1、物理与电子信息工程学院嵌入式系统原理与应用College of Physics and Electronic Information Engineering嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念ARM微处理器微处理器ARM Cortex系列系列微处理器微处理器STM32系列系列微处理器微处理器1.1 1.21.31.4第一章绪论STM32F10 x1.1 嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念1 1、定义定义2 2、组成组成3 3、特点特点4 4、分类分类嵌入式处理器嵌入式处理器5 5、嵌入式、嵌入式操作系统操作系统STM32F10 x手持的手持的MP31 1、定义、定义嵌入嵌入到对象体系
2、内部的到对象体系内部的专用专用计算机系统，称为计算机系统，称为嵌入式系统嵌入式系统工业控制系统工业控制系统火星探测器火星探测器STM32F10 x2 2、组成、组成MPU电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设（1）嵌入式系统）嵌入式系统硬件组成硬件组成嵌入式嵌入式 微微 处处 理理 器器STM32F10 x（2）嵌入式系统）嵌入式系统组成组成一般有以下五个（四个）部分组成一般有以下五个（四个）部分组成嵌入式微处理器嵌入式微处理器外围硬件设备外围硬件设备硬件硬件软件软件实现对其它设备的控制实现对其它设备的控制、监视、管
3、理等功能、监视、管理等功能（驱动程序（驱动程序）(可选可选)嵌入式操作系统嵌入式操作系统(可选可选)应用程序应用程序STM32F10 x操作系统操作系统应用程序应用程序嵌入式系统组成嵌入式系统组成驱动程序驱动程序底底层层硬硬件件软软 件件 组组 成成（）STM32F10 x组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选）和用户的应用程序等部分组成。系统（可选）和用户的应用程序等部分组成。STM32F10 xl嵌入式系统一般是嵌入式系统一般是专用专用系统，而系统，而PC是通用计算平台是通用计算平台l嵌入式系统的嵌入式系统的资源资源比比P
4、C少得多少得多l嵌入式系统嵌入式系统可靠性可靠性要求高，故障带来的后果比要求高，故障带来的后果比PC机大得多机大得多l嵌入式系统大都有嵌入式系统大都有成本成本、功耗、体积功耗、体积的要求的要求l嵌入式系统一般采用嵌入式系统一般采用实时实时操作系统操作系统3 3、特点：、特点：-嵌入式系统与嵌入式系统与PCPC之间的区别之间的区别STM32F10 x4 4、分类、分类l 按按实时性实时性要求分：要求分：（软件范畴）（软件范畴）l非实时系统（非实时系统（PDAPDA，Personal Digital Assistant 個人數字助理個人數字助理）l软实时系统（消费类产品）软实时系统（消费类产品）l
5、硬实时系统（工业和军工系统）硬实时系统（工业和军工系统）STM32F10 x两种类型的实时系统两种类型的实时系统软实时系统软实时系统:不要求限定某一任务必须在一定的时不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统硬实时系统:对系统响应时间有严格要求，一旦系对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。命的错误，一般在工业控制中应用较多。STM32F10 x5 5、嵌入式操作系统、嵌入式操作系统1、uC/OS-II2
6、、嵌入式嵌入式Linux 3、Windows CE4、VxWorks5、NucleusSTM32F10 x几种最常见的几种最常见的RTOSRTOS（Real Time Operation SystemReal Time Operation System）n软实时软实时RTOSRTOSl嵌入式嵌入式Linux Linux lWin CEWin CEn硬实时硬实时RTOSRTOSlVxWorksVxWorkslOSEOSElNuclearNuclearn著名的著名的open RTOSopen RTOSlucOS/IIucOS/IIlRTEMSRTEMSn自主知识产权的自主知识产权的RTOSRTOS
7、lHOPENHOPENlDelta OSDelta OSSTM32F10 x嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式嵌入式微控制器微控制器(MCU(MCU，即，即Micro Controller Unit):):又称单片机，将又称单片机，将CPU、存储器（少量的、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有一片集成电路里。常见的有80C51系列单片机等系列单片机等。嵌入式嵌入式数字信号处理器数字信号处理器（DSP,DSP,即即Digital Signal Processor）:专门用来
8、专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理的分析等领域，、谱分析、图像处理的分析等领域，DSP正在大正在大量进入嵌入式市场。量进入嵌入式市场。嵌入式嵌入式微处理器（微处理器（MPUMPU，即即Micro Processor Unit）:它是专用的它是专用的CPU,CPU,不不同于同于通用计算机的通用计算机的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样设计的电路板上，在母板
9、上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：主要包括：ARM 、PowerPC、Motorola 68000系列等。系列等。STM32F10 xSTM32F10 x1.2 ARM微处理器微处理器1.2.2 ARM 分类分类1.2.1 ARM 简介简介1.2.3 ARM 体系结构体系结构 的发展的发展1.2.4 ARM与单片机的与单片机的主要区别主要区别STM32F10 xARM（Advanced RISC Machines）：既可以认为是一个公司公司的名字名字，也可以认为是对一
10、类微处理器微处理器的通称通称，还可以认为是一种技术技术的名字名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器70以上的市场份额。ARM公司是专门从事基于RISC技术技术的芯片设计开发公司。1.2.1 ARM简介简介STM32F10 xSTM32F10 xRISC的三个要素是：的三个要素是：(1)一个有限的有限的简单的指令集指令集；(2)CPU配备大量的大量的通用寄存器寄存器；(3)强调对指令流水线指令流水线的优化优化。RISC的目标的目标：不是简单地不是简单地 缩减指令系统。缩减指令系统。而是使处理器的而是
11、使处理器的结构结构更更简单简单，具有具有更快更快的处理的处理速度速度。RISC CPU一定一定是是流水流水CPU，但流水，但流水CPU不一定是不一定是RISC CPU。STM32F10 xSTM32F10 x例如例如:意法半导体公司意法半导体公司:STM32F103:STM32F103 TI TI公司公司(原原Luminary Micro公司)：LM3S811 LM3S811 ATMEL ATMEL公司公司:ATSAM3U:ATSAM3UNXPNXP公司（恩智浦半导体）公司公司（恩智浦半导体）公司:LPC1768:LPC1768 Cortex-M3内核内核STM32F10 x另外也提供基于AR
12、M架构的开发设计技术，软件工具,调试工具,应用软件,评估板,总线架构,外围设备单元，等等。Realview MDK集成开发环境集成开发环境:源自源自Keil公司公司（现在已经被（现在已经被ARM公公司收购），司收购），是是ARM公司最新推出的，针对各种嵌入式处理器的软公司最新推出的，针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。它包括大家非常熟悉的件开发工具。它包括大家非常熟悉的uVision4集成开发环境集成开发环境和和RealView编译器。编译器。ARMARM合作伙伴合作伙伴 正中间正中间是和是和ARM公司合作最紧密的公司，它们都是一些大的半导体公司，也公司合作最紧密的公司，它们都是一些大的半导体
13、公司，也是是ARM公司最直接的客户，比如公司最直接的客户，比如ST、TI、IBM、OKI、MOTOROLA、SHARP、PHILIPS等等等等 旁边这四个角旁边这四个角分别是技术共享计划合作伙伴、开发工具合作伙伴、软件应用合分别是技术共享计划合作伙伴、开发工具合作伙伴、软件应用合作伙伴、操作系统合作伙伴。这是比较早期的一个图片，很多公司都没有出现在作伙伴、操作系统合作伙伴。这是比较早期的一个图片，很多公司都没有出现在这上面，实际上这上面，实际上ARM公司的合作伙伴类型和数量都远远不止这些。公司的合作伙伴类型和数量都远远不止这些。STM32F10 xSTM32F10 xSTM32F10 xS3C
14、2410,S3C24401.2.2 ARM分类分类STM32F10 x1.2.3 ARM体系结构的发展体系结构的发展5、ARMv5体系结构2、ARMv2体系结构3、ARMv3体系结构4、ARMv4体系结构:1、ARMv1体系结构6、ARMv6体系结构7、ARMv7体系结构STM32F10 x1.2.3 ARM体系结构的发展体系结构的发展5、ARMv5体系结构：提升了ARM和Thumb指令的交互工作能力。2、ARMv2体系结构3、ARMv3体系结构4、ARMv4体系结构：加入了半字存储操作。1、ARMv1体系结构6、ARMv6体系结构：增加了媒体指令7、ARMv7体系结构：定义了三种独立的内核:
15、A（应用领域）、R（实时领域）、M（控制领域）STM32F10 xARM系列系列 与与 ARM体系结构体系结构 对照表：对照表：ARM系列系列ARM体系结构体系结构ARM7ARMv4T(ARMv4的改进版)ARM9ARMv4T(ARMv4的改进版)ARM9EARMv5ARM10EARMv5ARM11ARMv6ARM CortexARMv7注意：注意：ARM7系列不是采用系列不是采用ARMv7的体系结构，不要混淆！的体系结构，不要混淆！ARM7和和ARMv7，两者不是一回事。，两者不是一回事。STM32F10 x1.2.4 ARM与单片机的主要区别与单片机的主要区别STM32F10 xSTM32
16、F10 xSTM32F10 x6.体系结构复杂体系结构复杂底层硬件底层硬件应用软件应用软件底层硬件底层硬件驱动程序驱动程序操作系统操作系统应用软件应用软件ARM嵌入式系统嵌入式系统单片机单片机STM32F10 x上面的单片机：就是指通常说的单片机。上面的单片机：就是指通常说的单片机。上面的上面的ARM：指可装复杂操作系统的：指可装复杂操作系统的ARM,例如例如ARM9，CORTEX-A8单片机和单片机和 嵌入式系统的关系：嵌入式系统的关系：单片机是嵌入式系统的一类，单片机是嵌入式系统的一类，某些嵌入式系统可是单片机，例如某些嵌入式系统可是单片机，例如ARM-Cortex M3 是单片机。是单片
17、机。STM32F10 x1.3 ARM Cortex系列系列 微处理器微处理器1.3.1 分类分类1.3.2 优势优势1.3.3 性能性能STM32F10 xARM Cortex系列系列 微处理器：微处理器：分为分为A/R/M 三大系列，即三大系列，即Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M 三类。三类。1.3.1 分类分类Cortex-A：应用应用(Application)处理器处理器 系列，专门为系列，专门为复杂复杂操作系统操作系统与使用者应用所开发。（强调的是应用，建立在复杂操作系统上的与使用者应用所开发。（强调的是应用，建立在复杂操作系统上的应用）应用）Cortex-R:支
18、持各种支持各种 实时（实时（Real time）系统的嵌入式处理器）系统的嵌入式处理器Cortex-M:针对针对微控制器微控制器（MCU）和低成本所设计的嵌入式处理器）和低成本所设计的嵌入式处理器。正是由于其面向控制，。正是由于其面向控制，其操作系统能力很弱，其操作系统能力很弱，仅仅支持仅仅支持UCOS等等简易操作系统，和简易操作系统，和linux的简化版的简化版uclinux等。等。STM32F10 xSTM32F10 x1.3.2 优势优势Cortex的优势应该在于的优势应该在于低功耗低功耗、低成本低成本、高性能高性能的结合。的结合。Cortex-M3 简写作简写作 CM3STM32F10
19、 xCortex-M3 性能性能体系结构体系结构ARMv7-M存储结构存储结构哈佛结构指令集指令集面向C语言设计的 Thumb-2指令集，最大限度降低汇编语言的使用流水线流水线3 级流水线+分支预测Dhrystone（整数运算）（整数运算）1.25 DMIPS/MHz功耗功耗0.19mW/MHZ增强的指令增强的指令单周期(32x32)乘法 和 硬件除法除法（2-12 个周期）。采用时钟门控技术时钟门控技术和内置睡眠模式睡眠模式，适于低功耗的领域1.3.3 性能性能STM32F10 xSimplicity of Cortex-M3 versus ARM7ASMC FilesARMThumbARM
20、ThumbLinkerARMARMThumbThumbARM7 ObjectsC FilesLinkerThumb2Cortex-M3 ObjectsCortex-M3 designed to be fully programmed in C:even reset,interrupts and exceptionsSTM32F10 xSTM32F10 x1.4 STM32系列微控制器系列微控制器1.4.1 STM32系列微控制器系列微控制器 简介简介1.4.2 STM32F系列微控制器系列微控制器 分类分类1.4.5 STM32F103CB微控制器微控制器1.4.6 STM32系列微控制器系列
21、微控制器 应用应用1.4.3 STM32F10 x系列微控制器系列微控制器 系统结构系统结构1.4.4 STM32F10 x系列微控制器系列微控制器 存储器组织存储器组织STM32F10 xSTM32系列微控制器：是由意法半导体公司（STMicroelectronics）以ARM Cortex-M3为内核开发生产的32位微控制器（单片机）。意法半导体（ST）集团于1987年6月成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON Microelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司（STMicroelectronics）。
22、意法半导体有限公司(STMicroelectronics)是全球独立的半导体公司，并成为各种微电子应用系列开发和转让芯片级解决方案的领导者。1.4.1 STM32系列微控制器系列微控制器 简介简介意法半导体公司（STMicroelectronics）32位微控制器（单片机）STM32F10 xSTM32系列微控制器：基于ARM Cortex-M3内核。STM32F系列是STM32系列的基础,F：指通用通用类型。STM32F10 x超值型系列STM32F100 xx 基本型系列STM32F101xx USB基本型系列STM32F102xx 增强型增强型系列STM32F103xx 互联型系列STM
23、32F105/107xx 1.4.2 STM32F系列微控制器系列微控制器 分类分类STM32F系列包括五个产品线五个产品线，满足工业、医疗和消费电子市场的各种应用需求。（以下五个产品线之间引脚、外设和软件兼容）：STM32F10 xSTM32F系列系列 图解图解STM32F10 x1.4.3 STM32F10 x系列微控制器系列微控制器 系统结构系统结构系统结构图系统结构图STM32F10 x 四个驱动单元：四个驱动单元：Cortex-M3内核的内核的DCode总线总线(D-bus)系统总线系统总线(S-bus)通用通用DMA1总线总线 通用通用DMA2总线总线 四个被动单元四个被动单元 内
24、部内部SRAM 内部闪存存储器接口（内部闪存存储器接口（FLITF:FLash InTerFace）FSMC(Flexible static memory controller灵活的静态存储器控制器灵活的静态存储器控制器)AHB到到APBx的桥的桥(AHB2APBx)，它连接所有的，它连接所有的APB设备设备 在小容量、中容量和在小容量、中容量和 大容量产品中，主系统由以下部分构成：大容量产品中，主系统由以下部分构成：STM32F10 x ICode总线总线该总线将Cortex-M3内核的指令总线与闪存指令接口相连接。指令预取在此总线上完成。DCode总线该总线将Cortex-M3内核的DCo
25、de总线与闪存存储器的数据接口相连接(常量加载和调试访问)。系统总线系统总线此总线连接Cortex-M3内核的系统总线(外设总线)到总线矩阵 DMA总线此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联。STM32F10 x 总线矩阵总线矩阵包含 4个驱动部件(DCode总线、系统总线、DMA1总线和DMA2总线)和 4个被动部件(闪存存储器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APBx桥)。AHB/APB桥(APB)两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。MCS-51MCS-51单片机单片机 内部逻
26、辑结构内部逻辑结构 如下：如下：控制器控制器运算器运算器并行输入并行输入输出输出并行输入并行输入输出输出内部内部RAMROM定时计数器定时计数器中断中断串行串行STM32F10 x1.4.4 STM32F10 x系列微控制器系列微控制器 存储器组织存储器组织4G字节的寻址空间，地址范围：0 x0000 0000-0 xffff ffff1.空间空间共分为8块块：block0block7，每块512M0 x1fff ffffSTM32F10 x2.组成结构外设寄存器组（PERIPHERALS）-包括输入输出端口数据存储器(SRAM)程序存储器(CODE)-详见stm32的数据手册STM32F10
27、 xAPB1APB2AHB0 x4001 00000 x4002 00000 x4000 0000STM32F10 x3.数据存储器格式数据存储器格式以小端格式小端格式(Little End)存放在存储器中(一个字里的最低地址字节被认为是该字的最低有效字节，而最高地址字节是最高有效字节。)STM32F10 x1.4.5 STM32F103CB微控制器微控制器STM32F10 xSTM32STM32系列微控制器系列微控制器 本身就是一个高级单片机，本身就是一个高级单片机，它不可怕。它不可怕。编程：进行编程：进行STM32 STM32 的编程，与单片机不同，它有一个固件库。所的编程，与单片机不同，
28、它有一个固件库。所谓固件库，实际上就是一大堆用谓固件库，实际上就是一大堆用C C语言所写的标准的函数（接口语言所写的标准的函数（接口-与底层硬件的接口与底层硬件的接口），我们写程序的时候只要去调用它，即），我们写程序的时候只要去调用它，即可实现对底层硬件的操作。用可实现对底层硬件的操作。用C C语言，取代汇编语言对底层硬件语言，取代汇编语言对底层硬件进行操作。进行操作。实际上，固件库就是一个程序模板，利用该模板，在此基础上实际上，固件库就是一个程序模板，利用该模板，在此基础上进行修改，即可快速地得到所用的程序进行修改，即可快速地得到所用的程序。该固件库使得用户在没有深入学习外围模块规格手册的情
29、况下，也能够使用任何在用户应用中涉及到的设备。因此，使用该固件库可以节省您的许多时间，让您有更多的时间花费在编程方面，从而减少了在应用开发中的综合开销。STM32F10 x1.4.6 STM32系列微控制器系列微控制器 应用应用 用于汽车控制系统用于汽车控制系统STM32F10 x-汽车控制系统解析STM32F10 xSTM32系列微控制器系列微控制器 各类各类应用应用STM32F10 x作业：作业：1、简述嵌入式系统、简述嵌入式系统、ARM微处理器、微处理器、ARM Cortex系列微处理器系列微处理器、STM32系列微处理器之间的关系。系列微处理器之间的关系。2、总结本章所学的知识、总结本章所学的知识 和和 学习体会。学习体会。
