南京理工大学嵌入式系统课件综述

南京理工大学嵌入式系统课程概述课程教学目标及要求教学目标教学要求通过本课程的学习，学生将能够•理解嵌入式系统概念和特点•掌握ARM处理器架构和指令系统•熟悉μC/OS-II嵌入式操作系统•掌握常用嵌入式外设驱动开发•熟练使用调试工具进行程序调试•独立完成嵌入式系统项目设计嵌入式系统的定义与特点定义嵌入式系统是一种专用的计算机系统，通常是集成在更大的系统中的它通常包括处理器、存储器、外设和其他硬件组件，以及为特定应用程序定制的软件特点嵌入式系统具有以下特点•专用于特定应用•资源受限•实时性要求高嵌入式系统的发展历史早期阶段120世纪70年代，随着微处理器的出现，嵌入式系统开始发展早期的嵌入式系统主要用于工业控制和军事领域发展阶段220世纪80年代，嵌入式系统开始应用于消费电子产品，例如游戏机和家用电器普及阶段320世纪90年代，随着互联网和移动通信技术的发展，嵌入式系统得到了广泛应用，例如手机、电脑、汽车等智能化阶段4嵌入式系统的应用领域移动设备汽车电子航空航天手机、平板电脑、智能汽车控制系统、车载娱无人机、卫星导航系手表等乐系统、安全系统等统、飞行控制系统等工业自动化嵌入式处理器概述定义分类嵌入式处理器是专门为嵌入式系统设计的处理器，通常具有低功嵌入式处理器主要分为以下几类耗、高性能、小型化等特点•通用嵌入式处理器•专用嵌入式处理器处理器架构简介ARM架构RISCARM处理器采用精简指令集计算机（RISC）架构，指令集简单，执行速度快低功耗ARM处理器具有低功耗的特点，适合用于电池供电的设备高性能ARM处理器具有高性能的特点，能够满足多种嵌入式应用的性能需求广泛应用处理器的工作模式ARM系统模式2用户模式操作系统内核运行模式，权限最高1用户程序运行模式，权限受限中断模式3处理中断事件的模式管理模式快速中断模式执行系统初始化和管理任务的模式处理紧急中断事件的模式4处理器的寄存器组织ARM通用寄存器存储程序数据和地址程序状态寄存器（CPSR）保存处理器状态信息，包括当前工作模式、中断标志等特殊功能寄存器（SFR）控制和访问硬件设备，如定时器、串口等指令系统特点ARM指令集精简1ARM指令集包含少量指令，执行速度快指令长度固定2ARM指令长度固定为32位，方便处理器解码和执行寻址方式灵活3ARM支持多种寻址方式，例如寄存器寻址、立即寻址、相对寻址等支持流水线执行4ARM处理器采用流水线技术，提高指令执行效率汇编语言基础ARM指令格式语法规则常用指令ARM汇编指令通常由操作码、操作数和ARM汇编语言采用ATT语法，与其他汇ARM汇编语言包含多种指令，例如数据注释组成编语言有所区别处理指令、程序跳转指令、存储器访问指令等数据处理指令详解算术运算指令例如ADD、SUB、MUL、DIV等，用于进行加、减、乘、除等运算逻辑运算指令例如AND、OR、XOR、NOT等，用于进行逻辑运算移位运算指令例如LSL、LSR、ASR等，用于进行位移运算比较指令例如CMP、TEQ、TST等，用于比较两个操作数程序跳转指令详解无条件跳转指令1例如B、BL等，用于无条件跳转到指定地址条件跳转指令2例如BEQ、BNE、BCS、BCC等，根据条件判断是否跳转子程序调用指令3例如BL，用于调用子程序并保存返回地址存储器访问指令数据加载指令数据存储指令数据传输指令例如LDR，用于从存储器中加载数据例如STR，用于将寄存器中的数据存例如LDM、STM等，用于一次性加载到寄存器储到存储器中或存储多个数据堆栈操作指令12入栈指令出栈指令例如PUSH，将寄存器内容压入堆例如POP，将堆栈内容弹出到寄存栈器3堆栈指针操作指令例如STMFD、LDMFD等，用于操作堆栈指针中断处理基础中断定义中断是一种事件，它会打断处理器正在执行的程序，并转向处理中断事件中断类型ARM处理器支持多种中断类型，包括外部中断、软件中断、异常等中断处理流程当发生中断时，处理器会执行以下操作•保存当前程序状态•跳转到中断服务程序•处理中断事件•恢复程序状态，返回被打断的程序异常处理机制异常类型ARM处理器支持多种异常类型，包括数2据异常、指令异常、系统调用等异常定义1异常是一种特殊的错误或事件，它会引起处理器状态的改变异常处理流程类似于中断处理流程，处理器会保存程序状态，跳转到异常处理程序，处理异3常事件，最后恢复程序状态中断向量表定义作用中断向量表是一个存放中断服务程序地址的表格，处理器通过中中断向量表用于快速定位中断服务程序地址，提高中断处理效断向量表来找到相应的中断服务程序率中断服务程序设计中断服务程序定义中断服务程序是一个特殊的程序，它用于处理特定中断事件中断服务程序编写编写中断服务程序时，需考虑以下因素•保存上下文信息•处理中断事件•恢复上下文信息中断服务程序测试中断服务程序编写完成后，需进行测试，确保其能够正确处理中断事件处理器启动过程ARM复位过程1处理器上电后，会进行复位操作，并将程序计数器（PC）指向复位向量地址初始化过程2处理器会执行复位向量地址处的程序代码，完成系统初始化，例如设置时钟、初始化存储器、加载操作系统等程序执行过程3系统初始化完成后，处理器会跳转到用户程序入口地址，开始执行用户程序存储系统设计存储器概述存储器层次结构12存储器是嵌入式系统的重要组嵌入式系统通常采用多级存储成部分，用于存储程序代码、器结构，包括高速缓存、主存数据和系统参数储器和辅助存储器存储器管理3存储器管理是嵌入式系统软件的重要功能，负责分配和回收存储空间，提高存储器利用率存储器分类与特点ROM RAMFLASH只读存储器，用于存储固定的程序代码随机存取存储器，用于存储临时数据，闪存存储器，数据可以反复擦写，断电或数据，不可修改数据可以随时读写，断电后数据丢失后数据可以保存存储器编程FLASH擦除操作FLASH存储器写入数据之前，需要先擦除指定区域，擦除操作需要较长时间编程操作擦除后，可以将数据写入FLASH存储器，写入操作需要较短时间读操作FLASH存储器支持快速读取数据，读取时间很短工作原理RAM类型RAMRAM主要分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）特点SRAM速度快，功耗低，但容量小特点DRAM速度慢，功耗高，但容量大工作原理RAMRAM通过地址线、数据线、控制线等进行数据读写操作存储器映射定义作用存储器映射是指将存储器空间分存储器映射可以方便处理器访问配给不同的设备或模块存储器空间，提高系统效率地址空间存储器映射会分配一个地址空间给每个设备或模块，处理器通过地址访问这些设备嵌入式操作系统概述定义功能嵌入式操作系统是一个专为嵌入式系统设计的操作系统，通常具嵌入式操作系统主要提供以下功能有实时性、可靠性、资源受限等特点•任务管理•时间管理•内存管理•设备驱动•通信机制实时操作系统特点实时性1实时操作系统能够在规定的时间内响应事件，保证系统对事件的及时处理可靠性2实时操作系统需要保证系统的稳定性和可靠性，避免出现错误或故障资源受限3实时操作系统通常运行在资源受限的设备上，需要对资源进行有效管理可定制性4实时操作系统可以根据不同的应用需求进行定制和配置系统简介μC/OS-II概述μC/OS-IIμC/OS-II是一个开源的实时操作系统，它具有体积小、效率高、可移植性强等特点特点μC/OS-IIμC/OS-II支持多任务、实时调度、内存管理、设备驱动等功能应用μC/OS-IIμC/OS-II被广泛应用于各种嵌入式系统，例如工业控制系统、医疗设备、消费电子产品等任务管理机制任务定义任务创建任务切换任务删除任务是操作系统中执行的基本操作系统提供函数创建新的任操作系统根据调度策略，在不操作系统提供函数删除已创建单位，每个任务都有自己的堆务，并将任务添加到系统任务同任务之间进行切换，保证每的任务，并释放任务占用的资栈空间、上下文信息和代码列表中个任务都有机会执行源任务调度算法优先级调度时间片轮转根据任务优先级进行调度，优先级高的1将系统时间分成多个时间片，每个任务任务优先执行2轮流执行一个时间片抢占式调度最短剩余时间4优先级高的任务可以抢占正在执行的低3优先调度剩余执行时间最短的任务优先级任务时间管理服务定时器时钟服务时间片定时器用于产生周期性中断，可以实时钟服务用于提供系统时间，可以实时间片用于分配给每个任务的执行时现定时任务、延时等功能现时间同步、日期管理等功能间，保证任务的公平性任务间通信机制信号量消息队列事件标志组信号量是一种用于同步和互斥的机制，消息队列是一种用于任务间异步通信的事件标志组是一种用于任务间同步的机可以控制多个任务对共享资源的访问机制，可以将消息存储在队列中，供其制，可以设置多个事件标志，供其他任他任务读取务查询信号量应用信号量创建创建一个信号量，并设置初始值信号量等待任务等待信号量，如果信号量值为0，则任务阻塞等待信号量发送另一个任务发送信号量，增加信号量值，唤醒等待的任务消息队列设计消息队列创建1创建一个消息队列，并设置最大消息数量和每个消息的大小消息发送2将消息发送到消息队列，如果队列已满，则发送失败消息接收3从消息队列中接收消息，如果队列为空，则接收失败事件标志组12事件标志组创建事件标志设置创建一个事件标志组，并设置初始事设置事件标志，将事件标志值进行修件标志值改3事件标志等待任务等待指定的事件标志，如果事件标志满足条件，则任务被唤醒内存管理策略内存分配操作系统提供函数为任务分配内存空间，供任务使用内存回收当任务不再使用内存空间时，操作系统会回收内存空间，以便其他任务使用内存碎片内存碎片是指内存空间中出现大量未使用的零散空间，会降低内存利用率内存压缩内存压缩可以将零散的空间合并成更大的空间，提高内存利用率设备驱动开发驱动程序定义驱动程序编写12驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，负责控制硬驱动程序需要根据硬件设备的特点进行编写，实现对硬件件设备的操作设备的操作驱动程序测试驱动程序加载34驱动程序编写完成后，需要进行测试，确保其能够正确控将驱动程序加载到操作系统中，以便操作系统能够访问硬制硬件设备件设备接口编程GPIO概述编程GPIO GPIO通用输入输出端口（GPIO）可以配置为输入或输出，用于控制GPIO编程需要配置GPIO端口的方向、电平等参数，并实现对端外部设备口的读写操作通信实现UART概述UART通用异步收发器（UART）是一种常用的串行通信接口，用于数据传输编程UARTUART编程需要配置通信参数，例如波特率、数据位、校验位、停止位等数据传输UARTUART通过串行方式发送和接收数据，可以使用中断或轮询方式进行数据处理总线协议I2C概述I2CI2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于连接多个设备1特点I2C2I2C使用双线通信，支持多主机和多设备，传输速率较低编程I2C3I2C编程需要配置通信参数，并使用I2C驱动程序进行数据传输接口设计SPI概述特点SPI SPISPI（Serial PeripheralSPI使用四线通信，支持主从模Interface）是一种同步串行通信式，传输速率较高协议，用于连接多个设备编程SPISPI编程需要配置通信参数，并使用SPI驱动程序进行数据传输通信基础CAN概述CANCAN（Controller AreaNetwork）是一种串行通信协议，主要应用于汽车电子领域特点CANCAN支持多主机和多设备，具有较高的可靠性和抗干扰性编程CANCAN编程需要配置通信参数，并使用CAN驱动程序进行数据传输接口设计ADC概述类型ADC ADC12模数转换器（ADC）将模拟信ADC主要分为逐次逼近型、并号转换为数字信号，用于采集行型、Sigma-Delta型等外部模拟信号编程ADC3ADC编程需要配置采样频率、分辨率等参数，并使用ADC驱动程序进行数据采集接口应用DAC概述类型编程DAC DACDAC数模转换器（DAC）将数字信号转换为DAC主要分为并行型、串行型、电压DAC编程需要配置输出电压、电流等参模拟信号，用于控制外部模拟设备型、电流型等数，并使用DAC驱动程序进行数据输出控制技术PWM编程PWM应用PWMPWM编程需要配置脉冲频率、占空比等参概述PWMPWM可以应用于电机控制、LED亮度调数，并使用PWM驱动程序进行控制脉宽调制（PWM）是一种常用的控制技节、温度控制等术，通过改变脉冲宽度来控制输出信号的平均值显示驱动LCD概述LCD液晶显示器（LCD）是一种常用的显示设备，广泛应用于手机、电脑、电视等1驱动LCD2LCD驱动程序负责控制LCD的显示，例如设置显示模式、颜色、亮度等编程LCD3LCD编程需要使用LCD驱动程序，将图像数据写入LCD的内存，并控制LCD显示触摸屏控制触摸屏概述触摸屏类型触摸屏是一种用于接收用户触控触摸屏主要分为电阻式、电容信息的设备，可以实现人机交式、红外式等互触摸屏驱动触摸屏驱动程序负责读取触摸屏的信息，并将其转换为坐标信息定时器应用定时器概述定时器应用定时器编程定时器是嵌入式系统中常用的硬件设定时器可以应用于延时、周期性任务、定时器编程需要配置定时器的工作模备，用于计时和产生中断事件计数等式、计数器值、中断方式等看门狗设计看门狗概述看门狗工作原理12看门狗是一种用于检测系统是看门狗定时器会定期产生一个否正常运行的机制，可以防止中断信号，如果系统程序在规系统死机定时间内没有对看门狗进行复位，则看门狗会触发系统复位看门狗设计3设计看门狗时，需要考虑看门狗定时器的时间值、复位方式、中断处理等传输技术DMA概述优点编程DMA DMADMA直接内存访问（DMA）是一种数据传输DMA可以提高数据传输效率，减少处理DMA编程需要配置DMA通道、源地址、技术，它允许设备直接访问内存，而不器的负担目标地址、数据长度等参数需要处理器参与电源管理系统电源管理概述电源管理系统负责管理嵌入式系统的电源，优化系统功耗电源管理技术电源管理技术主要包括•低功耗模式•动态电压频率调节•电源开关控制电源管理设计设计电源管理系统时，需要考虑系统功耗、电压范围、温度等因素调试技术概述调试技术定义调试工具调试技术是指用于查找和解决软常用的调试工具包括件或硬件错误的技术•仿真器•调试器•逻辑分析仪调试方法常用的调试方法包括•单步调试•断点调试•变量查看•内存分析调试接口JTAG概述工作原理调试工具JTAG JTAGJTAGJTAG（Joint TestAction Group）是一JTAG通过一组信号线进行数据传输，JTAG调试工具通常包含一个JTAG探测种常用的调试接口，它允许用户访问处可以实现对处理器进行控制、数据读器和一个调试软件理器内部寄存器和内存取、程序下载等操作程序下载方法串口下载网络下载12通过串口将程序代码下载到目通过网络将程序代码下载到目标设备的FLASH存储器中标设备的FLASH存储器中下载JTAG3通过JTAG接口将程序代码下载到目标设备的FLASH存储器中代码优化技术代码优化概述代码优化方法代码优化是指通过修改代码结构和算法，提高程序执行效率和性常见的代码优化方法包括能•循环优化•分支预测•数据结构优化•内存访问优化性能分析工具性能分析工具应用性能分析方法性能分析工具可以帮助开发者识别程序中性能分析工具概述常用的性能分析方法包括的热点代码，优化代码结构，提高程序性性能分析工具可以帮助开发者分析程序的能•时间分析执行效率和性能瓶颈•空间分析•代码覆盖率分析实验平台介绍实验平台概述实验平台硬件本课程采用嵌入式系统实验平实验平台通常包括嵌入式处理台，为学生提供硬件和软件环器、存储器、外设、调试工具境，支持进行嵌入式系统开发实等验实验平台软件实验平台通常提供开发工具、调试工具、操作系统等软件，方便学生进行实验开发环境配置开发环境概述开发环境配置开发环境测试开发环境是指用于编写、编译、调试嵌开发环境配置需要安装必要的软件，例开发环境配置完成后，需要进行测试，入式系统程序的软件和硬件环境如编译器、调试器、操作系统等确保所有软件能够正常工作实验项目设计项目需求分析1分析实验项目的功能需求，确定项目目标项目设计方案2设计实验项目的架构、流程、模块划分等项目代码编写3根据设计方案编写代码，并进行单元测试项目调试测试4调试和测试项目代码，确保程序能够正常运行项目实践案例案例案例案例123基于ARM处理器的智能家居控制系统设基于μC/OS-II的工业机器人控制系统设基于CAN总线的汽车电子控制系统设计计计。