A V R单片机嵌入式系统原理与应用实践——学习笔记
AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践
学习笔记
1.AVR单片机的基本结构
1.1.单片机的基本组成
1.1.1.单片机的基本组成结构
单片机的基本组成单元
?CPU
?程序存储器?数据存储器?I/O接口
CPU与各基本单元通过芯片内的内部总线连接。
一般情况下，内部总线中的数据总线宽度（或指CPU字长）也是单片机等级的一个重要指标。
内部总线：数据总线、地址总线、控制总线。
1.1.
2.单片机的基本单元与作用
1)MCU单元
MCU单元部分包括CPU、时钟系统、复位、总线控制逻辑等电路。
?CPU：
?时钟和复位电路：
?总线控制电路：
2)片内存储器
单片机的存储器一般分为程序存储器和数据存储器，它们往往构成互不相同的两个存储空间，分别寻址，互不干扰。
单片机的内部结构通常使用哈佛体系结构，在这种体系中采用分开的指令和数据总线以及分开的指令和数据空间，分别采用专用的总线与CPU交换，可以实现对程序和数据的同时访问，提高了CPU的执行速度和数据的吞吐量。
3)程序存储器
程序存储器用于存放嵌入式系统的应用程序。
4)数据存储器
单片机在片内集成的数据存储器一般有两类：随机存储器RAM、电可擦除存储器EEPROM。
?随机存储器RAM：
?电可擦除存储器EEPROM
5)输入输出端口
?并行总线I/O端口：
?通用数字I/O端口：
?片内功能单元的I/O端口：
?串行I/O通信口：
?其他专用接口：
6)操作管理寄存器
管理、协调、控制、操作单片机芯片中各功能单元的使用和运行。
1.2.ATmega16单片机的组成
1.2.1.AVR单片机的内核结构
“快速访问”意味着在一个周期内执行一个完整的ALU操作。
AVR的算术逻辑单元ALU支持寄存器之间、立即数与寄存器之间的算术与逻辑运算功能，以及单一寄存器操作。每一次运算操作的结果将影响和改变状态寄存器（SREG）的值。
ALU操作
?从寄存器组中读取两个操作数
?将执行结果写回目的寄存器?操作数被执行
1.2.2.ATmega16的外部引脚与封装
I/O引脚共32只，分成PA、PB、PC、PD4个8位端口，它们全部是可编程控制的多功能复用的I/O引脚。
4个端口的第一功能是通用双向数字输入输出口，其中每一位都可以由指令设置为独立的输入或者输出口。
当I/O口设置为输入方式时，引脚内部还配置有上拉电阻，这个内部的上拉电阻可通过编程设置上拉有效或者上拉无效。
当I/O口设置为输出方式时，则当其输出高电平时，能够输出20mA的电流，当其输出低电平时，可以吸收40mA的电流。
芯片RESET复位后，所有的I/O口默认状态为输入方式，上拉电阻无效，即I/O为输入高电阻的三态状态。
1.嵌入式系统的定义：一般都认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功能有严格要求的专用计算机系统。 2.嵌入式系统的特征：（1）通常是面向特定应用的。具有功耗低、体积小和集成度高等特点。（2）硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能满足功能、可靠性和功耗的苛刻要求。（3）实时系统操作支持。（4）嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也同步进行。（5）为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般固化在存储器芯片中。 3.ARM嵌入式微系统的应用：工业控制、网络系统、成像和安全产品、无线通信、消费类电子产品。 4.ARM嵌入式微处理器的特点：（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件。（3）使用单周期指令，指令简洁规整。（4）大量使用寄存器，大多数数据都在寄存器中完成，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。（5）寻址方式简单灵活，执行效率高。（6）固定长度的指令格式。 5.嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户软件构成。 2.哈佛体系结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间。 3.嵌入式处理器主要有四种嵌入式微处理器（EMPU）、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式数字信号处理器（DSP）、嵌入式片上系统（SoC) 4.ARM7采用3级流水线结构，采用冯·诺依曼体系结构；ARM9采用5级流水线结构，采用哈佛体系结构。 5.ARM处理器共有37个32bit寄存器，包括31个通用寄存器和6个状
《嵌入式系统原理与应用》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：230449 课程名称：嵌入式系统原理与应用 英文名称：Principle and Application of Embedded System 课程类别：专业课 学时：72（其中实验32学时） 学分：3.5 适用对象: 计算机科学与技术业 考核方式：考试（平时成绩占总评成绩的30%，期末考试成绩占70%） 先修课程：计算机组成原理、操作系统、编译原理 二、课程简介 嵌入式系统原理与应用是计算机科学技术专业的一门专业课，讲述嵌入式系统的基本理论、原理。本课程是一门既与硬件关系紧密，又与嵌入式操作系统、嵌入式软件关系十分紧密课程。它围绕目前流行的32位ARM处理器和源码开放的Linux操作系统，讲述嵌入式系统的概念，软、硬件组成，开发过程以及嵌入式应用程序开发设计方法。本课程的知识将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。The principle of embedded system is an important course of computer science and technology, which introduce the principles and the theory of embedded system.T his curriculum is tied closely with not only hardware but also embedded operating system and embedded software. It introduce the conception of embedded system, components of software and hardware, developing progresses and designing methods of embedded programming which based on the 32bit arm processor and operating system of opened linux.The knowledge of this course would be solid foundation for the student who would be engaged in researching or developing about embedded system. 三、课程性质与教学目的 嵌入式系统原理与应用课程的性质：该课程是计算机科学与技术专业的专业课。 嵌入式系统原理与应用课程的教学目的：通过对基于ARM嵌入式芯片的系统的基本组织结构与工作原理的学习，使学生对计算机系统的硬件部分有一个全面的了解，对嵌入式软件的开发过程有一个清楚的认识，通过对嵌入式操作系统的工作原理的学习，使学生对嵌入式操作系统有一个清晰的认识，提高学生在嵌入式软件设计设计能力及解决实际问题的动手能力，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。 四、教学内容及要求 第一章嵌入式系统导论 （一）目的与要求
课程设计 课程名称嵌入式系统课程设计与实践题目名称嵌入式最小系统设计 学生学院自动化学院 专业班级电子（2） 学号 学生姓名何延 指导教师尹明
2013 年5月30日
广东工业大学课程设计任务书 题目名称嵌入式最小系统设计 学生学院自动化学院 专业班级电子（2） 姓名何延 学号 一、课程设计的内容 学习LPC2000系列ARM处理器的启动流程，学习嵌入式系统硬件设计（最小系统），学习嵌入式系统应用程序框架，学习在ARM7处理器上移植uCOS-II操作系统的流程及设计流水灯应用程序。 设计实现一个基于LPC2000系列ARM处理器的最小系统，完成操作系统移植，设计流水灯程序。鼓励在完成基本功能的基础上，自由发挥完成其它功能。 二、课程设计的要求与数据 熟悉LPC2000系列ARM处理器的启动流程，掌握嵌入式系统硬件设计（最小系统），掌握嵌入式系统应用程序设计，掌握在ARM7处理器上移植uCOS-II操作系统的流程及设计流水
灯应用程序。 1完成嵌入式系统最小系统硬件设计，并制作硬件平台。 2 在无操作系统情况下，设计流水灯应用程序，并在前述硬件平台上调试、运行。 3 移植UCOS-II操作系统，并设计流水灯应用程序，在前述硬件平台上调试、运行。 三、课程设计应完成的工作 1 嵌入式系统最小系统硬件设计，并调试验证。 2 设计流水灯应用程序，调试、运行。 3 移植uCOS-II操作系统，设计流水灯应用程序，调试、运行。 四、课程设计进程安排
五、应收集的资料及主要参考文献 《LPC2210使用指南》（LPC2210-user_cn.pdf） LPC2131板原理图（Z2418PSCH.pdf） 《ADS开发者指南》（ADS_DeveloperGuide_D.pdf） 发出任务书日期：年月日指导教师签名：
1.8 练习题P14 1.选择题 （1）A 说明：嵌入式系统的发展趋势表现在以下几方面： 1.产品种类不断丰富，应用范围不断普及 2.产品性能不断提高 3.产品功耗不断降低，体积不断缩小 4.网络化、智能化程度不断提高 5.软件成为影响价格的主要因素 （2）D
说明：常见的嵌入式操作系统: VxWorks，Windows CE、uC/OS-II和嵌入式Linux。 （3）A 说明：VxWorks是美国WindRiver公司于1983年开发的一种32位嵌入式实时操作系统。 2.填空题 (1)嵌入式计算机 (2)微处理器外围电路外部设备 (3)板级支持包实时操作系统应用编程接口应用程序 (4)嵌入式处理器微控制器数字信号处理器 3.简答题 （1）简述嵌入式系统的定义和特点 答：定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 特点：专用性强、实时性好、可裁剪性好、可靠性高和功耗低等。（2）简述计算机系统的发展历程 第一阶段大致在20世纪70年代前后，可以看成是嵌入式系统的萌芽阶段； 第二阶段是以嵌入式微处理器为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统； 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，也是嵌入式应用
开始普及的阶段； 第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 （3）简述MCU和DSP的区别 MCU是微控制器，DSP是数字信号处理器。 MCU相当于小型的电脑，内部集成的CPU、ROM、RAM、I/O总线，所以集成度高是它的特点。 DSP是专用的信息处理器，内部的程序是对不同的机器和环境进行特别优化，所以处理速度是最快的。 2.4 练习题 1. 填空题 (1) ARM7 ARM9 ARM9E ARM10E ARM11 (2) 精简指令集计算机 (3) Samsung ARM920T IIC总线 (4) BGA 显卡布线 (5) 1.8V 3.3V (6) 8 128 1 (7) S3C2410 64MB 64MB 2. 选择题 (1) D (2)C (3)A (4)B (5)B (6)C (7)D (8)C (9)C (10)B
嵌入式系统原理与应用实验—KL25部分 FRDM-KL25实验板连接 1、如图所示，将Micro USB线缆连接到FRDM-KL25实验板的SDA口，另一头接入PC的任意USB口。一般会自动安装驱动，如果没有，请运行C:\Freescale\KDS_v3\pemicro 目录底下PEDrivers_install文件。 2、打开PC的设备管理器（计算机上右键—属性，弹出窗口左侧，设备管理器），连接正常的话能看到下图的两个红框里的信息。
实验一、KL25入门实验 一、实验目的 1、熟悉FRDM-KL25开发板的硬件环境，掌握其使用方法及调试方式 2、掌握Kinetis Design Studio （以下简称KDS）开发环境的使用 3、以GPIO为例，理解底层驱动的含义与编程方法 二、实验设备 微型计算机，FRDM-KL25开发板，Micro USB线 三、实验内容 1、按附录1的内容导入第一个样例工程，运行程序，掌握FRDM-KL25的硬件构成和 使用方法，KDS的使用和调试方法 2、观察小灯闪烁，调整延时的长短，观察小灯的变化。 3、根据电路图，修改程序，加入另外两个小灯的控制程序，使RGB小灯交替闪烁。
四、思考题及实验报告要求 1、FRDM-KL25开发板有哪些主要元器件？ 2、叙述KDS中断点调试和单步调试的步骤。其中包括：如何查看寄存值的变化和关 键变量的变化。 附录1 Kinetis Design Studio 3 IDE开发环境的使用下面以实验一为例介绍Kinetis Design Studio 3的使用方法。双击桌面或开始菜单里上的Kinetis Design Studio 3 IDE ，打开KDS开发环境。 1、导入工程 在Project Explorer上单击右键，选择Import...（或者在点击File菜单下拉选择） 弹出的对话框中展开General，选择Existing Projects into Workspace，点击Next
试阅： hello ---------------------正文 第一章 1．嵌入式系统的基本含义是什么？为什么说单片机是典型的嵌入式系统？ 答：即MCU的含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。大部分嵌入式系统以MCU为核心进行设计。MCU从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方面的要求。因此以MCU为核心的系统是应用最广的嵌入式系统。 2．简述嵌入式系统的特点以及应用领域（举例）。 答：嵌入式系统属于计算机系统，但不单独以通用计算机的面目出现;嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法;使用MCU设计嵌入式系统，数据与程序空间采用不同存储介质;开发嵌入式系统涉及软件、硬件及应用领域的知识;嵌入式系统的其他特点,比如紧张的资源，较高稳定性要求，低功耗，低成本等。 一般用于工业控制，智能家电，日常电子等领域。 日常数码产品：手机，MP3，U盘，相机等。 日常工业类：冰箱，空调，微波炉，汽车等。 3．比较MCU与CPU的区别与联系。 答：CPU是一个单独的PC处理器。而MCU，则有微处理器，存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。所以可以这么说，MCU 是一个包含微处理器的嵌入式系统，而CPU仅仅是一个处理器而已。 4. 总结嵌入式系统常用术语。 硬件：封装，印刷电路板，动态可读写随机存储器与静态可读写随机存储器，只读存储器，闪速存储器，模拟量与开关量。 通信：并行通信，串行通信，串行外设接口，集成电路互连总线，通用串行总线，控制器局域网，背景调试模式，边界扫描测试协议，串行线调试技术。 功能模块及软件：通用输入/输出，A/D与D/A，脉冲宽度调制器，看门狗，液晶显示，发光二级管，键盘，实时操作系统。 5．C语言的那些特性使得它成为嵌入式系统中使用频率最高的高级语言。 答：相比底端汇编，更简单易学；与高级语言如（C++，C#，java等）相比，执行效率高，编译后的编码体积小，而且支持好的编译器还支持嵌入汇编代码；对位的操纵能力很强。
第三章软件作业习题 3、将存储器中0x400000开始的200字节的数据,传送到0x400800开始的区域。 解: AREA procedure3,CODE,READONLY ENTRY CODE32 START MOV R0,#0x400000 LDR R1,=0x400800 MOV R7,#200 LOOP LDRB R2,[R0],#1 STRB R2,[R1],#1 SUBS R7,R7,#1 BNE LOOP CEASE B CEASE END 4、编写程序,比较存储器中0x400000与0x400004两无符号字数据的大小,并且将比较结果存于0x400008的字中,若两数相等其结果记为0,若前者大于后者其结果记为1,若前者小于后者其结果记为-1。解: AREA procedure4,CODE,READONLY ENTRY CODE32 START MOV R0,#0x400000 LDR R1,[R0],#4 ;取第1个数 LDR R2,[R0],#4 ;取第2个数 CMP R1,R2 ;将两个数相比较 MOVHI R1,#1 ;R1比R2大 MOVLO R1,#-1 ;R1比R2小 MOVEQ R1,#0 ;两个数相等 STR R1,[R0] CEASE
B CEASE END 5、存储器从0x400000开始的100个单元中存放着ASCII码,编写程序,将其所有的小写字母转换成大写字母,对其它的ASCII码不做变换。 解: AREA procedure5,CODE,READONLY ENTRY CODE32 START MOV R0,#0x400000 MOV R1,#0 LOOP LDRB R2,[R0,R1] CMP R2,#0x61 ;与‘a’比较 BLO NEXT ;小于转到NEXT CMP R2,#0x7B ;0x7A为‘z’ SUBLO R2, R2,#0x20 ;小于转换 STRBLO R2,[R0,R1] ;小于保存 NEXT ADD R1,R1,#1 CMP R1,#100 BNE LOOP CEASE B CEASE END 6、编写一程序,查找存储器从0x400000开始的100个字中为0的数目,将其结果存到0x400190中。 解: AREA procedure6,CODE,READONLY ENTRY CODE32 START MOV R0,#0x400000 MOV R7,#100 ;控制循环变量 MOV R1,#0 ;保存0的数目 LOOP LDR R2,[R0],#4 ;取数 CMP R2,#0 ;比较为0
实验四蜂鸣器实验 实验目的： 控制ALIENTEK 战舰STM32 开发板上的蜂鸣器发出：“嘀”…“ 嘀”… 的间隔声，进一步熟悉STM32 IO 口的使用 内容要点： 1.硬件介绍 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 战舰STM32 开发板板载的蜂鸣器是电磁式的有源蜂鸣器 这里的有源不是指电源的“源”，而是指有没有自带震荡电路， 有源蜂鸣器自带了震荡电路，一通电就会发声 STM32的单个IO 最大可以提供25mA 电流（来自数据手 册），而蜂鸣器的驱动电流是30mA 左右，两者十分相近，但是全盘考虑，STM32 整个芯片的电流，最大也就150mA，如果用IO 口直接驱动蜂鸣器，其他地方用电就得省着点了…所以，我们不用STM32 的IO 直接驱动蜂鸣器，而是通过三极管扩流后再驱动蜂鸣器，这样STM32 的IO 只需要提供不到1mA 的电流就足够了。IO 口使用虽然简单，但是和外部电路的匹配设计，还是要十分讲究的，考虑越多，设计就越可靠，可能出现的问题也就越少。 蜂鸣器在硬件上也是直接连接好了的，不需要经过任何设置，直接编写代码就可以了。蜂鸣器的驱动信号连接在STM32 的PB8 上。 图1 蜂鸣器与STM32 连接原理图 当PB.8 输出高电平的时候，蜂鸣器将发声，当PB.8 输出低电平的时候，蜂鸣器停止发声 2.软件设计 可以直接打开本实验工程，也可以按下面的步骤在实验 1 的基础上新建蜂鸣器实验工程。复制上一章的LED 实验工程，然后打开USER 目录，把目录下面工程LED.uvprojx 重命名为BEEP.uvprojx。，然后在HARDWARE 文件夹下新建一个BEEP 文件夹，用来存放与蜂鸣器相关的代码
AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践 学习笔记 1.AVR单片机的基本结构 1.1.单片机的基本组成 1.1.1.单片机的基本组成结构 单片机的基本组成单元 CPU 程序存储器数据存储器I/O接口 CPU与各基本单元通过芯片内的内部总线连接。 一般情况下，内部总线中的数据总线宽度（或指CPU字长）也是单片机等级的一个重要指标。 内部总线：数据总线、地址总线、控制总线。 1.1. 2.单片机的基本单元与作用 1)MCU单元 MCU单元部分包括CPU、时钟系统、复位、总线控制逻辑等电路。 CPU： 时钟和复位电路： 总线控制电路：
2)片内存储器 单片机的存储器一般分为程序存储器和数据存储器，它们往往构成互不相同的两个存储空间，分别寻址，互不干扰。 单片机的内部结构通常使用哈佛体系结构，在这种体系中采用分开的指令和数据总线以及分开的指令和数据空间，分别采用专用的总线与CPU交换，可以实现对程序和数据的同时访问，提高了CPU的执行速度和数据的吞吐量。 3)程序存储器 程序存储器用于存放嵌入式系统的应用程序。 4)数据存储器 单片机在片内集成的数据存储器一般有两类：随机存储器RAM、电可擦除存储器EEPROM。 随机存储器RAM： 电可擦除存储器EEPROM 5)输入输出端口 并行总线I/O端口： 通用数字I/O端口：
片内功能单元的I/O端口： 串行I/O 通信口： 其他专用接口： 6)操作管理寄存器 管理、协调、控制、操作单片机芯片中各功能单元的使用和运行。 1.2.ATmega16单片机的组成 1.2.1.AVR单片机的内核结构 “快速访问”意味着在一个周期内执行一个完整的ALU操作。 AVR的算术逻辑单元ALU支持寄存器之间、立即数与寄存器之间的算术与逻辑运算功能，以及单一寄存器操作。每一次运算操作的结果将影响和改变状态寄存器（SREG）的值。 ALU操作 从寄存器组中读取两个操作数 操作数被执行将执行结果写回目的寄存器 1.2.2.ATmega16的外部引脚与封装
习题1 1. 嵌入式系统的概念的是什么？答：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技 术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。（嵌入式系统是嵌入式到对象体系中的，用于执行独立功能的专用计算机系统。） 2. 嵌入式系统的特点是什么？ 答：系统内核小；专用性强；运行环境差异大；可靠性要求高；系统精简和高实时性操作系统；具有固化在非易失性存储器中的代码嵌入式系统开发和工作环境 4. 嵌入式系统的功能是什么？答：提供强大的网络服务小型化，低成本，低 功能；人性化的人机界面；完善的开发平台 5. 嵌入式系统的硬件平台由哪些部分组成？答：嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，由存储器I/O 单元电路，通信模块，外部设备必要的辅助接口组成的。 7. 嵌入式操作系统的主要特点是什么？答：体积小；实时性；特殊的开发调试环境。 8. 叙述嵌入式系统的分类。答：按嵌入式微处理器的位数分类可以分为4 位、 8 位、16 位、32 位和64 位等；按软件实时性需求分类可以分为非实时系统（如PDA）， 软实时系统（如消费类产品）和硬实时系统（如工业实时控制系统）按嵌入式系统的复杂程度分类可以分为小型嵌入式系统，中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统。 习题2 处理器和工作状态有哪些？
答：ARM犬态：此时处理器执行32位的的字对齐的ARS旨令。 Thumb犬态：此时处理器执行16位的，半字对齐的Thumb旨令 2.叙述ARM9内部寄存器结构，并分别说明R13 R14 R15寄存器的 作用。 答：共有37个内部寄存器，被分为若干个组（BANK，这些寄存器包括31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针）6个状态寄存器。R13用作堆栈指针，R14称为子程序链接寄存器，R15用作程序计数器。处理器的工作模式有哪些？ 答：用户模式：ARM处理器正常的程序执行状态。 快速中断模式：用于高速数据传输或通道处理 外部中断模式：用于通用中断处理管理模式：操作系统使用的保护模式数据访问终止模式：当数据或指令预期终止时进入该模式，可用于虚拟存储器及存储保护 系统模式：运行具有特权的操作系统任务 未定义指令终止模式：当未定义的指令执行时进入该模式，可用 于支持硬件协处理器的软件仿真。 微处理器支持的数据类型有哪些？ 答：ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位），字（32 位）
嵌入式系统实验报告 指导教师: 学科专业: 班级: 学号: 姓名: 2014年6月
前言 从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器,微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有了近30年的发展历史,并在全世界各行业得到广泛应用。嵌入式系统产品的研制与应用已经成为我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。经过几十年的发展,嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作与娱乐方式,而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类,每类都具有自己独特的个性。例如,MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更就是具有多个嵌入式系统,使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶,机顶盒、高清电视、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等,都就是典型的嵌入式系统。事实上,几乎所有带有一点“智能”的家电(全自动洗衣机、电脑电饭煲…)都就是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力与多样性,使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。 高端的嵌入式系统与工业软件的发展, 实际上与我们对该行业最先进的科学技术前沿的掌握有关,换言之,与我国该行业的科学技术水平有关。学习与研究嵌入式系统,具有重大意义。 这学期的嵌入式系统的学习过程中我们在2410RP这一实验开发平台上进行了诸多嵌入式的基础实验。在本报告中,将把其中两个具有代表性的实验的原理、内容、结果以及驱动与测试程序写出来。
目录 实验一数码管显示 (1) 1、1 实验目的 (1) 1、2 实验内容 (1) 1、3 实验原理 (1) 1、3、1 LED的发光原理 (1) 1、3、2 八段LED显示器 (1) 1、3、3 芯片zlg7289A的介绍 (2) 1、3、4 数码管的连接电路 (3) 1、4 实验步骤 (3) 1、5 实验源代码解释与说明 (3) 1、6 总结 (10) 实验二LED点阵驱动实验 (11) 2、1 实验目的 (11) 2、2 实验内容 (11) 2、3 实验原理 (11) 2、3、1 8X8点阵数码管发光原理 (11) 2、3、2 数码管的连接电路 (11) 2、3、3 I/O接口 (12) 2、4 实验步骤 (12) 2、5 实验源代码解释与说明 (13) 2、6 实验结果 (17) 2、7 总结 (17)
第一章嵌入式处理器 1嵌入式系统的概念组成： 定义：以应用为主，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足系统对功能、性能、可靠性、体积和功耗有严格要求的计算机系统。 组成：硬件：处理器、存储器、I / O设备、传感器 软件：①系统软件， ②应用软件。 2.嵌入式处理器分类特点： 分类：①MPU（Micro Processor Unit）微处理器。一块芯片，没有集成外设接口。部主要由运算器，控制器，寄存器组成。 ②MCU（Micro Controller Unit）微控制器（单片机）。一块芯片集成整个计算机系统。 ③EDSP（Embled Digital Signal Processor）数字信号处理器。运算速度快，擅长于大量重复数据处理 ④SOC（System On Chip）偏上系统。一块芯片，部集成了MPU和某一应用常用的功能模块 3.嵌入式处理器与通用计算机处理器的区别： ①嵌入式处理器种类繁多，功能多样 ②嵌入式处理器能力相对较弱，功耗低 ③嵌入式系统提供灵活的地址空间寻址能力 ④嵌入式系统集成了外设接口 4.①哈佛体系结构：指令和数据分开存储————————（嵌入式存储结构） 特征：在同一机器周期指令和数据同时传输 ②·诺依曼体系结构：指令和数据共用一个存储器——（通用式存数结构） 数据存储结构（多字节）： 大端方式：低地址存高位；小端方式：高地址存高位 6.ARM指令集命名：V1~V8 （ARMV表示的是指令集）
7.ARM核命名：. 命名规则：ARM｛x｝｛y｝｛z｝｛T｝｛D｝｛M｝｛I｝｛E｝｛J｝｛F｝｛S｝｛x｝——系列（版本） ｛y｝——当数值为“2”时，表示MMU（存管理单元） ｛z｝——当数值为“0”时，表示缓存Cache ｛T｝——支持16位Thumb指令集 ｛D｝——支持片上Debug（调试） ｛M｝——嵌硬件乘法器 ｛I｝——嵌ICE（在线仿真器）——支持片上断点及调试点 ｛E｝——支持DSP指令 ｛J｝——支持Jazzle技术 ｛F｝——支持硬件浮点 ｛S｝——可综合版本 8. JTAG调试接口的概念及作用： ①概念：（Joint Test Action Group）联合测试行动小组→检测PCB和IC芯片标准。（P CB→印刷电路板IC→集成芯片） ②作用（1）硬件基本功能测试读写 （2）软件下载：将运行代码下载到目标机RAM中 （3）软件调试：设置断点和调试点 （4）FLASH烧写：将运行最终代码烧写到FLASH存储器中。 9.GPIO概念：（General Purpose I/O Ports）通用输入/输出接口，即处理器引脚。 10.S3C2410/S3C2440 GPIO引脚 S3C2410共有117个引脚，可分成A——H共8个组，（GPA，GPB，…GPH组） S3C2440共有130个引脚，可分成A——J共9个组，（GPA，GPB，…，GPH，GPJ 组） 11.GPxCON寄存器,GPxDAT寄存器,GpxUP寄存器的功能，各位含义和用法 ①GPxCON寄存器（控制寄存器）——设置引脚功能 →GPACON（A组有23根引脚，一位对应一个引脚，共32位，拿出0~22位，其余没用） （若某一位是）0：（代表该位的引脚是一个）输出引脚 1：地址引脚 →GPBCON——GPH/JCON（用法一致，两位设置一个引脚） 00：输入引脚 01：输出引脚 10：特殊引脚 11：保留不用 GPBCON ②GPxDAT寄存器（数据寄存器）——设置引脚状态及读取引脚状态 若某一位对应的是输出引脚，写此寄存器相应位可令引脚输出高/低电平。 若某一位对应的是输入引脚，读取此寄存器可知相应引脚电平状态。GPBDAT
一、简答题 1.简要说明嵌入式系统的硬件组成和软件组成。 答:硬件组成：微处理器，存储器，输入设备和输出设备。 软件组成：操作系统，文件系统，图形用户接口，网络系统，通用组建模块。 2.S3C2410A的AHB总线上连接了那些控制器？APB总线上连接了那些部件？ AHB：LCD控制器，LCD DMA，总线控制器，USB主控制器，中断控制器，ExtMaster，电源管理，Nandflash控制器，储存器控制器。 APB：通用异步收发器，内部集成电路总线（IIC），USB设备控制器，集成电路内部 声音总线（IIS），MMC/SD/SDIO主控制器，通用I/O端口（GPIO），看门狗定时器（WDT），定时时钟（RTC），总线控制器，A/D转换器，串行外设接口，定时器/脉宽调制。 3.ARM体系结构支持几种类型的异常，并说明其异常处理模式和优先级状态？ 答，支持7种类型的异常 异常处理过程：（进入异常）PC→LR，CPRS→SPSR，设置CPSR的运行模式位，跳转 到相应的异常处理程序，（异常返回）LR→PC，SPSR→CPSR，若在进入异常处理时 设置中断禁止位，要在此清楚，复位异常处理程序不需要返回。 Reset＞数据中指＞快速中断请求（ＦＩＱ）＞中断请求（IRQ）＞指令预取中止＞ 未定义指令和软件中止。 4.简述I2S总线接口的启动与停止过程。 通过I2S控制寄存器IISCON控制，当控制寄存器IISCON的地址为0=I2S禁止（停止）； 当控制寄存器IISCON的地址为1=I2S允许（开始）。 5.简述ARM系统中的中断处理过程。 中断处理过程包括：中断请求、中断排队或中断判优、中断响应、中断处理和中断返回 6.ARM微处理器支持哪几种运行模式？各运行模式有什么特点？ User：用户模式。绝大部分的任务执行都在这种操作模式下，此为正常的程序执行 模式。 FIQ：快速中断模式。支持数据传送或通道处理。 IRQ：普通中断模式。用于一般中断处理。 Supervisor：管理模式。一种操作系统受保护的方式。 Abort：中止模式。在访问数据中止后或指令预取中止后进入中止方式。 System：系统模式。是操作系统一种特权级的用户方式。 Undef：未定义模式。当执行未定义指令时会进入这种操作模式。 7.当PCLK=66.5MHz时，选择不同的时钟分频（1/2、1/4、1/8、1/16）输入，分别计算 定时器最小分辨率、最大分辨率及最大定时区间。 答：最小分辨率：定时器输入时钟频率=ＰＣＬＫ／{ｐｒｅｓｃａｌｅｒ＋１}／{ｄ ｉｖｉｄｅｒ值}＝６６.5/{0+1}/{2}=33.2500(MHz) 一个计数脉冲时间=1/33.2500MHz=0.0300(us) 最大分辨率：定时器输入时钟频率=PCLK/｛255+1｝/{2}=66.5/256/2=129.8828 一个计数脉冲的时间=1/129.8828=7.6992（us） 最大定时区间：由于TCNTBn=65535，计数到0共65536个计数脉冲， 所以65536*7.6992=0.5045（sec）。
《嵌入式系统原理与应用》教学大纲 大纲说明 课程代码：22673 课称:嵌入式系统原理与应用 总学时：48学时（讲课32学时，实验16学时） 总学分： 2.5学分 课程类别：限选 适用专业：电子信息工程 预修要求：模拟电子电路、数字电子电路、C语言 课程的性质、目的、任务： 嵌入式系统技术已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域。如手机、PDA、MP3、手持设备、智能电话、机顶盒等，可以说嵌入式系统无处不在。 通过本课程学习，可以了解嵌入式系统技术基本概念、特点、分类，掌握嵌入式系统软硬件设计的基本方法。本课程的特点是针对目前流行的基于ARM架构的32位嵌入式微处理器进行详细剖析，并结合嵌入式系统软件编程，基本掌握嵌入式系统的设计与开发方法。本门课程注重培养实际应用能力，以达到“学习嵌入式，使用嵌入式”的教学目的。 教学基本方式：本课程以课堂讲授为主，应配有一定量的实验课时以提高学生的实际动手和分析能力。 教学方法和教学手段建议: 讲授法与实验结合,建议加强对C语言的学习 大纲的使用说明：多媒体教学和板书相结合，利用BB网站与学生互动，链接知名大学在线教学；作业是帮助学生理解基本概念、掌握基本分析方法、学会运用理论处理实际问题的重要环节之一，提交形式可以电子邮件形式。 大纲正文 第一章嵌入式系统概述学时：2学时（讲课2学时）基本要求：了解嵌入式系统、嵌入式处理器、嵌入式操作系统的基本概念及其关系；嵌入式系统原理与设计的学习要点与学方法。 重点：嵌入式系统、嵌入式处理器、嵌入式操作系统的三者关系 难点：理解嵌入式系统设计流程及关键步骤 第二章 ARM核嵌入式处理器体系结构学时：7学时（讲课7学时） 基本要求：了解什么是嵌入式系统、熟悉ARM7TDMI基本组成、处理器状态和处理器模式、掌握ARM7TDMI异常与中断 重点：ARM7TIDMI体系结构，寄存器分布，处理器模式及异常，存储器映射。 难点：异常响应流程、存储器映射与重映射概念的理解
版权说明 本文件中出现的任何文字叙述、文件格式、插图、照片、方法、过程等内容，除另有特别注明，版权均属本人所有。 ----WangYiwei 由于我正在学习“嵌入式系统原理与应用——基于ARM微处理器和Linux操作系统”这门课程，网络上找不到课后习题答案。因此本人通过认真地做习题，不懂百度，查阅相关书籍等途径，整理了一份答案，可供各位参考。 注意：答案并不一定完全正确，有异议的答案欢迎提出来大家一起探讨。 练习题P14 1.选择题 （1）A 说明：嵌入式系统的发展趋势表现在以下几方面： 1.产品种类不断丰富，应用范围不断普及 2.产品性能不断提高 3.产品功耗不断降低，体积不断缩小 4.网络化、智能化程度不断提高 5.软件成为影响价格的主要因素 （2）D 说明：常见的嵌入式操作系统: VxWorks，Windows CE、uC/OS-II和嵌入式Linux。 （3）A 说明：VxWorks是美国WindRiver公司于1983年开发的一种32位嵌入式实时操作系统。 2.填空题 (1)嵌入式计算机 (2)微处理器外围电路外部设备 (3)板级支持包实时操作系统应用编程接口应用程序 (4)嵌入式处理器微控制器数字信号处理器 3.简答题 （1）简述嵌入式系统的定义和特点 答：定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 特点：专用性强、实时性好、可裁剪性好、可靠性高和功耗低等。
（2）简述计算机系统的发展历程 第一阶段大致在20世纪70年代前后，可以看成是嵌入式系统的萌芽阶段； 第二阶段是以嵌入式微处理器为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统； 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，也是嵌入式应用开始普及的阶段； 第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 （3）简述MCU和DSP的区别 MCU是微控制器，DSP是数字信号处理器。 MCU相当于小型的电脑，内部集成的CPU、ROM、RAM、I/O总线，所以集成度高是它的特点。 DSP是专用的信息处理器，内部的程序是对不同的机器和环境进行特别优化，所以处理速度是最快的。 练习题 1. 填空题 (1) ARM7 ARM9 ARM9E ARM10E ARM11 (2) 精简指令集计算机 (3) Samsung ARM920T IIC总线 (4) BGA 显卡布线 (5) (6) 8 128 1 (7) S3C2410 64MB 64MB 2. 选择题 (1) D (2)C (3)A (4)B (5)B (6)C (7)D (8)C (9)C (10)B 3. 简答题 (1)ARM和S3C2410X有什么关系? S3C2410是韩国三星公司生产的嵌入式处理器,它采用了ARM公司的ARM920T(即ARM9)内核 (2)ARM7是32位RISC处理器，使用3级流水线，采用冯 ?诺依曼体系结构,不支持MMU。 (3)ARM8是32位RISC处理器，使用5级流水线，采用哈佛体系结构，支持MMU。 (4)S3C2410X芯片有27根地址线，8根片选线(nGCS)，32根数据线。 (5)S3C2410X芯片内部集成了一个LCD控制器，SDRAM控制器，3个通道UART，4个通道DMA，4个具有PWM 功能的计时器和一个内部时钟，8通道的10位ADC。 (6)ARM体系结构有哪几种工作状态？又有哪几种运行模式？其中哪些为特权模式？哪些为异常模式？并指出处理器在什么情况下进入相应模式？
嵌入式系统原理与接口复习要点及思考题答案(计)
各位：根据掌握要点认真复习，后面附有作业题答案。 第1章掌握要点 1.1.1节嵌入式系统的概念 1.1．3节嵌入式系统的特点 1.3节嵌入式处理器 1.4节嵌入式系统的组成（看课件，有补充的内容） 补：1.嵌入式系统开发过程？ 2.嵌入式系统调试常用的基本方法 3.交叉编译和交叉调试 4.嵌入式操作系统 第2章掌握要点 2.1节计算机体系结构分类 2.3.1节 ARM和Thumb状态 2.3.2节 RISC技术 2.3.3节流水线技术 2.4.1 ARM存储系统 2.4.2 Cache:写通、写回、读操作分配cache、写操作分配cache、工作原理、地址映像 2.4.3节 ARM存储系统 补充: (见课件) 1. ARM简介：ARM的命名方式、5种变形
2.理解片内Flash的3种编程方法。 3.理解ARM7芯片存储器存储空间分布。（8个bank，每个bank32MB）第3章掌握要点 3.1节ARM编程模式：处理器模式、处理器工作状态、寄存器组织、 异常中断 3.2节指令格式和寻址方式 3.3节指令系统：掌握和熟练应用课件所讲的指令、可编程序段 第5章掌握要点 5.1节键盘接口：行扫描法原理、掌握编写驱动程序 5.2节 LED显示器接口：理解工作原理，掌握编写驱动程序 5．5.1节 UART异步串行接口：异步通信格式、接收的4种错误类型、初始化、发送程序、接收程序 第1章作业题答案： 1.什么是嵌入式系统？ ?第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 ?第二种，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统。
嵌入式系统原理复习题 1、嵌入式系统的概念 广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件和软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。本书所谓的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。 根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 2、嵌入式系统的特点 1)系统内核小 2)专用性强 3)运行环境差异大 4)可靠性要求高 5)系统精简和高实时性操作系统 6)具有固化在非易失性存储器中的代码 7)无自举开发能力 3、嵌入式系统的硬件平台由哪些部分组成 嵌入式系统的微硬件包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口 4、什么是分时系统、软实时系统、硬实时系统，它们的区别是什么？ 分时操作系统按照相等的时间片调度进程轮流运行，分时操作系统由调度程序自动计算进程的优先级，而不是由用户控制进程的优先级。这样的系统无法实时响应外部异步事件。 硬实时系统有一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误。超时错误会带来损害甚至导致系统失败、或者导致系统不能实现它的预期目标。 软实时系统的时限是一个柔性灵活的，它可以容忍偶然的超时错误。失败造成的后果并不严重，仅仅是轻微的降低了系统的吞吐量。 5、嵌入式系统的分类 按嵌入式微处理器的位数分类 a)4位 b)8位 c)16位 d)32位 e)64位 按软件实时性需求分类
第一章 1．嵌入式系统的基本含义是什么？为什么说单片机是典型的嵌入式系统？ 答：即MCU的含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。大部分嵌入式系统以MCU为核心进行设计。MCU从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方面的要求。因此以MCU为核心的系统是应用最广的嵌入式系统。 2．简述嵌入式系统的特点以及应用领域（举例）。 答：嵌入式系统属于计算机系统，但不单独以通用计算机的面目出现;嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法;使用MCU设计嵌入式系统，数据与程序空间采用不同存储介质;开发嵌入式系统涉及软件、硬件及应用领域的知识;嵌入式系统的其他特点,比如紧张的资源，较高稳定性要求，低功耗，低成本等。 一般用于工业控制，智能家电，日常电子等领域。 日常数码产品：手机，MP3，U盘，相机等。 日常工业类：冰箱，空调，微波炉，汽车等。
3．比较MCU与CPU的区别与联系。 答：CPU是一个单独的PC处理器。而MCU，则有微处理器，存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。所以可以这么说，MCU是一个包含微处理器的嵌入式系统，而CPU紧紧是一个处理器而已。 4. 总结嵌入式系统常用术语。 硬件：封装，印刷电路板，动态可读写随机存储器与静态可读写随机存储器，只读存储器，闪速存储器，模拟量与开关量。 通信：并行通信，串行通信，串行外设接口，集成电路互连总线，通用串行总线，控制器局域网，背景调试模式，边界扫描测试协议，串行线调试技术。 功能模块及软件：通用输入/输出，A/D与D/A，脉冲宽度调制器，看门狗，液晶显示，发光二级管，键盘，实时操作系统。 5．C语言的那些特性使得它成为嵌入式系统中使用频率最高的高级语言。 答：相比底端汇编，更简单易学；与高级语言如（C++，C#，java等）相比，执行效率高，编译后的编码体积小，而且支持好的编译器还支持嵌入汇编代码；对位的操纵能力很强。 6. 举例说明结构体变量类型的定义、结构体变量的声明与使用方法。