嵌入式微處理器系統(tǒng)及應(yīng)用

前言

引子嵌入式計算機技術(shù)是21世紀計算機技術(shù)兩個重要發(fā)展方向之一，應(yīng)用領(lǐng)域相當廣泛，且增長迅速，據(jù)估計未來十年中95％的微處理器和65％的軟件被用于各種嵌人式系統(tǒng)中。技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，離不開人才的培養(yǎng)。業(yè)界對嵌入式技術(shù)人才的需求巨大，尤其在迅速發(fā)展的電子、通信、計算機等領(lǐng)域，這種需求更是顯著。另外，企業(yè)對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)從業(yè)者的工程實踐能力、經(jīng)驗要求也越來越重視，學生就業(yè)的壓力不斷增大。因此目前很多高校都在致力于嵌入式相關(guān)課程體系的建設(shè)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點，在課程內(nèi)容的設(shè)計、師資隊伍的建設(shè)、教學方法探索與教學條件的建設(shè)、實驗體系的建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)共享資源建設(shè)等方面取得了較好的成效，一些課程已經(jīng)建成精品課程，為嵌入式系統(tǒng)教學的發(fā)展及人才培養(yǎng)做出了相應(yīng)的貢獻。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要涉及硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩大方面，缺一不可，因此在嵌入式課程體系的建設(shè)上“兩手都要抓，兩手都要硬”。在硬件開發(fā)方面，高度集成化的、模塊化的器件（包括嵌入式微處理器和各種控制處理芯片）降低了硬件開發(fā)的門檻，目前大量需要的是基于這些器件構(gòu)建完整硬件系統(tǒng)的人才。對于這類人才的知識和能力的要求是：掌握數(shù)字電路和模擬電路的基本原理、嵌入式微處理器系統(tǒng)的工作原理及其外設(shè)接口的應(yīng)用、各種外圍電路及控制器件的工作原理和應(yīng)用、使用相關(guān)設(shè)計軟件獨立完成硬件系統(tǒng)的原理圖和PCB的設(shè)計、熟悉相關(guān)儀器儀表（如示波器和萬用表）的使用等。在嵌入式軟件開發(fā)方面，自下而上可以分為以下幾種層次：（1）編寫簡單的板級測試軟件，主要目的是輔助硬件的調(diào)試；（2）開發(fā)基本的驅(qū)動程序以及針對特定嵌入式操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序（即板級支持包）；（3）開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件如嵌入式操作系統(tǒng)；（4）開發(fā)嵌入式中間件；（5）開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件。相應(yīng)地需要掌握嵌入式硬件平臺及微處理器的原理、板級初始化和驅(qū)動開發(fā)技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)的原理及設(shè)計、嵌入式軟件中間件、嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)，以及軟件開發(fā)工具的使用、軟件測試的方法等。需要非常注意的是，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件不是相互孤立的，而是有很密切的聯(lián)系，尤其針對底層軟件開發(fā)而言，因此既熟悉硬件又熟悉軟件、具備系統(tǒng)性的分析設(shè)計能力的人才非常搶手。這當中硬件方面知識的薄弱會直接導(dǎo)致對硬件緊密相關(guān)的系統(tǒng)軟件（如操作系統(tǒng)、BSP及設(shè)備驅(qū)動）的開發(fā)成為一件相對困難的事情，導(dǎo)致很多的人認為嵌入式開發(fā)的門檻較高或難度較大，從而影響到高質(zhì)量應(yīng)用軟件的設(shè)計和開發(fā)能力，并對最終產(chǎn)品的優(yōu)化及性能產(chǎn)生影響。

內(nèi)容概要

本書共13章，從硬件、軟件及系統(tǒng)開發(fā)等諸多方面，詳細討論嵌入式微處理器系統(tǒng)的原理、技術(shù)以及系統(tǒng)開發(fā)的方式方法，從處理器內(nèi)核到集成了豐富片內(nèi)外設(shè)的SoC系統(tǒng)，從嵌入式板級開發(fā)到SoC片外擴展的存儲系統(tǒng)、各種總線，本書均有精細解剖。全書結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)容豐富，實例眾多，提供了大量實例程序和系統(tǒng)的開發(fā)流程及模塊化設(shè)計思路，適合高等院校的師生研讀，也可供SoC系統(tǒng)開發(fā)人員使用。

書籍目錄

第1章　嵌入式硬件系統(tǒng)概述　1.1　嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域　1.2　嵌入式系統(tǒng)的特點　1.3　嵌入式硬件系統(tǒng)的組成　1.4　嵌入式微處理器概述　1.5　主流的嵌入式微處理器　1.6　嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢　1.7　本章小結(jié)第2章　嵌入式微處理器核心　2.1　ARM CPU ISA的發(fā)展歷史　2.2　典型ARM CPU Core體系結(jié)構(gòu)　2.3　ARM編程模型　　2.3.1　數(shù)據(jù)寬度（類型）　　2.3.2　工作狀態(tài)和工作模式　　2.3.3　寄存器　　2.3.4　中斷與異?！?.4　內(nèi)存和I/O　　2.4.1　大小端　　2.4.2　I/O端口編址方式　2.5　JTAG和ARM7TDMI Embedded ICE相關(guān)技術(shù)　　2.5.1　JTAG的基本原理　　2.5.2　JTAG的結(jié)構(gòu)　　2.5.3　TAP控制器的狀態(tài)機　　2.5.4　ARM7TDMI上的JTAG　2.6　PowerPC CPU Core　2.7　SuperH CPU Core　　2.7.1　SuperH系列嵌入式微處理器簡介　　2.7.2　SuperH體系的特點　　2.7.3　SH3編程模型　2.8　本章小結(jié)第3章　ARM嵌入式微處理器指令集概覽　3.1　ARM指令集概述　　3.1.1　ARM指令集　　3.1.2　Thumb指令集　　3.1.3　Thumb?2指令集　　3.1.4　Jazelle　　3.1.5　為什么需要學習匯編指令　3.2　ARM v4T架構(gòu)指令體系　　3.2.1　條件執(zhí)行和標志位　　3.2.2　數(shù)據(jù)處理指令　　3.2.3　乘法和除法　　3.2.4　分支指令　　3.2.5　單寄存器數(shù)據(jù)傳輸（加載/存儲指令）　　3.2.6　批量加載/存儲指令　　3.2.7　交換（SWP）指令　　3.2.8　軟中斷指令（SWI）　　3.2.9　程序狀態(tài)寄存器訪問指令　　3.2.10　協(xié)處理器指令　3.3　ARM v5TE架構(gòu)指令體系　　3.3.1　前導(dǎo)0計數(shù)指令　　3.3.2　符號乘法操作指令　　3.3.3　飽和運算指令　　3.3.4　加載/存儲2個寄存器指令　　3.3.5　斷點指令　　3.3.6　高速緩存預(yù)加載指令　3.4　ARM v6架構(gòu)指令體系新特性　　3.4.1　打包數(shù)據(jù)類型指令　　3.4.2　字節(jié)選擇指令　　3.4.3　單指令多數(shù)據(jù)處理指令　　3.4.4　絕對差值求和指令　　3.4.5　SETEND指令　　3.4.6　字節(jié)反轉(zhuǎn)指令　　3.4.7　飽和指令　　3.4.8　排他的加載/存儲指令　　3.4.9　異常進入與退出指令　3.5　Thumb指令集　　3.5.1　v4T和v5TE的Thumb指令集　　3.5.2　v6的Thumb指令集　3.6　本章小結(jié)第4章　SoC嵌入式微處理器系統(tǒng)第5章　嵌入式系統(tǒng)的片外存儲系統(tǒng)第6章　32位嵌入式系統(tǒng)常用總線第7章　嵌入式硬件系統(tǒng)開發(fā)流程第8章　ARM7學習板核心模塊的設(shè)計第9章　系統(tǒng)外設(shè)及接口模塊設(shè)計第10章　電源電路設(shè)計第11章　嵌入式系統(tǒng)啟動程序開發(fā)第12章　嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動軟件開發(fā)第13章　嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核硬件相關(guān)設(shè)計與代碼移植附錄A　硬件規(guī)格書示例附錄B　完整的硬件設(shè)計原理圖附錄C　BOM清單示例參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第12章　嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動軟件開發(fā)12.1 嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動軟件概述驅(qū)動軟件是直接與硬件打交道的一層，它對操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供所需的驅(qū)動的支持。該層主要包括3種類型的程序，即板級初始化程序、與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動和與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動?！ぐ寮壋跏蓟绦颍哼@些程序在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境，包括嵌入式微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時器等的初始化?！づc系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動：這類驅(qū)動是操作系統(tǒng)和中間件（包括各種通信協(xié)議）等系統(tǒng)軟件所需的驅(qū)動程序，它們的開發(fā)要按照系統(tǒng)軟件的要求進行。目前操作系統(tǒng)內(nèi)核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微處理器中了，因此操作系統(tǒng)廠商提供的內(nèi)核驅(qū)動一般不用修改，開發(fā)人員主要需要編寫的相關(guān)驅(qū)動如網(wǎng)絡(luò)、鍵盤、顯示、外存等的驅(qū)動程序。·與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動：與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動不一定是需要與操作系統(tǒng)連接的，這些驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā)由應(yīng)用決定。12.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的特性及操作界面12.2.1嵌入式系統(tǒng)設(shè)備特性驅(qū)動軟件需要操作嵌入式系統(tǒng)中的各種設(shè)備，比如Flash、各種定時器或計數(shù)設(shè)備、各種通信端口或設(shè)備如串口、SPI接口、IC接口、以太網(wǎng)接口、輸入設(shè)備如鍵盤驅(qū)動、輸出設(shè)備如顯示驅(qū)動，等等。因此充分了解設(shè)備的特性，并對這些特性進行分類總結(jié)，對于掌握驅(qū)動開發(fā)技術(shù)是很必要的。1.片內(nèi)設(shè)備和板級設(shè)備按照設(shè)備控制器所處的位置，可分為芯片內(nèi)的設(shè)備和板級設(shè)備。所謂芯片內(nèi)設(shè)備，就是指集成在嵌入式微處理器或微控制器內(nèi)部的設(shè)備，通常稱為“片內(nèi)外設(shè)”，這是因為隨著硬件技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展，嵌入式微處理器或微控制器是集成度很高的片上系統(tǒng)（SOC）。在芯片內(nèi)集成的設(shè)備與芯片的應(yīng)用領(lǐng)域、目標應(yīng)用系統(tǒng)的檔次等有關(guān)，通常包括：·片內(nèi)存儲器部分嵌入式微處理器?！ね獠看鎯ζ鞯目刂破?，外設(shè)接口（串口，并口）?！CD控制器面向終端類應(yīng)用的嵌入式微處理器。·中斷控制器、DMA控制器、協(xié)處理器。

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《嵌入式微處理器系統(tǒng)及應(yīng)用》是21世紀高等學校嵌入式系統(tǒng)專業(yè)規(guī)劃教材,國家級精品課程教材。

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