十三页，共56页。第二十三页，共56页。⒉MIPSMIPS是MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages的缩写，意思为内部无互锁流水线微处理器。MIPS也是一种处理器的内核标准。MIPS体系结构具有良好的可扩展性，并且能够满足超低功耗微处理器的需求。第二十四页，共56页。第二十四页，共56页。MIPS处理器源于20世纪80年代初，由美国斯坦福大学电机系Hennessy教授领导的研究小组研制出来。MIPS计算机公司1984年成立于硅谷。1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。1998年MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司。MIPS技术公司是一家设计和制造高性能、高档次的嵌入式32/64位微处理器的公司，在RISC处理器方面占有重要地位。第二十五页，共56页。第二十五页，共56页。近年来，MIPS公司开发了高性能、低功耗的32位处理器内核MIPS3224KE系列，产品广泛用于机顶盒、DVD刻录机、MODEM、IP电话、数码相机、蜂窝电话、视频游戏机、路由器、激光打印机、复印机、扫描仪等产品。2007年，MIPS公司推出了MIPS3274K内核产品，是当时嵌入式市场运行速度最快的处理器内核，主频速度为1GHz。第二十六页，共56页。第二十六页，共56页。⒊PowerPCPowerPC微处理器早期由IBM、Motorola和Apple公司共同投资开发，生产了PowerPC601（1994年）、602（1995年）、604（1995年）和620（1997年）。此后PowerPC微处理器由IBM公司和Motorola公司分别生产。迄今为止，Motorola公司共生产了6代产品，它们是G1、G2、G3、G4、G5和G6，Motorola公司生产的PowerPC微处理器芯片产品编号前有“MPC”前缀，如G5中的MPC855T，G6中的MPC860DE~MPC860P等。2004年，Motorola公司分拆半导体部门，组建了新公司Freescale（飞思卡尔），由该公司继续MPC微处理器的技术支持和新产品研发。第二十七页，共56页。第二十七页，共56页。目前，IBM公司的PowerPC微处理器芯片产品有4个系列，分别是4XX综合处理器、4XX处理器核、7XX高性能32位微处理器和9XX超高性能64位微处理器。PowerPC系列微处理器的品种较多，既有通用处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围也非常广泛，从高端工作站、服务器到桌面计算系统，从消费类电子产品到大型通信设备，都有着广泛的应用。第二十八页，共56页。第二十八页，共56页。⒋其他嵌入式微处理器Motorola公司的68xxx、Compaq公司的Alpha、HP公司的PARISC、Sun公司的Sparc、Hitachi的SH、飞利浦的LPC等嵌入式微处理器也有着广泛的应用。第二十九页，共56页。第二十九页，共56页。嵌入式处理器的使用量第三十页，共56页。第三十页，共56页。1.3嵌入式操作系统介绍1.3.1嵌入式操作系统主要特点⒈实时性：优先级高的任务立即执行⒉可移植：可应用在不同的处理器上⒊内核小型化：Linux内核+网络驱动200KBytes⒋可裁剪：适应嵌入式系统要求第三十一页，共56页。第三十一页，共56页。1.3.2主流嵌入式操作系统简介嵌入式LinuxµcLinux(无存储管理单元MMU)WindowsCEVxWorksQNXC/OSIISymbianOSPalmOSAndroidIOS第三十二页，共56页。第三十二页，共56页。

1、嵌入式Linux1991年林纳斯·托瓦兹开发的。

Linux主要特点有：

开放源码；

内核小(200k-几M)、功能强大、运行稳定、效率高；

易于定制裁剪；可移植到数十种微处理器上；支持大量的外围硬件设备，驱动程序丰富；有大量的开发工具，良好的开发环境；对以太网、千兆以太网、无线网络、令牌网、光纤网、卫星网等多种联网方式提供了全面的支持；在图像处理、文件管理及多任务支持等方面，Linux也提供了较强的支持。缺点：实时性不够好第三十三页，共56页。第三十三页，共56页。2.

WindowsCE

WindowsCE是一个简洁、高效率的多平台操作系统，是Microsoft完全独立开发的操作系统，是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完全优先级、多任务的操作系统。操作系统内核占据最少200KBROM空间。应用对象是移动设备WINCE开发相对较容易，开发周期短，内核完善，主要是应用层开发。源码不开放。需要付费授权第三十四页，共56页。第三十四页，共56页。3.

VxWorksVxWorks是美国WindRiverSystem公司（风河公司，即WRS公司）推出的一个实时操作系统。以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。是目前使用最广泛、市场占有率最高的商用嵌入式操作系统，可以移植到多种处理器，如x86、Motorola68xxx、MIPSRXxxx、PowerPC、StrongARM、ARM等。VxWorks具有多达1800个功能强大的应用程序接口（API），系统的可靠性非常高。第三十五页，共56页。第三十五页，共56页。4.μC/OS-ⅡμC/OS是源码公开的实时嵌入式操作系统。μC/OS-Ⅱ提供了嵌入式系统的基本功能，其核心代码短小精干。μC/OS-Ⅱ对于大型商用嵌入式系统而言，是轻量级嵌入式操作系统。μC/OS-Ⅱ主要特点包括：源码公开、可移植性强、可裁剪、占先式、多任务，稳定性和可靠性都很强。μC/OS-Ⅱ已经被移植到许多微处理器上运行，如ARM系列、Intel的8051、80x86系列、Motorola的PowerPC和68xxx、68HC11等系列第三十六页，共56页。第三十六页，共56页。

5、QNX

QuickUnix简称，是一种商用的类Unix实时操作系统，遵从POSIX(PortableOperatingSystemInterface)规范。

POSIX是为了提高UNIX环境下应用程序的可移植性。QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。QNX是业界公认的X86平台上最好的嵌入式实时操作系统之一QNX主要开发汽车，通讯设备所使用的操作系统；QNX在车用市场占有率达到75%；此外，QNX的最大客户订单来源于思科系统。第三十七页，共56页。第三十七页，共56页。⒍PalmOSPalmOS是3COM公司PalmComputing掌上电脑公司的产品，主要应用在PDA(PersonalDigitalAssistant，掌上电脑)中，2001年左右占据PDA市场的90%。⒎SymbianOS诺基亚手机第三十八页，共56页。第三十八页，共56页。

8.

Android基于Linux平台的开源手机操作系统，由谷歌公司开发。2008年9月份正式发布Android1.0，之后迅速在智能手机中得到广泛应用。开源；开放性第三十九页，共56页。第三十九页，共56页。

9.

iOSiOS是由苹果公司开发的移动操作系统。苹果公司在2007年1月9日发布。iOS与苹果的MacOS操作系统一样，属于类Unix的商业操作系统。不开源。主要在苹果公司的产品中使用。第四十页，共56页。第四十页，共56页。1.5ARM系列嵌入式微处理器简介AHB或ASBARM核/CPUDMA控制器片上RAM桥路测试接口控制外部总线接口UART并行接口定时器APB处理器处理器核处理器架构AMBA总线第四十一页，共56页。第四十一页，共56页。1.5ARM系列嵌入式微处理器简介处理器处理器核：处理器核心，运算、指令执行、存储管理处理器架构：ARM指令集版本AMBA总线：AMBA(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture)提供一种特殊的机制，可将RISC处理器核集成在其它IP芯核和外设中。第四十二页，共56页。第四十二页，共56页。1.5.1ARM处理器命名规则ARM926EJ-SFamilynumber7:ARM79:ARM910:ARM1011:ARM11Memorysystem2:Cache,MMU,ProcessID4:Cache,MPU6:Writebuffer,nocacheMemorysize0:Cachesize(4-128KB)2:Reducedcachesize6:TCMSynthesizableExtensionsE:DSPextensionJ:JazelleextensionT:Thumbsupport…第四十三页，共56页。第四十三页，共56页。标志含义说明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上调试一个JTAG模块，可使CPU进入调试模式M支持长乘法硬件乘法器IEmbeddedICE用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路EDSP指令增加了DSP算法处理器指令：16位乘加指令，饱和的带符号数的加减法，双字数据操作，cache预取指令JJava加速器Jazelle提高java代码的运行速度S可综合可综合的软核，以源代码形式提供ARM核第四十四页，共56页。第四十四页，共56页。

1.5.2ARM体系结构和处理器系列版本版本变种系列号处理器核V1V1ARM1ARM1V2V2ARM2ARM2V2aARM2aSARM3ARM3V3V3ARM6ARM6、ARM600、ARM610ARM7ARM7、ARM700、ARM710V4V4TARM7TDMI、ARM710T、ARM720T、ARM740TV4ARM8StrongARM、ARM8、ARM810V4TARM9ARM9TDMI、ARM920T、ARM940TV5V5TEARM9E-SARM10ARM10TDMI、ARM1020EV6V6ARM11ARM11、ARM11562-S、ARM1156T2F-S、ARM11JZF-SV7V7ARMCortexARMCortex-A8、ARMCortex-R4、ARMCortex-M3第四十五页，共56页。第四十五页，共56页。ARM系列微处理器核特点ARM7ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMI处理器的可综合版本；ARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和JazelleTM

技术，能够实现Java加速功能冯诺伊曼体系结构；ARMTDMI是目前应用最广的微处理器核ARM720T带有MMU和8KB的指令数据混合cache；ARM7EJ-执行ARMv5TEJ指令，5级流水线，提供Java加速指令，没有存储器保护。ARM9ARM920T：带有独立的16KB数据和指令Cache；ARM922T：带有独立的8位KB数据和指令Cache；ARM940T–包括更小数据和指令Cache和一个MPU基于ARM9TDMI，带16位的Thumb指令集，增强代码密度最多到35%；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；集成了数据和指令Cache；32位AMBA总线接口的MMU支持；可在0.18µm、0.15µm和0.13µm工艺的硅芯片上实现。第四十六页，共56页。第四十六页，共56页。ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技术，有MMU，可配置的数据和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的数据和指令Cache及TCM;ARM966E-S：针对要求高性能和低功耗的可预测的指令执行时间的硬实时应用设计ARM968E-S：最小、功耗最小的

ARM9E系列处理器，针对嵌入式实时应用设计；ARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处理器解决方案；ARM

Jazelle

技术提供8倍的Java加速性能(ARM926EJ-S)；5-级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；可选择的

向量浮点单元VFP9协处理器指令优秀海浮点性能，对于3D图形加速和实时控制可达到

215MFLOPS。高性能的AHB总线，带MMU可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现。ARM10EARM1020E：带DSP指令集，在片调试功能，独立的32KB数据和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：与ARM1020E相同，只是独立的数据和指令Cache变为16KB；ARM1026EJ-S：同时具有MPU和MMU，可综合版本；带分支预测的6级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到430MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理器，浮点运算性能最高可达650MFLOPS；双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接口；优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储器的性能；可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现第四十七页，共56页。第四十七页，共56页。ARM11ARM11MPCore：可综合的多处理器核，1至4个处理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的数据和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4编码加速功能；ARM1156T2(F)-S：带集成浮点协处理器，带内存保护单元MPU

；ARM1176JZ(F)-S：带针对CPU和系统安全架构扩展的TrustZone技术。增强的Thumb、Jazelle、DSP扩展支持；带片上和系统安全TrustZone技术支持；在0.13µm工艺下最高可达到550MHz；MPCore在0.13µm工艺下最高性能可达到740MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；支持多媒体指令SIMD；采用三种电源模式：全速/待命/休眠集成DMA的TCM低功耗、高性能。SecurCoreSC100：第一个32位安全处理器；、SC110：在SC100上增加密钥协处理器；SC200：带Jazelle技术的高级安全处理器；SC210：在SC200上增加密钥协处理器SecurCore是专门为智能卡、安全IC提供的32位安全处理器，为电子商务、银行、网络、移动多媒体、公共交通提供安全解决方案；体积小、功耗低，代码压缩密度高；为快速增长的Java卡平台提供Java加速功能；第四十八页，共56页。第四十八页，共56页。CortexCortex-A：面向应用的微处理器，针对复杂操作系统和应用程序设计；Cortex-R：针对实时系统的嵌入式处理器；Cortex-M：针对成本敏感应用优化的深度嵌入式处理器；2004年发布，提供增强的媒体和数字处理能力，增加了系统性能；支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集；Thumb-2指令集提供了更高的代码存储密度，进一步降低成本；Intel系列StrongARM：ARMv4体系XScale：ARMv5TE体系，增加MMX指令StrongARM主要应用于手持设备和PDA，5级流水线，具有独立的数据和指令Cache，不支持Thumb指令集，目前已停产；XScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式处理器，分通用处理器、网络处理器和I/O处理器三类。其中通用处理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三个系列，被广泛应用于智能手机、PDA领域。第四十九页，共56页。第四十九页，共56页。项目ARM7ARM9ARM10ARM11流水线3568典型频率（MHz）80150(200)260335(800)功耗（mW/MHz）0.060.19（+cache）0.5（+cache