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1、嵌入式体系结构及接口技术嵌入式体系结构及接口技术 课程概况课程概况课程学时：总学时：课程学时：总学时：64 ；理论学时：；理论学时：48 ； 上机学时：上机学时：16教学目的：通过本课程的学习，使学生掌握教学目的：通过本课程的学习，使学生掌握嵌入式系统的概念、体系结构、系统组成及嵌入式系统的概念、体系结构、系统组成及设计方法；掌握设计方法；掌握ARM9微处理器的结构和指微处理器的结构和指令系统以及嵌入式软件系统的分析与设计方令系统以及嵌入式软件系统的分析与设计方法，能够进行实际系统的分析与设计。法，能够进行实际系统的分析与设计。 课程概况课程概况教材及参考书教材及参考书教材教材 邱铁邱铁 AR
2、M嵌入式系统结构与编程嵌入式系统结构与编程 清华大学清华大学出版社出版社 2013.8 第第2版版实验指导书或教材实验指导书或教材 计算机实验室编计算机实验室编嵌入式系统实验指导嵌入式系统实验指导参考书参考书杜春雷杜春雷 ARM体系结构与编程体系结构与编程 清华大学出版社清华大学出版社 2015刘洪涛刘洪涛 ARM嵌入式体系结构与接口技术嵌入式体系结构与接口技术人民邮电出版人民邮电出版社社 2009课程概况课程概况教材及参考书教材及参考书嵌入式系统嵌入式系统是当前最热门最有发展前景的是当前最热门最有发展前景的IT应用领域之一。应用领域之一。嵌入式系统是嵌入式系统是嵌入嵌入到目标体系中的到目标体
3、系中的专用专用 计算机系统计算机系统。我们平常用的手机、可视电话、数码相机、摄像机、机顶我们平常用的手机、可视电话、数码相机、摄像机、机顶盒、路由器、数控设备或仪表、医疗仪器、航天航空设备盒、路由器、数控设备或仪表、医疗仪器、航天航空设备等都是嵌入式系统。等都是嵌入式系统。课程概况课程概况嵌入式系统体系结构及接口技术嵌入式系统体系结构及接口技术 嵌入式操作系统 嵌入式软件开发技术专业课程体系专业课程体系本课程的学习路线图本课程的学习路线图理解理解ARM7/ARM9的的编程结构编程结构掌握掌握ARM汇编语言编程汇编语言编程和嵌入式和嵌入式C语言编程语言编程掌握常用接口的掌握常用接口的控制原理和编
4、程控制原理和编程8TM第第1 1章章 绪论绪论 本章主要介绍嵌入式系统的发展历本章主要介绍嵌入式系统的发展历史和相关概念，当前嵌入式技术的主要史和相关概念，当前嵌入式技术的主要应用以及市场上最流行的嵌入式产品，应用以及市场上最流行的嵌入式产品，通过典型产品实例使读者了解当前嵌入通过典型产品实例使读者了解当前嵌入式技术的应用状况和研究方向。最后介式技术的应用状况和研究方向。最后介绍了嵌入式技术未来的发展趋势。绍了嵌入式技术未来的发展趋势。9TM9内容提要内容提要n1.1嵌入式系统定义嵌入式系统定义n1.2嵌入式操作系统嵌入式操作系统n1.3嵌入式技术在工程领域的应用嵌入式技术在工程领域的应用n1
5、.4嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势10TM101.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义近年来，以集成电路为代表的微电子技术取得近年来，以集成电路为代表的微电子技术取得了重大突破，这使计算机技术、微控制器技术了重大突破，这使计算机技术、微控制器技术得到了迅速发展，再加上网络技术的应用与普得到了迅速发展，再加上网络技术的应用与普及，加速了及，加速了21世纪工业生产、军工国防、消费世纪工业生产、军工国防、消费电子、商业活动、科学实验和家庭生活等领域电子、商业活动、科学实验和家庭生活等领域的自动化和信息化进程，这些为嵌入式技术的的自动化和信息化进程，这些为嵌入式技术的大规模发展提供了强大的产业支
6、撑。大规模发展提供了强大的产业支撑。 11TM111.1.1 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程nIntel公司于公司于1971年开发出第一片具有年开发出第一片具有4位总线结构位总线结构的微处理器的微处理器4004，当时主要用于电子玩具、家用电，当时主要用于电子玩具、家用电器，电子控制及简单的计算工具。器，电子控制及简单的计算工具。n1976年年Intel公司推出功能相对较完备的单片机公司推出功能相对较完备的单片机8048。Motorola同时推出了同时推出了68HC05，Zilog公司推公司推出了出了Z80系列。系列。n在在80年代初，年代初，Intel又进一步完善了又进一步完善了8048
7、，在它的基，在它的基础上研制成功了础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得，这在单片机的历史上是值得纪念的一页。纪念的一页。n 51系列的单片机仍然在市场上占有很大的比例，在系列的单片机仍然在市场上占有很大的比例，在各种产品中有着非常广泛的应用。各种产品中有着非常广泛的应用。 12TM12n在在80年代早期，出现了商业级的年代早期，出现了商业级的“实时操作实时操作系统内核系统内核”，嵌入式系统开发的程序员开始，嵌入式系统开发的程序员开始在实时内核下编写嵌入式应用软件，从而使在实时内核下编写嵌入式应用软件，从而使新产品的研制可以获取更短的开发周期、更新产品的研制可以获取更短的开发周期、更
8、低的开发资金和更高的开发效率。低的开发资金和更高的开发效率。 13TM13n嵌入式实时操作系统具有以下特点：嵌入式实时操作系统具有以下特点：（1）采用抢占式的调度策略，任务的实时性好，并）采用抢占式的调度策略，任务的实时性好，并且执行时间是确定的；且执行时间是确定的；（2）具有可裁剪性（根据任务的需要与否进行添加）具有可裁剪性（根据任务的需要与否进行添加或删除操作系统模块）和可移植性（移植到各种处或删除操作系统模块）和可移植性（移植到各种处理器上）；理器上）；（3）具有较好的可靠性和可扩展性，适合嵌入式产）具有较好的可靠性和可扩展性，适合嵌入式产品的应用开发。品的应用开发。14TM14n进入进
9、入90年代，随着任务复杂性的不断增加，软件规年代，随着任务复杂性的不断增加，软件规模也越来越大，实时核也随之逐渐发展并完善，并模也越来越大，实时核也随之逐渐发展并完善，并由此发展成为由此发展成为实时多任务操作系统（实时多任务操作系统（RTOS），），并并作为一种可移植的软件平台成为当前国际嵌入式系作为一种可移植的软件平台成为当前国际嵌入式系统的应用软件支撑。统的应用软件支撑。 n这一阶段在国际上相继出现了这一阶段在国际上相继出现了Palm OS，WinCE，嵌入式嵌入式Linux，Nucleux等嵌入式操作系统等嵌入式操作系统 15TM15n进入进入21世纪，嵌入式系统得到了极大的发展。在硬世
10、纪，嵌入式系统得到了极大的发展。在硬件上，件上，MCU的性能得到了极大的提升，特别是的性能得到了极大的提升，特别是ARM技术的出现与完善，为嵌入式操作系统提供了技术的出现与完善，为嵌入式操作系统提供了功能强大的硬件载体。功能强大的硬件载体。 nIntel、Sansung、Motorola、Phlips和和Atmel纷纷纷纷采用采用ARM技术，再加上其公司先进的外围接口技术技术，再加上其公司先进的外围接口技术与先进的制造技术，设计出功能完备的与先进的制造技术，设计出功能完备的MCU，应用，应用到工业自动化、消费类电子、航空航天、军事工业到工业自动化、消费类电子、航空航天、军事工业等各个领域。等各
11、个领域。 16TM16112嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统的定义与特点 n IEEE的定义：的定义：nDevices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.n从中可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综从中可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。合体，还可以涵盖机械等附属装置。17TM17我国嵌入式系统的行业定义我国嵌入式系统的行业定义n我国嵌入式系统的行业定义我国嵌入式系统的行业定义 以应用为中心以应用为中心,以计算机技术为基础以计算机技
12、术为基础,软件硬件软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。功耗严格要求的专用计算机系统。18TM18n从这个定义可以看出嵌入式系统是与应用紧从这个定义可以看出嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁剪利用。实际系统需求进行合理的裁剪利用。n因此有人把嵌入式系统比作是一个针对特定因此有人把嵌入式系统比作是一个针对特定的应用而的应用而“量身定做量身定做”的的专用计算机系统专用计算机系统。 19TM19n嵌入式系统嵌入式系统：硬件以一个高性
13、能的处理器为：硬件以一个高性能的处理器为基础，软件以一个多任务操作系统为基础的基础，软件以一个多任务操作系统为基础的综合平台。这个平台的处理能力是以往单片综合平台。这个平台的处理能力是以往单片机所无法比拟的，它涵盖了软件和硬件两个机所无法比拟的，它涵盖了软件和硬件两个方面，因此称之为方面，因此称之为“嵌入式系统嵌入式系统”。20TM20嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成：嵌入式系统的组成：嵌入式系统通常由嵌入式系统通常由嵌入式处理器嵌入式处理器、嵌嵌入式外围设备、嵌入式操作系统入式外围设备、嵌入式操作系统和和嵌入式应用软件嵌入式应用软件组成。组成。n嵌入式平台的基本组成结构：嵌入
14、式平台的基本组成结构：21TM21嵌入式系统的开发流程和优势嵌入式系统的开发流程和优势为什么要使用嵌入式系统？为什么要使用嵌入式系统？ 传统的系统开发流程传统的系统开发流程 22TM22嵌入式系统的开发流程和优势嵌入式系统的开发流程和优势为什么要使用嵌入式系统？为什么要使用嵌入式系统？ 嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程避免重复劳动，缩短避免重复劳动，缩短避免重复劳动，缩短避免重复劳动，缩短开发周期，保证开发开发周期，保证开发开发周期，保证开发开发周期，保证开发的成功性！的成功性！的成功性！的成功性！23TM231.2 嵌入式操作系统嵌入式操作系统n嵌入式操作系统（嵌入式操作系统（Embed
15、ded Operation System）产生于）产生于20世纪世纪80年代，当时国际年代，当时国际上一些上一些IT公司开始进行商用嵌入式操作系统公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的设计与开发。和专用操作系统的设计与开发。n到目前为止，已经出现了很多嵌入式操作系到目前为止，已经出现了很多嵌入式操作系统，在嵌入式产品开发中发挥着重要作用。统，在嵌入式产品开发中发挥着重要作用。 24TM24121嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统n嵌入式嵌入式实时实时操作系统是指在限定的时间内对操作系统是指在限定的时间内对输入进行快速处理并作出响应的嵌入式操作输入进行快速处理并作出响应的嵌入式操作系统
16、。系统。n实时操作系统具有实时性，必须有相应的硬实时操作系统具有实时性，必须有相应的硬件支持才能达到实时控制的目的。件支持才能达到实时控制的目的。 25TM25n嵌入式实时操作系统大体可分为嵌入式实时操作系统大体可分为商用型和免商用型和免费型（开源）费型（开源）两种。两种。n商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但价格一般较完善的技术支持和售后服务，但价格一般较高。典型的商用嵌入式实时操作系统有高。典型的商用嵌入式实时操作系统有VxWorks，QNX，OSE，ECOS，PSOS，Windows CE等等。等等。26TM26n免费实
17、时操作系统免费实时操作系统嵌入式嵌入式Linux: 嵌入式嵌入式Linux操作系统是针对嵌入式微控制器操作系统是针对嵌入式微控制器的特点而量身定做的一种的特点而量身定做的一种Linux操作系统，包括操作系统，包括常用的嵌入式通信协议和常用驱动，支持多种文常用的嵌入式通信协议和常用驱动，支持多种文件系统。件系统。 27TM27n嵌入式实时操作内核嵌入式实时操作内核C /OS-II : C /OS-是一个实时操作系统内核，只包含是一个实时操作系统内核，只包含了任务管理、任务调度、时间管理、内存管理和任了任务管理、任务调度、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。没有提供文件系统、务间的通
18、信与同步等基本功能。没有提供文件系统、网络驱动及管理、图形界面等模块。但是由于网络驱动及管理、图形界面等模块。但是由于C /OS-的可移植性和开源性，用户可以根据功能需的可移植性和开源性，用户可以根据功能需求添加所需的各种服务求添加所需的各种服务 28TM281.3嵌入式技术在工程领域的应用嵌入式技术在工程领域的应用29TM29嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围 30TM30崭新的崭新的数字世界数字世界多彩的嵌入式应用多彩的嵌入式应用无线电的发展无线电的发展BTH矿石收音机 单二极管Bush收音机收音机 7个晶体管单二极管Evoke DAB收音机收音机1亿个晶体管2-3个嵌入式处理器31
19、TM31电话的发展电话的发展电话电话 无晶体管BT DECT 1千万个晶体管3个处理器诺基亚手机诺基亚手机 超过7亿个晶体管(多数用于存储器)5-6个处理器32TM32计算机的发展计算机的发展+=Apple Macintosh 黑白显示器1 MIP 处理器Acorn Archimedes彩色显示器10 MIP 处理器 RISC集惠普康柏掌上电脑惠普康柏掌上电脑 彩色显示200 MIP 处理器64MB 内存 袖珍型袖珍型33TM33嵌入式Internet应用34TM34航海仪器的发展航海仪器的发展地图、时钟、指南针地图、时钟、指南针 印刷及磁技术无晶体管Raytheon 船用航海仪器GPS定位器
20、定位器 约1亿个晶体管2-3个处理器 + 4个人造卫星个人造卫星!35TM35军事国防领域军事国防领域36TM36航天领域航天领域37TM37嵌入式系统在机器人控制中的应用嵌入式系统在机器人控制中的应用38TM38智能玩具与机器人智能玩具与机器人39TM391.4嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势n时代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商时代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商机，为嵌入式产品提供了广阔的市场前景，机，为嵌入式产品提供了广阔的市场前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战 。40TM401随着信息化与数字化的发展，嵌入式设备进行网随着信息化
21、与数字化的发展，嵌入式设备进行网络互联是未来发展的趋势。络互联是未来发展的趋势。n未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展，未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展，网络化成为发展的方向。要进行网络互联，在硬件网络化成为发展的方向。要进行网络互联，在硬件设计上要提供各种网络通信接口设计上要提供各种网络通信接口 (TCP/IP, UART, IEEE1394, USB, CAN, Bluetooth, IrDA等）。等）。n在应用软件方面，要提供可以在设备上安装嵌入式在应用软件方面，要提供可以在设备上安装嵌入式Web浏览器，实现网页浏览和远程数据库的访问。浏览器，实现网页浏览和远程数据库
22、的访问。 41TM412优化嵌入式系统软硬件内核，提高系统运行优化嵌入式系统软硬件内核，提高系统运行速度，降低功耗和硬件成本。速度，降低功耗和硬件成本。 嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备，为了嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备，为了提高运行速度、降低功耗和成本，要求开发人员尽提高运行速度、降低功耗和成本，要求开发人员尽量裁剪系统的硬件资源和软件内核，利用最少的硬量裁剪系统的硬件资源和软件内核，利用最少的硬件资源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中件资源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中要不断的优化硬件电路并改进算法，达到最佳的控要不断的优化硬件电路并改进算法，达到最佳的控制功能。制功能
23、。 42TM423指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。n在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运算功在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运算功能，比如向量计算，这就需要在单个时钟周期内实现多个能，比如向量计算，这就需要在单个时钟周期内实现多个数据的运算操作。数据的运算操作。n在在CPU中设计多个执行部件来完成此功能，这种中设计多个执行部件来完成此功能，这种CPU的架的架构形式称为构形式称为单指令流多数据流体系结构单指令流多数据流体系结构，也称之为指令级，也称之为指令级的并行计算技术。的并行计算技术。 43TM434嵌入式微处理器将会
24、向多核技术发展。嵌入式微处理器将会向多核技术发展。n无所不在的智能必将带来无所不在的计算，大量无所不在的智能必将带来无所不在的计算，大量的图像信息也需要高速的处理器来处理，面对海的图像信息也需要高速的处理器来处理，面对海量数据，单个处理器可能无法在规定的时间完成量数据，单个处理器可能无法在规定的时间完成处理。处理。 n引入并行计算技术，可以采用多个执行单元同时引入并行计算技术，可以采用多个执行单元同时处理，这就是处理器的多核技术。处理，这就是处理器的多核技术。 44TM445嵌入式技术将引领信息时代嵌入式技术将引领信息时代n嵌入式产品具有自身的优点，如体积小、低功耗等，这嵌入式产品具有自身的优点，如体积小、低功耗等，这也正是在走可持续发展的战略也正是在走可持续发展的战略 ；n使我们无论身处何时、何地，想要什么信息都可以信手使我们无论身处何时、何地，想要什么信息都可以信手拈来拈来 ；n“无所不在的智能无所不在的智能”的观点，它是嵌入式系统应用的最的观点，它是嵌入式系统应用的最高境界。高境界。 45TM第第1 1章章 绪论绪论 The End
