《嵌入式系統(tǒng)總結(jié)》PPT課件

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1、按照章節(jié)進(jìn)行分類,嵌入式系統(tǒng)總結(jié),嵌入式系統(tǒng)的概念及現(xiàn)實(shí)中的實(shí)例,兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,第一章嵌入式系統(tǒng)概述,2.1 ARM簡介,ARM公司簡介,ARM是Advanced RISC Machines的縮寫，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC （精簡指令集）處理器。 公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世

2、界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。,,ARM兩大處理器狀態(tài)特點(diǎn)及其關(guān)系,ARM7TDMI處理器內(nèi)核包含2套指令系統(tǒng)，分別為ARM指令集和Thumb指令，并且各自對(duì)應(yīng)1種處理器的狀態(tài)： ARM狀態(tài)：32位，處理器執(zhí)行字方式的ARM指令，處理器默認(rèn)為此狀態(tài)； Thumb狀態(tài)：16位，處理器執(zhí)行半字方式的Thumb指令。,第3章 ARM7TDMI(-S)指令系統(tǒng),簡介,ARM處理器是基于精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)譯碼機(jī)制較為簡單。ARM7TDMI(-S)具有32位ARM指令集和16位Thumb指令集，ARM指令集效率高，但是代碼密度低;而Thumb指令集具

3、有較高的代碼密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，它是ARM指令集的子集。所有的ARM指令都是可以有條件執(zhí)行的，而Thumb指令僅有一條指令具備條件執(zhí)行功能。ARM程序和Thumb程序可相互調(diào)用，相互之間的狀態(tài)切換開銷幾乎為零。,第3章 ARM7TDMI(-S)指令系統(tǒng),ARM指令集與Thumb指令集的關(guān)系,Thumb指令集具有靈活、小巧的特點(diǎn),ARM指令集支持ARM核所有的特性，具有高效、快速的特點(diǎn),3.1 ARM處理器尋址方式,尋址方式分類,尋址方式是根據(jù)指令中給出的地址碼字段來實(shí)現(xiàn)尋找真實(shí)操作數(shù)地址的方式。ARM處理器具有8種基本尋址方式。 1.寄存器尋址；2.立即尋址； 3.寄存

4、器移位尋址；4.寄存器間接尋址； 5.基址尋址；6.多寄存器尋址； 7.堆棧尋址；8.相對(duì)尋址。,3.2 指令集,常用指令的使用,3.2 指令集介紹,ARM存儲(chǔ)器訪問指令單寄存器存取,,,思考與練習(xí),?,1.MOV指令與LDR指令都是往目標(biāo)寄存器中傳送數(shù)據(jù)，但是它們有什么區(qū)別嗎？ MOV指令用于將數(shù)據(jù)從一個(gè)寄存器傳送到另一個(gè)寄存器中，或者將一個(gè)常數(shù)傳送到一個(gè)寄存器中，但是不能訪問內(nèi)存。LDR指令用于從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)放入寄存器中。,3.2 指令集介紹,算術(shù)邏輯運(yùn)算指令,算術(shù)邏輯運(yùn)算指令包括“加/減”以及“與/或/異或”等指令，它們的格式如下：,,,,1.LPC2000系列簡介 2.引腳描述 3.

5、存儲(chǔ)器尋址 4.系統(tǒng)控制模塊 5.存儲(chǔ)器加速模塊 （MAM） 6.外部存儲(chǔ)器控制器（EMC） 7.引腳連接模塊 8.GPIO,第四章LPC2000系列ARM硬件結(jié)構(gòu),9.向量中斷控制器 10.外部中斷輸入 11.定時(shí)器0和定時(shí)器1 12.SPI接口 13.I2C接口 14.UART(0、1) 15.A/D轉(zhuǎn)換器 16.看門狗 17.脈寬調(diào)制器(PWM) 18.實(shí)時(shí)時(shí)鐘,4.3.1 片內(nèi)存儲(chǔ)器,片內(nèi)Flash編程方法,1. 使用JTAG仿真/調(diào)試器，通過芯片的JTAG接口下載程序；,2. 使用在系統(tǒng)編程技術(shù)（即ISP），通過UART0接口下載程序；,3.使用在應(yīng)用編程技術(shù)（即IAP），在用戶程序

6、運(yùn)行時(shí)對(duì)Flash進(jìn)行擦除和/或編程操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和固件的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。,,,,,,,,,,,JTAG,,UART0,4.3.1 片內(nèi)存儲(chǔ)器,片內(nèi)Flash編程方法,2. 使用在系統(tǒng)編程技術(shù)（即ISP），通過UART0接口下載程序；,3. 使用在應(yīng)用編程技術(shù)（即IAP），在用戶程序運(yùn)行時(shí)對(duì)Flash進(jìn)行擦除和/或編程操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和固件的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。,1. 使用JTAG仿真/調(diào)試器，通過芯片的JTAG接口下載程序；,4.3.2 片外存儲(chǔ)器,片外Flash編程方法,Flash的擦寫操作需要配合一段符合Flash編程時(shí)序的代碼，這段代碼稱為裝載程序，一般由用戶編寫。,,,程序代碼（源）,程序

7、代碼（目標(biāo)）,Loader,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,下載用戶代碼時(shí)，首先得在CPU內(nèi)運(yùn)行裝載程序，通過它把從串口（或其它接口）接收的代碼寫到片外Flash中。,概述,4.3.3 存儲(chǔ)器映射,ARM芯片可以存在片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器，這些存儲(chǔ)器本身不具有地址信息，它們?cè)谛酒械牡刂肥怯尚酒瑥S家或用戶分配的，那么給物理存儲(chǔ)器分配邏輯地址的過程稱為存儲(chǔ)器映射。通過這些邏輯地址就可以訪問到相應(yīng)存儲(chǔ)器的物理存儲(chǔ)單元。,4.3.5 存儲(chǔ)器重映射及引導(dǎo)塊,存儲(chǔ)器重映射,將已經(jīng)過映射的存儲(chǔ)器再次映射的過程稱為存儲(chǔ)器重映射，它使同一物理存儲(chǔ)單元出現(xiàn)多個(gè)不同的邏輯地址。這些存儲(chǔ)單元

8、主要包括引導(dǎo)塊“Boot Block”和用于保存異常向量表的少量存儲(chǔ)單元。,Addr1,0 x1234,0 x1234,,,注意：存儲(chǔ)器重映射并不是對(duì)映射單元的內(nèi)容進(jìn)行了復(fù)制，而只是將多個(gè)地址指向了同一個(gè)存儲(chǔ)單元，這種效果是通過芯片內(nèi)部的“存儲(chǔ)器管理部件”實(shí)現(xiàn)的。,4.4.2 時(shí)鐘系統(tǒng),時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu),LPC2000系列微控制器的時(shí)鐘系統(tǒng)包括四個(gè)部分：晶體振蕩器、喚醒定時(shí)器、鎖相環(huán)（PLL）和VPB分頻器。,外接晶體或外接時(shí)鐘源,產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào),將Fosc提升到合適的頻率,1,3,4,2,4.5 存儲(chǔ)器加速模塊（MAM）,概述,LPC2000微控制器擴(kuò)展了器件內(nèi)部Flash總線寬度為128位

9、，用于提高處理器的指令執(zhí)行速度。這個(gè)接口通過存儲(chǔ)器加速模塊(MAM)來控制。,,3,1,2,4,,,,關(guān)閉MAM指令執(zhí)行情況,所有存儲(chǔ)器操作請(qǐng)求都會(huì)直接對(duì)Flash操作，由此產(chǎn)生了CPU停止，等待若干周期的情況。,,開啟MAM指令執(zhí)行情況,,,,,只要指令存在兩個(gè)組的指令緩存區(qū)中，CPU的指令執(zhí)行是連續(xù)的，由此大大提高了指令執(zhí)行效率。,4.9 向量中斷控制器,概述,ARM7TDMI內(nèi)核具有兩個(gè)中斷輸入，分別為IRQ中斷和FIQ中斷。向量中斷控制器（VIC）負(fù)責(zé)管理芯片的中斷源，最多可以管理32個(gè)中斷輸入請(qǐng)求。,CPU 內(nèi)核 ARM7TDMI-S,4.9 向量中斷控制器,FIQ中斷硬件處理流程,

10、,,,,將當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容備份 即，SPSR_fiq = CPSR,處理器切換到FIQ模式,禁止IRQ和FIQ中斷，即，I = F = 1,保存返回地址 LR_fiq = PC,設(shè)置FIQ異常入口地址 PC = 0 x1C,,發(fā)生FIQ異常事件,說明：ARM7不支持FIQ中斷嵌套,4.9 向量中斷控制器,IRQ中斷相應(yīng)流程,,,,,將當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容備份 即，SPSR_irq = CPSR,處理器切換到IRQ模式,禁止IRQ中斷，即，I = 1,保存返回地址 LR_irq = PC,設(shè)置IRQ異常入口地址 PC = 0 x18,,發(fā)生IRQ異常事件,說明：ARM7不支持IR

11、Q中斷嵌套,4.10 外部中斷輸入,概述,LPC2000系列ARM具有4路外部中斷，可以設(shè)置為2種類型： 邊沿觸發(fā)： 上升沿觸發(fā) 下降沿觸發(fā) 電平觸發(fā)： 高電平觸發(fā) 低電平觸發(fā),4.12 SPI接口,(Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口),SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出

12、/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT或INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。,4.13 I2C接口,概述,I2C總線是Philips推出的串行傳輸總線，它以2根連線實(shí)現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。,I2C總線采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，通過軟件尋址完全避免了期間的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡單而靈活的擴(kuò)展方法。 I2C總線的兩根線（串行數(shù)據(jù)SDA，串行時(shí)鐘SCL）連接到總線上的任何一個(gè)器件，每個(gè)器件都應(yīng)有一個(gè)唯一的地址，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器。此

13、外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以被看作是主機(jī)或者從機(jī)。,I2C總線規(guī)范傳輸協(xié)議,主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī),,I2C總線規(guī)范傳輸協(xié)議,主機(jī)讀取從機(jī)數(shù)據(jù),,復(fù)合格式,,對(duì)從機(jī)進(jìn)行尋址，同時(shí)R/W = 0,,發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù),,,發(fā)送應(yīng)答信號(hào),,UART簡介,UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步接收/發(fā)送裝置，UART是一個(gè)并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成在主板上，多數(shù)是16550AFN芯片。因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進(jìn)行異步傳輸，其過程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到U

14、ART的寄存器（臨時(shí)內(nèi)存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊(duì)列）傳送到串行設(shè)備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。,應(yīng)用示例,4.16 看門狗,看門狗簡介,在嵌入式應(yīng)用中，CPU必須可靠工作，即使因?yàn)槟撤N原因進(jìn)入了一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)，系統(tǒng)也應(yīng)該可以自動(dòng)恢復(fù)?？撮T狗的用途就是使微控制器在進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)后的一定時(shí)間內(nèi)復(fù)位。 其原理是在系統(tǒng)正常工作時(shí)，用戶程序每隔一段時(shí)間執(zhí)行喂狗動(dòng)作（一些寄存器的特定操作），如果系統(tǒng)出錯(cuò)，喂狗間隔超過看門狗溢出時(shí)間，那么看門狗將會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使微控制器復(fù)位。,4.16 看門狗,看門狗簡介,看門

15、狗分硬件看門狗和軟件看門狗。硬件看門狗是利用一個(gè)定時(shí)器電路，其定時(shí)輸出連接到電路的復(fù)位端，程序在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)定時(shí)器清零(俗稱“喂狗”)，因此程序正常工作時(shí)，定時(shí)器總不能溢出，也就不能產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。如果程序出現(xiàn)故障，不在定時(shí)周期內(nèi)復(fù)位看門狗，就使得看門狗定時(shí)器溢出產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)并重啟系統(tǒng)。,4.17 脈寬調(diào)制器,PWM簡介,LPC2000的PWM基于標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)器模塊，具有定時(shí)器的所有特性，它是定時(shí)器匹配功能的擴(kuò)展。使用PWM功能，可以在指定引腳輸出需要的波形。輸出波形可分為兩類： 單邊沿輸出； 雙邊沿輸出。,5.1 最小系統(tǒng),框圖,可選，因?yàn)樵S多面向嵌入式領(lǐng)域的微控制器內(nèi)部集成了程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

16、器,可選，但是在樣品階段通常都會(huì)設(shè)計(jì)這部分電路,C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,September,2007,,任務(wù)設(shè)計(jì)| C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,任務(wù)的分類,任務(wù),按照?qǐng)?zhí)行方式分類,,一般的操作系統(tǒng)都提供時(shí)間管理的函數(shù)，最基本的就是延時(shí)函數(shù)，C/OS-II也不例外，C/OS-II所具有的時(shí)間管理函數(shù)見下表。,C/OS-II具有簡單的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理能力。C/OS-II的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)見下表。,任務(wù)管理函數(shù)是操作與任務(wù)相關(guān)功能的函數(shù)，詳見下表。,系統(tǒng)管理函數(shù)是一些與C/OS-II內(nèi)核或功能相關(guān)的一些函數(shù)，詳見下表。,C/OS-II的初始化函數(shù)有2個(gè)：OSInit()和OSStart()，它們

17、不能在任何任務(wù)和中斷服務(wù)程序中使用，僅在main()函數(shù)中按照一定的規(guī)范被調(diào)用，其中OSInit()函數(shù)初始化C/OS-II內(nèi)部變量，OSStart()函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境。,C/OS-II把信號(hào)量等都稱為事件，管理它們的就是事件管理函數(shù)。C/OS-II V2.52具有的事件有普通信號(hào)量、互斥信號(hào)量、事件標(biāo)志組、消息郵箱和消息隊(duì)列，這些都是C/OS-II用于同步與通訊的工具，本章后述的內(nèi)容將會(huì)詳細(xì)介紹。,系統(tǒng)函數(shù)概述| C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,系統(tǒng)函數(shù)的分類,,,,根據(jù)功能分類,,C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),互斥信號(hào)量,,簡介,資源同步,函數(shù)列表,互斥信號(hào)量 | C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

18、,,簡介,,互斥信號(hào)量也稱為mutex，專用于資源同步。互斥信號(hào)量具有一些特性：占用一個(gè)空閑優(yōu)先級(jí)，以便解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。,在日常生活中，出租車是一種常用的共享資源，當(dāng)出租車載客時(shí)，從外面可以看到標(biāo)識(shí)為載客；當(dāng)空閑時(shí)，標(biāo)識(shí)為空車。這樣等車的人就可以根據(jù)標(biāo)識(shí)知道出租車的當(dāng)前狀態(tài)，判斷是否能夠座上這輛車。這個(gè)標(biāo)識(shí)牌就是一個(gè)二值信號(hào)量。由于這種二值信號(hào)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的獨(dú)占式處理，所以叫做互斥信號(hào)量。,二值信號(hào)量,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的獨(dú)占式處理,互斥信號(hào)量,,,,,,互斥信號(hào)量 | C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,簡介,,優(yōu)先級(jí)列表,任務(wù)1,任務(wù)2,任務(wù)3,假設(shè)任務(wù)1和任務(wù)3共享一個(gè)資源，任務(wù)2

19、為優(yōu)先級(jí)介于任務(wù)1和任務(wù)3之間的一個(gè)與該共享資源無關(guān)任務(wù)，分析優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。,任務(wù)2優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)3而進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),任務(wù)1申請(qǐng)共享資源而處于等待狀態(tài),此時(shí)，雖然任務(wù)1比任務(wù)2優(yōu)先級(jí)更高，但卻在任務(wù)2之后運(yùn)行，這種現(xiàn)象就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。,任務(wù)3得到共享資源而處于運(yùn)行狀態(tài),,互斥信號(hào)量 | C/OS-II程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,簡介,,綜上所述，可以說能防止優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的信號(hào)就是互斥信號(hào)量。,優(yōu)先級(jí)列表,互斥信號(hào)量,任務(wù)1,任務(wù)2,任務(wù)3,任務(wù)3,假設(shè)任務(wù)1和任務(wù)3共享一個(gè)資源，使用互斥信號(hào)量進(jìn)行資源同步，任務(wù)2為優(yōu)先級(jí)介于任務(wù)1和任務(wù)3之間的一個(gè)與該共享資源無關(guān)任務(wù)，通過互斥信號(hào)量解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。,任務(wù)2優(yōu)先級(jí)不夠高無法獲得CPU,任務(wù)1申請(qǐng)互斥信號(hào)量而處于等待狀態(tài),任務(wù)3,此時(shí)，任務(wù)2無法在任務(wù)1之前得到運(yùn)行，不發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn),任務(wù)1,任務(wù)3獲得CPU，且優(yōu)先級(jí)升到互斥信號(hào)量優(yōu)先級(jí),任務(wù)1獲得CPU，且優(yōu)先級(jí)升到互斥信號(hào)量優(yōu)先級(jí),,,祝大家考試順利！,