第1章 单片机的基础知识1

单片机原理与应用长沙理工大学电气与信息学院

李鸿2024/1/191电气与信息学院李鸿课程安排理论课:讲述基本原理结构和方法实验课:根据实验指导书的要求自己完成参考书:单

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用李鸿主编

2024/1/192电气与信息学院李鸿课程安排授课方式（总学时56）：46+10学时考核方式与成绩

考试70%，平时+实验30％

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综合实验楼，B510,D407室2024/1/193电气与信息学院李鸿涉及内容嵌入式计算机系统的概念MCS-51的基本硬件结构程序设计定时/计数器中断系统串行口存储器接口设计2024/1/194电气与信息学院李鸿第一章 嵌入式系统简介第二章MCS-51单片机的结构第三章MCS-51系列单片机的指令系统第四章MCS-51系列单片机的程序设计第五章 MCS-51单片机的功能部件第六章MCS-51系列单片机接口技术第七章 单片机应用系统设计第八章单片机的C语言应用程序设计目录第九章具有MCS-51内核的单片机简介2024/1/195电气与信息学院李鸿课程要求本课程是实践性较强的课程。通过课程的学习，掌握软件编程和硬件电路设计的方法，能够进行单片机应用系统的设计、调试工作。2024/1/196电气与信息学院李鸿绪论

－－嵌入式计算机系统2024/1/197电气与信息学院李鸿绪论嵌入式系统是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适用于系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片功能越来越强大。嵌入了微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来越引人注目。2024/1/198电气与信息学院李鸿绪论嵌入式系统可以说是无处不在。从简单的电子体温计到飞机的自动导航系统都是典型的微处理器嵌入式控制的系统。2024/1/199电气与信息学院李鸿绪论实时嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各行业的具体应用相结合的产物，这就决定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。2024/1/1910电气与信息学院李鸿绪论

嵌入式系统已广泛用于信息家电、移动通信、手持信息设备以及工业控制等领域。2024/1/1911电气与信息学院李鸿主要难题：绪论如何针对某个特定的要求，设计出功耗低、精度高、实时性好、抗干扰能力强、价格低的实时嵌入式系统，并使其成功的运转以满足用户的需求。2024/1/1912电气与信息学院李鸿第一节嵌入式系统概论2024/1/1913电气与信息学院李鸿§1.1.1嵌入式系统的概念与特点

一、嵌入式系统（EmbeddedSystem）定义：

嵌入式系统是指用于实时控制、监视、管理或辅助其他设备运行的设备，可以是专用或多用途（但一般具有可编程的特性）的设备，“嵌入”意味着这些系统本身与所控制和管理的系统融为一体的，是其中的一个有机组成部分，是各种控制系统的基本构造单元。2024/1/1914电气与信息学院李鸿由上面的定义，可以看出嵌入式系统的一些特征：1.嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。

电子计算机是为解决海量数值计算而发明和发展起来的。而微型机一旦进入对象体系中后，便失去了通用计算机的形态和功能，变成了形形色色的自动化系统。从而导致了现代计算机技术的两大分支：通用计算机系统与嵌入式计算机系统。2024/1/1915电气与信息学院李鸿2.单片机是以嵌入式应用为唯一目的的典型的嵌入式系统。

嵌入式应用分微控制器（Micro－control—MCU）和嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessor—MPU）应用两种。微控制器即俗称为单片机（SingleChipComputer），设计的目标就是面向控制，面向嵌入式应用的。2024/1/1916电气与信息学院李鸿3.嵌入式系统的组成：

一般由：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成。通常，嵌入式系统中的系统程序（包括操作系统）和应用程序是浑然一体的。这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映象文件（image），并被固化在系统中，在系统复位后自动执行。2024/1/1917电气与信息学院李鸿4.嵌入式系统的分类：按形式上可以分为三大类，即（1）系统级：

为各种类型的工控机，如STD工控机、工业PC等。例：将工控机嵌入到舰船上构成航行自动驾驶仪。（2）板级：

各种类型的带CPU的主板。（3）器件级：

以单片机最为典型。2024/1/1918电气与信息学院李鸿二、嵌入式系统的特点：1.系统的复杂性

据估计，大约有100～250亿个嵌入式系统正在使用，分布在十分广泛的范围，几乎所有的现代电子设备中都有嵌入式系统，功能各异，复杂程度可想而知。2024/1/1919电气与信息学院李鸿2.系统的实时性

嵌入式系统多数与生产过程的实时控制相关。生产过程本身的特性往往决定了这类系统不可能随意中断正常的生产过程去进行测试或维修。多数造价昂贵的嵌入式系统也往往没有备份系统，实时诊断的难度也相应增加。2024/1/1920电气与信息学院李鸿3.系统的可靠性

嵌入式系统在一些关键系统的控制过程中得到广泛应用（如：钢铁、石化等企业）。控制系统的任何微小的错误都可能导致整个生产过程的中断和巨额的经济损失。嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制，一旦工作就要求它可靠运行。嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定，往往条件恶劣（高温、高湿、多尘、强电磁干扰等)。2024/1/1921电气与信息学院李鸿4.系统的专用性

用途固定，通常执行特定功能，用于特定设备，完成特定的任务。5.技术密集

是计算机技术、微电子技术和行业技术相结合的产物，必然是一个技术密集，不断创新的知识集成系统。6.开发困难

嵌入式系统往往本身不具备自举开发能力，必须要一套开发工具和环境才能进行开发。其开发系统与实际运行的系统并不相同，需要交叉编译系统和适当的调试系统。2024/1/1922电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用

嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移动通信、手持信息设备以及工业控制等领域。用于实现对宿主设备的控制、监视或管理。应用范围十分广泛，因此不存在所谓嵌入式系统的典型应用。2024/1/1923电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用2024/1/1924电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用1.制造与过程控制

自动化工厂、柔性制造系统（FMS）、无人物流小车、机器人、加工中心、核电站、污水处理系统、发（变）电站、能源控制系统、石化企业的控制设备、建筑设备等。2024/1/1925电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用2.运输

交通指挥系统、售票系统、航空、铁路、公路运输系统、停车场管理系统、雷达系统、检票系统等。2024/1/1926电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用3.建筑设施

电力供应、备用电源、火警报警与控制系统、供热与通风系统、电梯、车库、安防系统、闭路电视监视、温湿度控制等。2024/1/1927电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用4.通信

电话交换机、卫星和全球定位系统（GPS）、移动电话等。5.办公设备电话系统、传真系统、复印机、照相机和摄像机、商用电脑、掌上电脑等。2024/1/1928电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用6.银行和金融

自动柜员机、信用卡系统、验钞机、点钞机、安全系统等。7.医疗诊断监视系统心脏起搏器、理疗控制系统、热疗机、X光设备、电磁成像系统等。2024/1/1929电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用8.家庭中的应用

每个家庭使用的嵌入式处理器约30～40个。一台PC机中就可能使用了10来个嵌入式处理器。其他家电中，电冰箱、微波炉、洗衣机、录像机、电子钟、洗碗机、DVD播放机、电视机、音响设备、通用遥控器、电子玩具、电子宠物等。2024/1/1930电气与信息学院李鸿§1.1.2嵌入式系统的应用9.汽车中的嵌入式系统

汽车内部正迅速发展成为一个具有相当规模的局域网，如CAN（控制局域网）总线网络。汽车中的GPS系统与电子导航系统（电子地图）、防碰撞系统（安全气囊）、油/气比控制、车用电脑、音响、车灯、智能化的侧视镜。据资料介绍，S级的梅塞德斯轿车，每辆车内平均装有64个微处理器。2024/1/1931电气与信息学院李鸿§1.1.3嵌入式系统工业的特点和要求一、嵌入式系统是不可垄断的高度分散的工业

从某种意义上说，通用计算机行业的技术是垄断的。当代的通用计算机工业被认为是由Wintel（Microsoft和Intel90年代初建立的联盟）垄断的工业。嵌入式系统则是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断市场。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。2024/1/1932电气与信息学院李鸿二、嵌入式系统具有的产品特征1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。如果独立于应用自行发展，则会失去市场。因此，嵌入式处理器的功能、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。2024/1/1933电气与信息学院李鸿2.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设

计，量体裁衣，去除冗余。3.嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体的产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。2024/1/1934电气与信息学院李鸿4.嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。一个体系结构一般要存在8～10年的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统。因此，用户和半导体厂商都不会轻易的放弃一种处理器。2024/1/1935电气与信息学院李鸿5.嵌入式系统中的软件一般都固化在ROM中，其应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，常强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。2024/1/1936电气与信息学院李鸿§1.1.3嵌入式系统工业的特点和要求三、嵌入式系统软件的特征

嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，其特征主要有：1.软件要求固态化存储。2.软件代码高质量、高可靠性：以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。2024/1/1937电气与信息学院李鸿3.系统软件（OS）的高实时性是基本要求在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。2024/1/1938电气与信息学院李鸿4.嵌入式系统软件一般需要RTOS开发平台虽然嵌入式系统的应用程序可以没有OS直接在“裸机”上运行，但是为了合理的调度多任务。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开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。2024/1/1939电气与信息学院李鸿四、嵌入式系统开发需要开发工具和环境

嵌入式系统本身不具备自举开发的能力，设计完成后，用户必须有一套开发工具和环境才能方便的对其硬件、软件进行调试与修改。2024/1/1940电气与信息学院李鸿五、嵌入式系统开发人员以应用专家为主

嵌入式系统要和各个不同行业的应用相结合，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此对开发工具的基本要求是易学、易用、高效、可靠。返回目录下一节2024/1/1941电气与信息学院李鸿嵌入式系统的特点：1.系统的复杂性2.系统的实时性3.系统的可靠性4.系统的专用性5.技术密集6.开发困难2024/1/1942电气与信息学院李鸿第二节

嵌入式系统的硬件介绍

2024/1/1943电气与信息学院李鸿§1.2.1 嵌入式系统微处理器的发展

一、嵌入式系统微处理器的分类与发展

嵌入式系统微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计上占了很大的影响力，嵌入式系统开发人员必须要从琳琅满目的嵌入式系统微处理器中选择一个最适当的微处理器产品作为嵌入式系统控制核心，才能够兼具低成本、高效率的产品优势。以微处理器在单一指令内所能处理的位数来衡量，嵌入式微处理器的发展可以分为以下几个阶段。2024/1/1944电气与信息学院李鸿表1.2.1以位数来对嵌入式系统微处理器分类

4位

8位16位32位64位嵌入式微处理器（单片机型）

TMS1000COPS

8048/49/508051/52,Z86801/04/05

8096/9768200

ARMRISCcoreMIPS32BitsRISCcore

MIPS64BitsRISCcore嵌入式微处理器（一般用途型）

4004，40408085，Z8068026809650280868018680286Z8000

803868048668000/10/20/30/40

PentiumⅡ/Ⅲ

2024/1/1945电气与信息学院李鸿二、CISC和RISC

两种不同结构的微处理器：CISC—ComplexInstructionSetComputer

复杂指令集计算机RISC—ReducedInstructionSetComputer

精简指令集计算机2024/1/1946电气与信息学院李鸿RISC与CISC相比具有如下特点：1)．

使用相当少的指令类别及寻址方式2)．在单一执行的周期内完成指令3)．

CPU中拥有更多的寄存器4)．

使用最优的程序代码编译

由于RISC架构的CPU的硬件设计单纯，成本低廉、省电效益佳等特点，深受嵌入式系统产品的欢迎。

2024/1/1947电气与信息学院李鸿三、数字信号处理器（DSP）

即DigitalSignalProcess是专门处理数字信号数据的微处理器，基本上DSP是针对特定的任务而发展的一种微处理器。

DSP最重要的是大量的即时运算功能；最基本的运算功能是乘法与加法运算如：Σaibi

。DSP的内置硬件构架可以在很短的时间内处理如离散傅立叶转换之类的复杂的加法和乘法问题。

2024/1/1948电气与信息学院李鸿§1.2.2 嵌入式应用的开发设计技术

一、嵌入式应用系统开发的特征

嵌入式应用常将性能要求放在第一位

与通用计算机相比，嵌入式系统的软、硬件更关注时间限制、性能约束和对外交互等问题。即它不但要求满足功能要求，还要求满足性能需求，甚至将性能需求放在第一位。

2024/1/1949电气与信息学院李鸿2.性能要求体现在限定时间的约束或代码大小的约束上，如：

一个处理算法能否满足严格的时间约束，是否需要建造特殊的硬件来完成其任务？OS能否满足高效的中断处理、多任务和通信的要求？编程语言能否支持并发程序的设计，等等2024/1/1950电气与信息学院李鸿3.结论：

嵌入式系统的开发不仅要考虑软件的设计，同时还要考虑硬件的设计，不但要考虑功能的设计，还要考虑性能的设计。

事实上，嵌入式系统的最大问题是设计问题，而不是实现问题。

2024/1/1951电气与信息学院李鸿二.嵌入式系统设计的3个层次

1.第一层次：以PCBCAD软件和ICE为主要工具的设计方法。

PCBCAD—印制板计算机辅助设计软件和PROTEL99ICE—在线（联机）仿真器。这是至今国内单片机应用系统开发人员一直沿用的方法：

2024/1/1952电气与信息学院李鸿系统总体设计选购通用元器件功能检验设计电气原理图设计PCB板图PCB板加工、焊接硬件调试模块划分流程(算法)设计编码软件联调联调“产品定型”硬件设计软件设计2024/1/1953电气与信息学院李鸿2.第二层次：以EDA工具软件和EOS为开发平台的设计方法。

EDA—电子设计自动化EOS—嵌入式实时操作系统

这是一种利用各种通用的可编程半定制逻辑器件来设计和制作部分专用的大规模集成电路（ASIC），然后将ASIC、可编程外围器件、μc或μp在PCB板上布局、布线以构成系统的设计方法。

2024/1/1954电气与信息学院李鸿其中关键是ASIC的开发与设计，即硬件设计人员从过去选择和使用标准通用IC，逐步转向自己设计和制作部分专用的IC器件。

作为ASIC基础的半定制逻辑器件经历了如下发展过程：

2024/1/1955电气与信息学院李鸿PLA—可编程逻辑阵列；PAL—可编程阵列逻辑；GAL—通用阵列逻辑；CPLD—复杂可编程逻辑器件；FPGA—现场可编程门阵列。

发展的趋势是：集成度、速度不断提高；功能不断增强；结构更合理；使用更方便、灵活。

2024/1/1956电气与信息学院李鸿3.第三层次：以IP内核库为基础，用软、硬件协同设计的设计方法。

*.IP（IntellectualProperty知识产权）内核模块是一种预先设计好的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。

*.IP有三种不同的形式：

2024/1/1957电气与信息学院李鸿

(1)软IP内核（softIPcore）: 主要描述功能行为（behavior）提交给用户的是经过行为级设计优化和功能验证的HDL（硬件描述语言）文本。亦称为虚拟器件。

2024/1/1958电气与信息学院李鸿(2)硬IP内核（firmIPcore）：基于物理（physical）描述并经过工艺验证，是基于某种半导体工艺的物理设计，提供给用户的是电路物理结构掩膜版图和全套工艺文件，即可以拿了就用的全套技术。

2024/1/1959电气与信息学院李鸿(3)固IP内核（firmIPcore）：完成结构（structure）描述，设计的深度介于软IP内核和硬IP内核之间。提供给用户的一般是门电路级网表。

软IP内核、固IP内核、硬IP内核相当于集成电路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。

2024/1/1960电气与信息学院李鸿常用的IP内核模块有：

各种CPU（如：32/64位CISC/RISC结构的CPU）；

各种微控制器/单片机（8/16）；

32/64位DSP、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、USB、PCI、网络单元、编译器、编码/解码器、模拟器件模块等。

2024/1/1961电气与信息学院李鸿丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统SOC（SystemOnChip）以尽快占领市场提供了基本保证。

从20世纪90年代开始的，由“集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计，目前已进入SOC设计阶段。

2024/1/1962电气与信息学院李鸿SOC的设计方法不是把系统所需要的所有的集成电路简单地二次集成到1个芯片上，这样实现的系统是不可能达到SOC所要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的。

一个最有效的途径（高速、高可靠性）便是通过授权使用成熟优化的IP内核模块来进行设计集成和二次开发。

2024/1/1963电气与信息学院李鸿4.三个层次的设计方法并行存在，各有应用范围，不会简单地用后者取代前者。

初级应用设计人员会以第一种方法为主，富有经验和一定条件的设计人员会以第二种方法为主；很专业且具有相当条件的设计人员会以第三种方法进行简单的SOC的设计和应用。但所有的设计人员都可以应用大厂商推出的用第三种方法设计的专用SOC。

2024/1/1964电气与信息学院李鸿复杂的SOC只有那些有相当的能力和实力的半导体大厂商才能设计和实现。

如：TI、philips、WINBOND和Atmel等厂商就是通过Intel授权，用其MCS-51的IP内核模块结合自己的特长，开发出有个性的与IntelMCS-51兼容的单片机，如：P80CL51、AT89C51、AT89C2051、9058515、W78E516等。

2024/1/1965电气与信息学院李鸿§1.2.3SOC嵌入式微处理器

一.定义

SOC（SystemOnChip）嵌入式微处理器，顾名思义，是单个芯片上构成的系统，它结合了许多功能模块，做在一个芯片上。例如：DSP微处理器加通信接口单元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口等）。2024/1/1966电气与信息学院李鸿二.SOC嵌入式系统的优点：

*.高密度—高集成度；*.低电压、低功耗—利用改变内部工作电压，降低芯片功耗；*.高速度—减少了各单元电路及电路板上的信号传递，整体上提高了μp的运行速度；*.高抗干扰性能—内嵌的线路，大大避免了外部电路板在信号传递时造成的损耗和干扰。2024/1/1967电气与信息学院李鸿注1：

SOC并不是简单的将所要的集成电路二次集成到一个芯片上，而是在全新理念上通过系统硬、软件协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。

2024/1/1968电气与信息学院李鸿注2：SOC与单片机的区别：SOC使单片机应用技术发生了革命性的变化：从选择厂家提供的定制产品时代进入了由用户自行开发设计器件的时代。(2)SOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是能实现设计功能的IP模块库，即SOC设计的观念是：“设计自己的专用集成电路”。

2024/1/1969电气与信息学院李鸿三.RISC结合DSP的SOC嵌入式系统微处理器

DSP—DigitalSignalProcessRISC—ReducedInstructionSetComputer

DSP的龙头老大德州仪器公司倚仗性能优越的DSP处理器称霸世界DSP市场。最近推出的一项非常先进的SOC嵌入式系统微处理器技术，称为OMAP。

2024/1/1970电气与信息学院李鸿OMAP—OpenMultimediaApplicationPlatform开放式多媒体应用平台，其构成为：DSP+RISC(ARM)+若干外围电路模块代表芯片为OMAP1510，其结构见图:

2024/1/1971电气与信息学院李鸿OMAP1510硬件结构框图2024/1/1972电气与信息学院李鸿主要应用于实时的多媒体影音数据处理、语音识别系统、因特网通信、无线通信与电子商务等。上图中，DSP或ARM微处理器分别完成各自的操作或运算，两者之间通过DSP/BIOSBridge接口交换数据。

2024/1/1973电气与信息学院李鸿四.整合型嵌入式系统微处理器1.ARM公司ARMRISC架构微处理器

ARM公司是一家提供RISC架构嵌入式系统微处理器的公司，位于英国，成立于1990年11月。ARM公司既不生产芯片，也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。采用ARM技术IP核的微处理器遍及汽车、消费电子、成像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等各类产品市场。

2024/1/1974电气与信息学院李鸿ARM嵌入式处理器是一种16/32位的高性能、低功耗的RISC芯片。世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入ARM的相关技术。如：TI、Intel、Motorola、Atmel、Philips、Nec、Sharp、NS、Hynix……2001年基于ARM内核的处理器已占据了32位RISC芯片75％的市场份额，可以说ARM技术几乎无处不在。

2024/1/1975电气与信息学院李鸿ARMRISC架构微处理器系列目前主要分为几个家族产品，分别为ARM7Thumb、ARM9Thumb、ARM10Thumb以及StrongARM等家族。其中StrongARM已有Intel公司取得专用授权，只能由Intel公司从事StrongARM架构微处理器的改进与生产。

2024/1/1976电气与信息学院李鸿(1)ARM7Thumb系列

含ARM710T、ARM720T、ARM740T是一种以ARM7TDMI微处理器为运算核心的RISC架构的32位嵌入式系统微处理器。它面向中初级市场应用，强调价格与传统的8位或16位的嵌入式系统微处理器相差不大，却拥有32位CPU的执行效率，很受市场的欢迎。

2024/1/1977电气与信息学院李鸿ARM7Thumb家族的特性：

*.拥有32位的ALU、寄存器、移位寄存器；*.拥有32位的寻址模式；*.拥有32×8DSP乘法器，可以做数字信号处理；*.拥有16位的Thumb指令集。

Thumb是将ARM指令集的一个子集重新编码而形成的一个指令集，即将部分32位的ARM指令压缩成16位而得到密度更高的代码。使用Thumb指令集可以以16位的系统开销得到32位的系统性能。

2024/1/1978电气与信息学院李鸿(2)ARM9Thumb系列

使用ARM9TDMI处理器内核，包括ARM920T、ARM922T和ARM940T，3种类型。

ARM920T与ARM940T微处理器核心架构如下图所示2024/1/1979电气与信息学院李鸿ARM940T微处理器核心架构图4K字节指令快取内存4K字节数据快取内存ARM9TDMI微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处2024/1/1980电气与信息学院李鸿ARM920T微处理器核心架构图

4K字节指令快取内存4K字节数据快取内存ARM9TDMI微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处EMI接口2024/1/1981电气与信息学院李鸿(3)ARM10Thumb系列针对更强大的多媒体市场及更有效率的即时数据处理等用途所设计的ARMRISC64位架构微处理器。包括：

ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S3种类型。最高频率为300MHZ，具有32K字节的数据快取内存（DCache）和32K字节的指令快取内存（ICache）。2024/1/1982电气与信息学院李鸿ARMRISC嵌入式微处理器的应用范围：*.无线通信设备如：移动电话、笔记本电脑、Internet设备等。*.数字消费设备如：机顶盒、MP3和MPEG4播放器等。*.成像设备如：激光打印机、数码照相机和摄像机等。*.工业控制如：马达控制（运动控制器芯片）和能量控制等。*.汽车、通信和信息系统等。2024/1/1983电气与信息学院李鸿最具代表性的为SA1110是采用ARMV4设计出来，具有以下功能：（4）StrongARM微处理器家族共包含有4种不同的微处理器：StrongARM110、SA1100、AS1110、SA1111均为32位。2024/1/1984电气与信息学院李鸿1）总线工作频率最高可达100MHZ2）含有16KB的指令快取内存（CACHES）3）含有8KB的数据快取内存（CACHES）4）提供一个外围装置控制模块，用来控制与SA1110相连的外围设备，如：LCD显示器、USB控制器、红外线（IrDA）控制器、UART等。5）支持各种协议的控制接口如：MotorolaSPI、NationalMicroWire、TISynchronousSerial、以及PhillipsUCB1100与UCB1200protocol等。2024/1/1985电气与信息学院李鸿StrongARM主要应用在掌上电脑，如：Compaq公司的IPAQH3630、大众公司的LEOE300等。2024/1/1986电气与信息学院李鸿§1.2.4嵌入式微处理器的技术进步集成了越来越多的部件，如：定时器、比较器、A/D、D/A、串行口、WatchDog、LCD控制器、CAN网路控制模块。也有采用三核（TnCore）结构，一片内含有三个CPU，各负其责。一、内部结构的进步2024/1/1987电气与信息学院李鸿二、功耗、封装的进步设置了多种降低功耗的方式，如：等待、暂停、睡眠、空闲、节电等，如Philips公司的P87LPC762单片机，空闲时消耗电流为1.5mA，封装大量采用贴片工艺，以大量减小体积。2024/1/1988电气与信息学院李鸿三、电源电压的进步扩大了电源电压的范围，使得微处理器在较低电压上仍然能工作，是目前的发展目标之一，一般单片机可在3.3～5.5V，有一些可达到2.2～6V的指标。Motorola的8位MCUHCS08系列，工作电压为1.8V，而性能却与许多16位MCU相当。

2024/1/1989电气与信息学院李鸿四、制造工艺的进步基本上采用CMOS技术，大多采用0.6μm以上的光刻工艺，个别公司如：Motorola已采用了0.35μm甚至0.25μm技术，大大提高了CPU芯片内部密度和可靠性。

2024/1/1990电气与信息学院李鸿五、嵌入式系统与Internet的连接

使嵌入式设备能与Internet连接已成为一种趋势，它要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，并通过标准网络浏览器进行过程控制。 如：DVD播放机可以拨号进入Internet的电影数据库直接获得音像资料。GPS（全球定位系统）正越来越多地集成于各类汽车之中。2024/1/1991电气与信息学院李鸿六、实现嵌入式设备Internet网络化的三种方法

关键是在嵌入式系统中实现TCP/IP协议―传输控制协议/网际包协议，是Internet网的标准。1）专用的TCP/IP协议栈软件包：

如VxWorks实时操作系统（美）、DeltaOS（中）中均有支持TCP/IP协议的模块。

2024/1/1992电气与信息学院李鸿2）通过网关实现TCP/TP:

这种网关在重型网络协议（如Internet）和轻型网络协议（如RS-232、RS-485、Modem等）之间充当一个中间媒体的角色。3）在硬件上实现TCP/TP：例：Atmel公司的AVR（先进的精简指令计算机系统）的嵌入式Web服务器可设计成通过以太网接口上网。2024/1/1993电气与信息学院李鸿第三节嵌入式实时操作系统2024/1/1994电气与信息学院李鸿§1.3.1嵌入式RTOS简介嵌入式软件是嵌入式产品的核心，开发嵌入式系统需要一个支持实时多任务的操作系统(RTOS)内核来支持。

目前在国内大多数的嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，而没有采用商品化的RTOS，因此在开发嵌入式系统时无法将操作系统软件与应用软件分开处理，导致再次开发时都要特别定制系统软件和应用软件，开发的代价太大，成本过高。

2024/1/1995电气与信息学院李鸿解决方法是使用一个RTOS内核，这是一个高效率的实时多任务内核。在内核上设计了不同的API接口，这些是应用程序开发的基础。因此，RTOS也是一个软件开发平台。

2024/1/1996电气与信息学院李鸿一、RTOS的定义

RTOS（RealTimeOperatingSystem）是一种用于实时系统中的计算机操作系统。即一个能在指定的时间内完成系统功能和对外作出响应的系统。2024/1/1997电气与信息学院李鸿从表现看，RTOS是实时嵌入式系统中运行的一端背景程序。应用程序则是运行在这个基础之上的多个任务。RTOS根据各个任务的要求进行资源的管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。RTOS根据各任务的优先级来动态的切换各个任务，保证对实时性的要求。与传统的循环控制体系结构相比，这种体系结构是一个很大的改进。2024/1/1998电气与信息学院李鸿从性能上看，RTOS与普通的OS的主要区别是在“实时”二字上。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。因此实时系统可定义为“一个能在指定时间内完成系统功能和对内部或外部作出响应的系统”。2024/1/1999电气与信息学院李鸿二、RTOS的必要性1.传统的嵌入式系统的设计方法：选择元器件－>设计印刷电路板－>编制系统软件和应用软件－>调试－>定型。缺点：存在这诸多不稳定因素和安全隐患；不便于升级；软件难以共享等。

2024/1/19100电气与信息学院李鸿2.实时嵌入式系统的功能不断增强，嵌入式CPU档次越来越高，位数由八位、十六位到三十二位甚至是六十四位。3.软件的设计越来越复杂，包括：多个任务的管理与调度、多中断的嵌套处理、大容量内存的管理以及图形用户界面、网络连接、多CPU通信等。2024/1/19101电气与信息学院李鸿综上可见，必须要依靠一定的OS内核，且是实时OS内核去统一管理和调度多任务；实现任务之间的通信；实时的内存动态