ARM嵌入基礎(chǔ)應用 2

第1章

ARMCortex-M3

嵌入式系統(tǒng)作者：黃克亞2025年5月本章概要CONTENTS嵌入式系統(tǒng)的定義ARMCortex-M3處理器嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)STM32微控制器1.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)在日常生活中無處不在。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為計算機技術(shù)和計算機應用領(lǐng)域的一個重要組成部分。1.1嵌入式系統(tǒng)概述電子計算機是21世紀最偉大的發(fā)明之一，計算機發(fā)展有兩個方向：一是，面向高速數(shù)據(jù)處理和海量數(shù)據(jù)存儲的通用計算機系統(tǒng)。如：386→486→586；PI→PII→PIII→PIVCorei3、i5、i7、i9。1.1嵌入式系統(tǒng)概述二是，以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中的，完成一定的運算和控制功能的嵌入式計算機系統(tǒng)。各種家用電器、手機、PAD、數(shù)字機頂盒等各種常用設備中都有嵌入式系統(tǒng)的身影。1.1.1.什么是嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)是以應用為核心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、安全性、成本、體積、重量、功耗、環(huán)境等方面有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。將微型計算機主要功能部件集成于一塊芯片內(nèi)，稱為單片微型計算機，簡稱單片機，英文縮寫：SCM（singlechipmicrocomputer）單片機在國外通常稱為微控制器，英文縮寫：MCU（MicroControllerUnit）一般認為，傳統(tǒng)的8位單片機是較低級嵌入式系統(tǒng)，而基于ARM的32位單片機是較高級的嵌入式系統(tǒng)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)和通用計算機比較1.1嵌入式系統(tǒng)概述相同硬件和軟件的集合都是由硬件和軟件構(gòu)成的；工作原理是相同的，都是存儲程序機制。系統(tǒng)組成硬件上看：都是由CPU、存儲器、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部件組成；從軟件上看：都可以劃分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩類。硬件，軟件1.1.2嵌入式系統(tǒng)和通用計算機比較1.1嵌入式系統(tǒng)概述不同“嵌入”于不同設備

基本雷同的標準形態(tài)獨立存在形態(tài)專用單一

通用復雜。功能幾mW－幾W幾百W功耗夠用就行

大而全資源“嵌入”的不同設備

通用指標(計算能力、存儲能力)價值1.1.3嵌入式系統(tǒng)特點1.1嵌入式系統(tǒng)概述如嵌入在微波爐中的控制系統(tǒng)只能完成微波爐的基本操作，而不能在洗衣機中使用。1專用性強軟硬件均可剪裁，STM32F1系列，CPU主頻72MHz，存儲器16KB~1MB，操作系統(tǒng)最小8KB。2可裁剪性例如導彈攔截系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)目標，必須立即啟動攔截程序，否則將會產(chǎn)生嚴重后果。3實時性好很多嵌入式系統(tǒng)需全天候持續(xù)工作，甚至在惡劣環(huán)境下工作，大多具有可靠性機制。如看門狗、內(nèi)存保護和重啟機制等。4可靠性高與具體嵌入的產(chǎn)品同步：經(jīng)歷產(chǎn)品導入期→成長期→成熟期→衰退期等各個階段。5生命周期長通用計算機，硬件：Intel，軟件：Microsoft，嵌入式系統(tǒng)，百花爭艷，百家齊鳴！6不易被壟斷1.1.4嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域工業(yè)控制數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、石油化工等工控系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設備的核心，如工控機主板。交通管理與環(huán)境監(jiān)測車輛導航、信息監(jiān)測與汽車服務等方面，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，內(nèi)嵌GPS模塊、GSM模塊、北斗模塊的移動定位終端獲得了成功的使用，如北斗衛(wèi)星。消費電子消費電子是目前嵌入式系統(tǒng)應用最廣、使用最多的領(lǐng)域，如手機。火炮、導彈、坦克、艦艇、月球車、火星車等科學探測設備中，都有著嵌入式系統(tǒng)的身影，如太空車。國防軍事1.1嵌入式系統(tǒng)概述1.1.4嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于辦公自動化產(chǎn)品中，有的甚至嵌入了多個處理器，成為復雜的嵌入式系統(tǒng)設備。如多功能打印機辦公自動化產(chǎn)品網(wǎng)絡和通信設備萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時代，產(chǎn)生了大量網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施、接入設備和終端設備，這些設備中大量使用嵌入式系統(tǒng)。32位嵌入式微處理器廣泛應用于各網(wǎng)絡設備供應商的路由器。汽車電子汽車內(nèi)部的車載信息系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、與駕車安全密切相關(guān)的防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）等都是嵌入式系統(tǒng)。特別是近年來興起的電動汽車和自動駕駛汽車更是高性能嵌入式系統(tǒng)的集成。金融商業(yè)嵌入式系統(tǒng)主要應用在其終端設備，如POS機（PointofSale）、ATM機（AutomaticTellerMachine）、電子秤、電能表、流量計、條形碼閱讀機、自動售貨機、公交卡刷卡器等。1.1嵌入式系統(tǒng)概述1.1.4嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域近年來，便攜式和可穿戴逐漸成為生物醫(yī)學和健康服務設備新的發(fā)展趨勢。便攜式和可穿戴要求生物醫(yī)學和健康服務設備必須具備體積小、功耗低、價格便宜和易于使用的特點，而嵌入式系統(tǒng)恰好滿足這些要求。如智能手環(huán)。生物醫(yī)學信息家電信息家電被視為嵌入式系統(tǒng)潛力最大的應用領(lǐng)域。具有良好的用戶界面，能實現(xiàn)遠程控制和智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢。如智能家居1.1嵌入式系統(tǒng)概述1.1.5嵌入式系統(tǒng)范例1.1嵌入式系統(tǒng)概述產(chǎn)品案例：智盤，快速結(jié)賬系統(tǒng)

1.2ARMCortex-M3

處理器在眾多嵌入式應用系統(tǒng)中，基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)占有極高的市場份額，也是嵌入式學習的首選。1.2ARMCortex-M3處理器1.2.1ARM簡介ARM（AdvancedRISCMachine），既可指英國的芯片設計公司ARM公司，也可指采用ARM技術(shù)的芯片。ARM芯片本質(zhì)上是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式處理器設計中。其主要特點就是低成本、高性能、低功耗，目前已被大多數(shù)芯片廠家采用。ARM公司僅提供IP核，而非完整的芯片。當今，全球95%以上的手機以及超過四分之一的電子設備都在使用ARM技術(shù)。1.2ARMCortex-M3處理器1.2.2ARM處理器ARM處理器進化史1.2ARMCortex-M3處理器1.2.2ARM處理器處理器名字架構(gòu)版本號存儲器管理特性其它特性ARM7TDMIv4TARM7TDMI‐Sv4TARM7EJ‐Sv5EDSP,JazelleARM920Tv4TMMUARM922Tv4TMMUARM926EJ‐Sv5EMMUDSP,JazelleARM946E‐Sv5EMPUDSPARM966E‐Sv5E

DSPARM968E‐Sv5E

DMA,DSPARM966HSv5EMPU（可選）DSPARM1020Ev5EMMUDSPARM1022Ev5EMMUDSPARM1026EJ‐Sv5EMMU或MPUDSP,JazelleARM1136J(F)‐Sv6MMUDSP,JazelleARM1176JZ(F)‐Sv6MMU+TrustZoneDSP,JazelleARM11MPCorev6MMU+多處理器緩存DSPARM1156T2(F)‐Sv6MPUDSPCortex‐M3v7‐MMPU（可選）NVICCortex‐R4v7‐RMPUDSPCortex‐R4Fv7‐RMPUDSP+浮點運算Cortex‐A8v7‐AMMU+TrustZoneDSP,JazelleARM處理器命名表1.2ARMCortex-M3處理器1.2.2ARM簡介更多處理器信息，請訪問ARM官網(wǎng)。1.3STM32微控制器教材講授的是意法半導體公司（STMicroelectronics）推出的32位Cortex-M內(nèi)核的MCU產(chǎn)品，它市場占有率很高，技術(shù)資料全面，官方固件庫易學易用。1.3STM32微控制器1.3.1從Cortex-M3內(nèi)核到基于Cortex-M3的MCUARM與STM321.3STM32微控制器由ARM設計由芯片生產(chǎn)商設計生產(chǎn)，即SQC廠商ARM單片機生產(chǎn)商國別logo意法半導體（ST）歐洲恩智浦(NXP)荷蘭德州儀器(TI)美國兆易創(chuàng)新（GD32）中國1.3STM32微控制器1.3.2微控制器產(chǎn)品線STM32產(chǎn)品線十分豐富，共分為4個類別，17個系列，100多個子系列，1200多個量產(chǎn)芯片。1.3STM32微控制器1.3.2微控制器產(chǎn)品線典型系列及性能1.3STM32微控制器STM32微控制器命名規(guī)則1.3STM32微控制器STM32F103系列微控器命名示例STM32F103C8T6STM32F103VET6STM32F103ZET61.3STM32微控制器

更多產(chǎn)品信息，請訪問ST官網(wǎng)：1.4嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)的軟件一般固化于嵌入式存儲器中，是嵌入式系統(tǒng)的控制核心，控制著嵌入式系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的功能1.4嵌入式系統(tǒng)的軟件引導程序一般由匯編語言編寫，在嵌入式系統(tǒng)上電后運行，完成自檢、存儲映射、時鐘系統(tǒng)和外設接口配置等硬件初始化操作。應用程序一般由C語言編寫，直接架構(gòu)在硬件之上，在引導程序之后運行，負責實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的主要功能。從軟件結(jié)構(gòu)上劃分，嵌入式軟件分為無操作系統(tǒng)和帶操作系統(tǒng)兩種。1.4.1無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件1.4嵌入式系統(tǒng)的軟件1.4.2帶操作系統(tǒng)的嵌入式軟件帶操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖所示，自下而上包括設備驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和應用軟件層等。相比無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件，帶操作系統(tǒng)的嵌入式軟件規(guī)模較大，其應用軟件架構(gòu)于嵌入式操作系統(tǒng)上，而非直接面對嵌入式硬件，可靠性高，開發(fā)周期短，易于移植和擴展，適用于功能復雜的嵌入式系統(tǒng)。1.4嵌入式系統(tǒng)的軟件1.4.3典型嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-IIμC/OSII是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器。效率高，空間小，性能優(yōu)良，擴展性強、內(nèi)核最小2KB，開源不免費。VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。WindRiver產(chǎn)品，高性能，高可靠性，商業(yè)軟件，用于軍事、航空、航天等領(lǐng)域。嵌入式Linux嵌入式Linux是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。AndroidAndroid是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動設備，如智能手機和平板電腦，由Google公司和開放手機聯(lián)盟領(lǐng)導及開發(fā)。WindowsCEWindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個可搶先式、多任務、多線程并具有強大通信能力的32位嵌入式操作系統(tǒng)