第一章 嵌入式控制系统简介

主要内容： 1.1 单片机和嵌入式控制系统的定义和分类 1.2 ARM处理器简介

1.1 单片机和嵌入式控制系统的定义和分类 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、对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件结合体。 实际上，嵌入式控制系统是和单片机的产生和发展分不开的。

1.1.1 单片机和嵌入式控制系统的定义 单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元(CPU)、存储器（RAM/ROM）和各种I/O接口的微型计算机。这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的功能，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。 单片机主要应用在测试和控制领域，由于单片机在使用时，通常处于测试和控制领域的核心地位并嵌入其中，因此我们也常把单片机称为嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit ），把嵌入某种微处理器或单片机的测试和控制系统称为嵌入式控制系统（Embedded Control System）。

1.1.2 嵌入式控制系统的设计方法 做为嵌入式控制器的单片机，不管是8位单片机还是16位单片机或32位单片机，由于受其本身资源限制，其应用程序都不能在其本身上开发。开发其应用程序，还需要一台通用计算机，如常用的IBM-PC机或兼容机，Mindows95/98/2000或XP操作系统，256M以上内存，1G以上硬盘内存空间（运行交叉编译环境ADS1.2最低配置）。我们也称这台通用计算机为“宿主机”，称做为嵌入式控制器的单片机为“目标机”。应用程序在“宿主机”上开发，在“目标机”上运行。“目标机”和“宿主机”之间利用计算机并口通过一台叫“仿真器”的设备相连，程序可以从“宿主机”传到“目标机”，这也叫程序下载，也可以从“目标机”

传到“宿主机”，叫程序上传。应用程序通过“仿真器”的下载和上传，在“宿主机”上反复修改，这个过程叫“调试”。调试好的应用程序，在“宿主机”上编译成“目标机”可以直接执行的机器码文件，通过一台叫“固化器”的设备下载并固化到“目标机”的程序存储器中，整个下载过程，叫烧片，也叫程序固化。 程序固化是单片机开发的最后一步，以后“宿主机”和“目标机”就可以分离，“宿主机”任务完成。“目标机”就可以独立执行嵌入式控制器的任务。

1.1.3 嵌入式控制系统各种设计方法的特点 1. 目标机上安装某种嵌入式操作系统 人们在目标机上嵌入某种功能较强且占用内存较少的操作系统，用户程序在该操作系统支持下运行。我们也把这种操作系统叫嵌入式操作系统，嵌入式操作系统有多种，如比较著名的Windows CE，Linux，μC/OS-Ⅱ等等。特别是Linux操作系统，由于代码简练、功能强大、内核公开等优点，获得广泛应用。

2. 目标机上不安装操作系统 在这种情况下，我们把ARM9 只当成是32位单片机。使用Code Warror IDE对其进行开发，整个开发过程和开发MCS-51单片机一样，非常简单。 ADS（ARM Developer Suite）是ARM公司推出的新一代ARM开发工具，目前最新版本是ADS1.2。ADS使用Code Warror IDE 集成开发环境替代了老的开发工具，使用AXD做为调试工具，现代集成开发环境的一些特点，如源文件编辑器语法高亮和窗口驻留功能都有体现。 ADS使用并口通过JTAG仿真器与“目标机”相连，实现在线调试和仿真。

3．两种设计方法的特点 带操作系统的嵌入式控制系统，在编制较复杂和高端应用程序时，例如上面提到的与Internet的结合、多线程、复杂的数据处理、高分辨率图形图像显示等，用户程序就会比较简单，但整个工程研制的时间开销不会少，因为我们要把很多时间放在对Linux操作系统的安装和熟悉上，虽说Linux操作系统是免费的，其内核可以根据用户需要进行剪裁，但要达到随意剪裁的水平，需要我们花费很多时间去熟悉和研究。此外，我们还要学会驱动程序和Makefile文件的编写，特别是驱动程序，每一个设备都要有一个，它要和内核结合到一起，形成操作系统的一部分。就是说，我们在开发嵌入式控制系统时，还要完成一部分操作系统内核工作，难度较大，会花费很多时间。

系统在调试程序时，要占用“宿主机”较多资源，如使用并口连接JTAG仿真器、使用串口与“宿主机”通信、使用网口来传输文件。 如果我们在目标机上不安装嵌入式操作系统，把ARM9 只当成是32位单片机来开发，那么，整个开发过程和开发MCS-51单片机一样，特别简单。这样我们就可以把主要时间放在对ARM9单片机软件和硬件的熟悉上，充分发挥32位单片机本身资源优势；把主要精力放在控制系统的稳定性和可靠性上，在较短时间开发出高品质嵌入式产品。

嵌入式控制系统大多具有小、巧、轻、灵、薄的特点，需要与Internet的结合、多线程的系统等“高端应用”只占非常少的一部分，因此不采用嵌入式操作系统，也可以满足系统需要。 如遇多线程序问题，可以采用多微处理器分级分布控制。

1.2 ARM处理器简介 ARM有三个含意，一是从事嵌入式微处理器开发的高科技公司的名字，二是代表一种低功耗、高性能的32位RISC (精简指令系统)处理器的技术，三是代表一种微处理器产品。 本节介绍ARM微处理器系列几种产品，从中可以看到ARM技术的发展和技术现状。

1.2.1 ARM体系结构的发展 ARM处理器是一种低功耗、高性能的32位RISC (精简指令系统)处理器。本章将从其结构入手、分析目前流行的ARM920T核硬件结构和编程。

ARM微处理器系列包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCode系列和Intel的Xscale。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。

1. ARM7系列微处理器 ARM7系列微处理器是低功耗的32位RISC处理器，适合用于对价位和功耗要求较高的消费类产品。ARM7系列有如下特点： · 具有嵌入式ICE—RT逻辑，调试开发方便。 · 极低的功耗，适合对功耗要求较高的产品，如便携式产品。 · 能够提供0.9 MIPS（MIPS，每秒百万条指令）/MHz的三级流水线结构。 · 对操作系统的支持广泛，如Windows CE、Linux、PalmOS（最流行的掌上电脑操作系统）等。 · 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。 · 主频最高可达130MHz，高速的运算处理能力可胜任绝大多数的复杂应用。

ARM7系列微处理器主要应用于工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、 移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义如下： · T 支持16位压缩指令集Thumb。 · D 支持片上Debug。 · M 内嵌硬件乘法器（Multiplier）。 · I 嵌入式ICE，支持片上断点和调试。

2. ARM9系列微处理器 ARM9系列微处理器在高性能和低功耗方面有非常突出特点。具体如下： · 5级流水线结构，指令执行效率更高。 · 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 · 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 · 支持32位的高速AMBA总线接口。 · 全性能的MMU，支持WindowsCE，Linux，PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。

· MPU支持实时操作系统。 · 支持数据Cache（高速缓存）和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。 ARM9系列微处理器主要应用于无线设备，仪器仪表，安全系统，机顶盒，高端打印机，数字照相机和数字摄像机等。 ARM9系列微处理器包括ARM920T，ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。

3. ARM9E系列微处理器 ARM9E系列微处理器的主要特点如下： · 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 · 5级流水线，指令执行效率更高。 · 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 · 支持32位的高速AMBA总线接口。 · 支持VFP9浮点处理协处理器。 · 全性能的MMU，支持众多主流嵌入式操作系统。

· 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的处理能力。 · 主频最高可达300MHz。 ARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设备，数字消费品，成像设备，工业控制，存储设备和网络设备等领域。 ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-E，ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。

4. ARM10E系列微处理器 ARM10E系列微处理器的主要特点如下： · 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 · 6级流水线，指令执行效率更高。 · 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 · 支持32位的高速AMBA总线接口。 · 支持VFP10浮点处理协处理器。 · 全性能的MMU，支持众多主流嵌入式操作系统。 · 支持数据Chche和指令Chche，具有更高的处理能力。

· 主频最高可达400MHz。 · 内嵌并行读/写操作部件。 ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。 ARM10E系列微处理器包括ARM1020E、ARM1002E和ARM1026JE-S三种类型，以适用于不同的应用场合。

5. ARM920T ARM920T高缓存处理器是ARM9 Thumb系列中高性能的32位单片系统处理器。 而ARM920TDMI系列微处理器包含如下几种类型的内核。 · ARM9TDMI：只有内核。 · ARM940T：由内核、高速缓存和内存保护单元(MPU)组成。 · ARM920T：由内核、高速缓存和内存管理单元(MMU)组成。 ARM920T提供完善的高性能CPU子系统，包括以下方面： · ARM9TDMI RISC CPU。 · 16K字节指令缓存与16K字节数据缓存。 · 指令与数据存储器管理单元（MMU）。 · 写缓冲器。

· 高级微处理器总线架构（AMBA）总线接口。 · ETM（内置跟踪宏单元）接口。 ARM920T中的ARM9TDMI内核可执行32位ARM及16位Thumb指令集。ARM9TDMI处理器是哈佛结构，有包括取指、译码、执行、存储及写入的5级流水线。 ARM920T处理器包括以下两个协处理器。 · CP14：控制软件对调试通道的访问。 · CP15：系统控制处理器，提供16个额外寄存器来配置与控制缓存、MMU、系统保护、时钟模式及其他系列选项。 ARM920T处理器的主要特征如下。

· ARM9TDMI内核，ARM v4T架构。 · 两套指令集：ARM高性能32位指令集和Thumb高代码密度16位指令集。 ·5级流水线结构，即取指（F）、指令译码（D）、执行（E）、数据存储访问（M）和写寄存器（W）。 · 16K字节数据缓存，16K字节指令缓存。 · 写缓冲器：16字的数据缓冲器。 · 标准的ARMv4存储器管理单元（MMU）：区域访问许可，允许以1/4页面大小对页面进行访问，16个嵌入域，64个输入指令TLB及64个输入数据TLB。 · 8位、16位、32位的指令总线与数据总线。

6. SecurCore系列微处理器 SecurCore（安全特性内核）系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外，在系统安全方面具有如下特点： ．带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。 ．采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。

．可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 SecurCore系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCour SC210四种类型，以适用于不同的应用场合。

7. Strong ARM 系列微处理器 Intel StrongARM（高度集成ARM处理器） SA-1100是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Intel公司的设计和处理技术，以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构，同时采用具有Intel技术优点的体系结构。Intel StrongARM处理器是便捷式通信产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品

8. ARM11处理器的内核特点 ARM11处理器是为了提高MPU处理能力而设计的。该系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，RM11处理器可以在2.2mm芯片面积和0.24mW/MHz下主频达到500MHz。ARM11处理器以众多消费产品市场为目标，推出了许多新的技术，包括针对媒体处理的SIMD（单指令多数据流），用以提高安全性能的TrustZone（安全区）技术，智能能源管理（IEM），以及需要非常高的、可升级的超过2600 次Dhrystone（逻辑运算性能测试）和2.1 MIPS 的多处理技术。

9，DSP功能 DSP（digital singnal processor，数字信号处理）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片

1.2.2 ARM体系结构的存储器格式 首先来了解ARM体系结构中的字长： ． 字（Word），在ARM体系结构中，字的长度为32位，而在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位。 ．半字（Half Word），在ARM体系结构中，半字的长度为16位，与8位/16位处理器体系结构中字的长度一致。 ．字节（Byte），在ARM体系结构和8位/16位处理器体系结构中，字节的长度均为8位。 指令长度可以是32位（ARM状态下），也可以为16位（Thumb状态下）。

作为32位的微处理器，ARM920T体系结构所支持的最大寻址空间位4GB(2字节)。 ARM920T体系结构支持两种方法存储字数据，即大端(Big Enddian )格式和小端(Little Enddian )格式。在大端格式中，字数据的高字节存储在低字节单元中，而字数据的低字节则存放在高地址单元中，如图1-1所示。

图1-1大端格式存储字数据

在小端存储格式中，低地址单元存放的是字数据的低字节，高地址单元中，存放的是数据的高字节，如图1-2所示。 图1-2小格式存储字数据