嵌入式原理及应用第三版

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图1.3 典型嵌入式系统硬件组成
• 不同应用场合选择不同的嵌入式处理器， 不同嵌入式处理器内置硬件组件有所不同， 内置外设的接口也有差异，因此，嵌入式 系统的硬件要根据实际应用选择或裁剪， 以最少成本满足应用系统的要求。 • 1.3.2 嵌入式系统的软件 • 嵌入式系统的软件包括设备驱动层、嵌入 式操作系统（如果需要嵌入式操作系统的 话）、应用程序接口API层以及实际用户应 用程序层。对于简单的嵌入式系统，可以 没有
• 模式、对应用编程要有一定的了解。在此 基础上必须在实际工程实践中掌握一定的 实际项目开发技能。 • 其次对于嵌入式系统的学习，必须要有一 个较好的嵌入式系统开发平台和开发环境。 功能全面的开发平台一方面为学习提供了 良好的开发环境，另一方面开发平台本身 也是一般的典型实际应用系统。一般开发 平台上商家已经提供了一些基础例程和典 型实际应用例程，对于初学者和进行实际
第一章 嵌入式系统概论
• • • • • • • 1.1 嵌入式系统概述 1.2 嵌入式处理器 1.3 嵌入式系统的组成 1.4 嵌入式操作系统 1.5 嵌入式系统的设计方法 1.6 嵌入式系统的软件设计 1.7嵌入式系统开发与调试工具
1.1 嵌入式系统概述
1.1.1 嵌入式系统的概念 通常，计算机连同一些常规的外设是作为独 立的系统而存在，并非为某一方面的专门应 用而存在的。例如一台PC机就是一个计算机 系统，整个系统存在的目的就是为人们提供 一台可编程、会计算、能处理数据的机器。 可以用它作为科学计算的工具，也可以用它 作为企业管理的工具。人们把这样的计算机 系统称为通用计算机系统。但是有些系统却
• 节将从嵌入式系统所涉及的基础知识讲起， 从硬件到软件逐步深入，从内部结构到外 围接口，从指令系统到程序设计，直到嵌 入式系统的设计。 • 1.2 嵌入式处理器 • 1.2.1 嵌入式处理器种类 • 嵌入式处理器主要有四类： • 1.嵌入式微处理器 • 2.嵌入式微控制器
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3. 嵌入式数字信号处理器 4．嵌入式片上系统 1.2.2 ARM嵌入式处理器简介 英国ARM(Advanced RISC Machines)Limited公司成立于1990年， ARM是公司的名称，但作为嵌入式处理器 的杰出代表，ARM已成为嵌入式处理器的 代名词了。目前，ARM架构处理器已在高 性能、低功耗、低成本应用领域中占据领 先地位。
• ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权 IP供应商。它为ARM架构处理器提供了 ARM处理器内核(如ARM7、ARM9、 ARM11以及ARM Cortex－A、Cortex－M 和Cortex－R等)。 • ARM公司把ARM处理器分为经典ARM处理 器、ARM Cortex嵌入式处理器、ARM Cortex实时嵌入式处理器、ARM Cortex应 用处理器、以及专家处理器四大类，如图 1.1所示。
• 2.嵌入式系统对环境的要求 • 3.嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要 求的计算机系统 • 4.嵌入式系统集计算机技术与各行业于一体 的集成系统 • 5.嵌入式系统具有较长的生命周期 • 6.嵌入式系统的软件固体在非易失性存储器 中 • 7.嵌入式系统的实时性要求
• 8.嵌入式系统需专用开发环境和开发工具进 行设计 • 1.1.3 嵌入式系统的发展 • 20世纪60年代末期，随着微电子技术的发 展，嵌入式计算机开始逐步兴起。随着计 算机技术、通信技术、电子技术一体化进 程不断加剧，目前嵌入式技术已成为广大 技术人员的研究热点。 • 1．嵌入式系统发展的四个阶段
航空航天领域 飞行导航控制
军事国防领域 军事电子
工业领域
消费电子领域
工控设备
信息家电 智能玩具
工业过程控制
嵌入式系统的 应用领域
智能仪表
通信设备
汽车电子
网络设备
传感器网络 网络领域
电子商务
移动存贮
• 图 1.1 嵌入式系统的应用领域 • 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它 们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动
64 位
Cortex-A8 Cortex-A7 ARM 11 Cortex-A5 Cortex-R7 Cortex-R5 ARM 9 Cortex-M3 ARM 7 2003 Cortex-M1 Cortex-M0 Cortex-R4 Cortex-M4 32 位 ARM 专家处理器 (SecurCore)
功 能 性 能
经典 ARM 处理器 (ARM n)
ARM Cortex 嵌入式 处理器 (Cortex-M)
ARM Cortex 实时嵌入式 处理器 (Cortex-R) Cortex-A15 Cortex-A9
Cortex-A73 ARM Cortex Cortex-A72 应用处理器 (Cortex-A) Cortex-A57 Cortex-A53 Cortex-A35(32/64 ) Cortex-A32(32 位) Cortex-M7
嵌入式系统原理及应用第三版
第一章 嵌入式系统概论（第三版） 第二章 嵌入式处理器（第三版） 第三章 嵌入式系统程序设计（第三版） 第四章 嵌入式最小系统设计（第三版） 第五章 数字输入输出接口原理及其应用（第三版） 第六章 定时计数器组件及其应用（第三版） 第七章 模拟输入输出接口原理及其应用（第三版） 第八章 互连通信接口设计（第三版）
• 床，过程控制，数据采集与处理）、办公 自动化（通用计算机中的智能接口）、电 网安全与电网设备检测、商业应用（电子 秤，POS机，条码识别机）、安全防范 （防火、防盗、防泄漏等报警系统）、网 络通信（路由器、网关、手机、PDA等、 无线传感器网络）、汽车电子与航空航天 （汽车防盗报警器、汽车和飞行器黑匣子、 导航仪以及飞行控制器等）以及军事领域 等各个领域。如图1.1所示。
• （1）8位/16位单片机为核心的初级嵌入式 系统 • （2）以32位嵌入式微控制器为基础的中级 嵌入式系统 • （3）以嵌入式操作系统为标志的中高级嵌 入式系统 • （4）以Internet为标志的高级嵌入式系统 • 2．嵌入式系统的发展趋势 • （1）联网成为必然趋势
• （2）支持小型电子设备实现小尺寸、微功 耗和低成本 • （3）提供精巧的多媒体人机界面 • 1.1.4 嵌入式系统的应用 • 嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是 现代计算机技术改造传统产业、提升许多 领域技术水平的有力工具。主要应用领域 包括产品智能化（智能仪表、智能和信息 家电）、工业自动化（测控装置，数控机
• 1.1.2 嵌入式系统的特点 • 由于嵌入式系统是一种特殊形式的专用计 算机系统，因此同计算机系统一样，嵌入 式系统由硬件和软件构成。与以PC机为代 表的通用计算机系统比较，嵌入式系统是 由定义中的三个基本要素衍生出来的，不 同的嵌入式系统其特点会有所差异，其主 要特点概括如下： • 1.嵌入式系统是专用的计算机系统
• 1.3 嵌入式系统的组成 • 嵌入式系统既然是一种专用的计算机应用 系统，当然应该包括嵌入式系统的硬件和 软件两大部分，由于嵌入式系统是一个应 用系统，因此还有应用中的执行机构，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等 功能。典型的嵌入式系统如图1.2所示。
执 行 机 构
驱动器1 驱动器2 驱动器3 „„ 驱动器n 被控对象
• 洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统 应用的例子。嵌入式系统广泛的适应能力 和多样性，使得视听、工作场所甚至健身 设备中到处都有嵌入式系统的影子。 因此 可以说嵌入式系统无处不在。 • 1.1.5 嵌入式系统的学习方法 • 既然嵌入式系统的应用如此广泛，对于计 算机专业、电子信息专业、自动化专业以 及机电一体化等专业学生以及需要掌握嵌 入式技术的人员，学习嵌入式系统及其开
嵌入式最小系统 数字量 I/O 接口 隔离电路 调试 接口 时钟 模块 模拟输出 通用 设备
输入通道（前向通道） 嵌入式处理器 模拟量 模拟输入 内部存储器 存储模块 显示器 人机交互通道 键 盘 供电 模块 复位 模块 通信接口 相互互连通道 外部存储器 器 隔离电路 开关量 伺服驱动控制
输出通道 （后向通道）
• 指为目标系统量身定制的计算机，再把它 有机地植入，融入目标系统。 • 1. 嵌入式系统的定义 • （1）IEEE（国际电气和电子工程师协会） 的定义 • （2） 国内公认的较全面的定义 • （3） 简单定义 • 2. 嵌入式系统的三个要素
• 嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系 统的三个基本要素。 • 3. 嵌入式技术 • 4. 嵌入式产品 • 5. 嵌入式 • 6. 嵌入式产业 • 7. 嵌入式系统开发工具 • 8. 嵌入式系统开发平台
SC300 （基于 M3) 300 SC100(基于 M0) SC000(基于 ARM7TDMI) 推出时间 2013 2015
2005
2009
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图 1.1 ARM处理器内核应用分类
• 经典ARM处理器包括传统的ARM7、ARM9、 ARM10和ARM11等，这些ARM内核已经在 ARM公司主页上找不到了，已经全面转向 基于ARM Corttex内核的处理器，这是ARM 的发展方向。因此本书不再以经典ARM （如ARM7和ARM9等）内核为主线，而是 以流行的ARM Cortex系列最为常用的ARM Cortex-M（如M0或M3、M4）为例介绍嵌 入式系统的应用。
MMU/Cache
硬 件
Timer/RTC CAN 以太网 DMA UART和IrDA
Flash E2PROM 内 SRAM 存 SDRAM
输 入 输 出 接 口
看门狗及 复位电路
人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标
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图1.2 典型嵌入式系统的组成
• 1.3.1 嵌入式系统的硬件 • 从实际应用角度来看，典型的嵌入式硬件 系统如图1.3所示。嵌入式系统硬件包括嵌 入式最小系统（嵌入式处理器、存储模块、 复位模块、电源模块以及调试接口）、输 入通道（数字输入、模拟输入）、输出通 道（数字输出、模拟输出）、人机交互通 道（键盘、显示器）以及通信互连通道组 成（各种通信接口）。