嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用4

1、本章的要求,第4章、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 了解嵌入式系統(tǒng)的含義及其發(fā)展情況 了解嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 了解ARM處理器及ARM9的相關(guān)知識(shí) 熟悉三星處理器S3C2410 了解嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)和調(diào)試手段,本章的主要內(nèi)容,4.1 嵌入式系統(tǒng)概述4.2 ARM處理器硬件開發(fā)平臺(tái)4.3 嵌入式軟件開發(fā)流程 4.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——使用JTAG燒寫nand flash,,4.1 嵌入式系統(tǒng)概述,什么是嵌入式系統(tǒng)？,尼葛

2、洛龐帝2001年訪華時(shí)的預(yù)言“4～5年后，嵌入式智能電腦將是繼PC和Internet后的最偉大發(fā)明！”如今，嵌入式系統(tǒng)已成為當(dāng)今最為熱門的領(lǐng)域之一，它迅猛的發(fā)展勢(shì)頭引起了社會(huì)各界人士的關(guān)注。如家用電器、手持通信設(shè)備、信息終端、儀器儀表、汽車、航天航空、軍事裝備、制造工業(yè)、過程控制等。 按照電器工程協(xié)會(huì)的定義，嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機(jī)器、裝置、工廠等各種規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。這個(gè)定義主要是從嵌入式系統(tǒng)的用途方面來進(jìn)行定義的。普遍的嵌入

3、式系統(tǒng)的定義：嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,什么是嵌入式系統(tǒng)？,筆者認(rèn)為，將一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入到已具有某種完整的特定功能的（或者將會(huì)具備完整功能的）系統(tǒng)內(nèi)（例如：各種機(jī)械設(shè)備），以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制，此時(shí)將這個(gè)新系統(tǒng)叫做嵌入式系統(tǒng)。它通常由特定功能模塊和計(jì)算機(jī)控制模塊組成，主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系

4、統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成。它具有“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的三個(gè)基本要素。,生活中的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史,第1階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。 第2階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 第3階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。 第4階段是以Internet、多核技術(shù)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),面向特定應(yīng)用的特點(diǎn) 。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須進(jìn)行

5、高效地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能 。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物 。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片中或單片機(jī)本身，而不是存儲(chǔ)于磁盤中。 嵌入式開發(fā)的軟件代碼尤其要求高質(zhì)量、高可靠性 。嵌入式系統(tǒng)本身不具備二次開發(fā)能力 。,嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),幾種主流嵌入式操作系統(tǒng)分析,嵌入式Linux : ?

6、CLinuxRT-LinuxEmbedixXLinuxPoketLinux紅旗嵌入式LinuxMontavista linux風(fēng)河linux VxWorks QNX Windows CE ucosPalm OS ……,4.2 ARM處理器硬件開發(fā)平臺(tái),ARM處理器簡(jiǎn)介,ARM是一類嵌入式微處理器，同時(shí)也是一個(gè)公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英國(guó)劍橋，它是一家專門從事16/32位RISC微處理器知

7、識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)的供應(yīng)商。ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而只是授權(quán)ARM內(nèi)核，再給生產(chǎn)和銷售半導(dǎo)體的合作伙伴，同時(shí)也提供基于ARM架構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司處購買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。ARM公司從成立至今，在短短幾十年的時(shí)間就占據(jù)了75%的市場(chǎng)份額，如今，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。采用ARM技術(shù)的微

8、處理器現(xiàn)在已經(jīng)遍及各類電子產(chǎn)品，汽車、消費(fèi)娛樂、影像、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安保和無線等市場(chǎng)。到2001年就幾乎已經(jīng)壟斷了全球RISC芯片市場(chǎng)，成為業(yè)界實(shí)際的RISC芯片標(biāo)準(zhǔn)。,ARM IP核用戶,ARM處理器的特點(diǎn)。,? 體積小、低功耗、低成本、高性能。? 支持ARM（32位）/ Thumb（16位）/ Thumb2（16/32位混合）指令集，能很好的兼容8位/16位器件。? 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。? 大

9、多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。? 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。? 指令長(zhǎng)度固定。,ARM體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介,ARM微處理器工作狀態(tài) ：ARM狀態(tài)Thumb狀態(tài)Thumb2狀態(tài)ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)格式 ：小端和大端ARM處理器模式 ? 用戶模式（usr）：應(yīng)用程序執(zhí)行狀態(tài)。? 快速中斷模式（fiq）：用于快速中斷處理。? 外部中斷模式（irq）：用于通用的中斷處理。? 管理模式（svc）：特權(quán)模式，操作系統(tǒng)使

10、用的保護(hù)模式。? 數(shù)據(jù)訪問終止模式（abt）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。? 系統(tǒng)模式（sys）：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。,ARM微處理器系列簡(jiǎn)介,ARM微處理器系列簡(jiǎn)介,ARM9主要特點(diǎn) - 5級(jí)流水線,ARM9主要特點(diǎn) -采用哈佛結(jié)構(gòu),馮·諾依曼結(jié)構(gòu),哈佛結(jié)構(gòu),ARM9主要特點(diǎn) - 高速緩存和寫緩存的引入,ARM9主要特點(diǎn) – 支持MMU,S3C2410處理器,S3C2410X是

11、使用ARM920T核、采用0.18um工藝CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器開發(fā)而成的。由于采用了由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T RISC處理器，因此S3C2410X實(shí)現(xiàn)了MMU和獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)的緩存，且每個(gè)緩存均為8個(gè)字長(zhǎng)度的流水線。它的低功耗、精簡(jiǎn)而出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的領(lǐng)域。 S3C2410X提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大降低系統(tǒng)的成本，下面列舉了S3C2410X的主要

12、片上功能。? 1.8V ARM920T內(nèi)核供電，1.8V/2.5V/3.3V存儲(chǔ)器供電；? 16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存的MMU內(nèi)存管理單元；?外部存儲(chǔ)器控制（SDRAM控制和芯片選擇邏輯）；? 提供LCD控制器（最大支持4K色的STN或256K色TFT的LCD），并帶有1個(gè)通道的LCD專用DMA控制器；,S3C2410處理器,? 提供4通道DMA，具有外部請(qǐng)求引腳；? 提供3通道UART（支持IrDA1.0，16

13、字節(jié)發(fā)送FIFO及16字節(jié)接收FIFO）/2通道SPI接口；? 提供1個(gè)通道多主IIC總線控制器/1通道IIS總線控制器；? 兼容SD主機(jī)接口1.0版及MMC卡協(xié)議2.11版；? 提供2個(gè)主機(jī)接口的USB口/1個(gè)設(shè)備USB口（1.1版本）；? 4通道PWM定時(shí)器/1通道內(nèi)部計(jì)時(shí)器； ? 提供看門狗定時(shí)器；? 提供117個(gè)通用I/O口/24通道外部中斷源；? 提供不同的電源控制模式：正常、慢速、空閑及電源關(guān)閉模

14、式；? 提供帶觸摸屏接口的8通道10位ADC；? 提供帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器（RTC）；? 具有PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器。,S3C2410處理器,S3C2410處理器,S3C2410X支持小/大端模式，它將系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分為8個(gè)組（bank），其中每個(gè)bank有128MB，總共為1GB。每個(gè)組可編程的數(shù)據(jù)總線寬度為8/16/32位，其中bank0~bank5具有固定的bank起始地址和結(jié)束地址，用于ROM和SRAM。而ba

15、nk6和bank7是大小可變的，用于ROM、SRAM或SDRAM。這里，所有的存儲(chǔ)器bank都具有可編程的操作周期，并且支持掉電時(shí)的SDRAM自刷新模式和多種類型的引導(dǎo)ROM。,S3C2410處理器- 地址映射,S3C2410處理器- 中斷處理,優(yōu)龍F(tuán)S2410開發(fā)板,4.3 嵌入式軟件開發(fā)流程,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程,交叉編譯,嵌入式軟件開發(fā)所采用的編譯為交叉編譯。所謂交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成可以在另一個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行的

16、代碼。,交叉編譯,由于編譯的過程包括編譯、鏈接等幾個(gè)階段，因此，嵌入式的交叉編譯也包括交叉編譯、交叉鏈接等過程，通常ARM的交叉編譯器為arm-elf-gcc、arm-linux-gcc等，交叉鏈接器為arm-elf-ld、arm-linux-ld等,,交叉調(diào)試 – 其特點(diǎn),? 調(diào)試器和被調(diào)試進(jìn)程運(yùn)行在不同的機(jī)器上，調(diào)試器運(yùn)行在PC機(jī)（宿主機(jī)），而被調(diào)試的進(jìn)程則運(yùn)行在各種專業(yè)調(diào)試板上（目標(biāo)板）。? 調(diào)試器通過某種通信方式（串口、并

17、口、網(wǎng)絡(luò)、JTAG等）控制被調(diào)試進(jìn)程。? 在目標(biāo)機(jī)上一般會(huì)具備某種形式的調(diào)試代理，它負(fù)責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行著的進(jìn)程的調(diào)試。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備，也可能是某些專門的調(diào)試軟件（如gdbserver）。? 目標(biāo)機(jī)可能是某種形式的系統(tǒng)仿真器，通過在宿主機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)機(jī)的仿真軟件，整個(gè)調(diào)試過程可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。此時(shí)物理上雖然只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但邏輯上仍然存在著宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的區(qū)別,軟件調(diào)試方式,軟

18、件調(diào)試主要是通過插入調(diào)試樁的方式來進(jìn)行的。調(diào)試樁方式進(jìn)行調(diào)試是通過目標(biāo)操作系統(tǒng)和調(diào)試器內(nèi)分別加入某些功能模塊，二者互通信息來進(jìn)行調(diào)試。該方式的典型調(diào)試器有g(shù)db調(diào)試器。gdb的交叉調(diào)試器分為GdbServer和GdbClient，其中的GdbServer就作為調(diào)試樁在安裝在目標(biāo)板上，GdbClient就是駐于本地的gdb調(diào)試器。,,硬件調(diào)試 - ROMMonitor調(diào)試方式,采用ROMMonitor方式進(jìn)行交叉調(diào)試需要在宿主機(jī)上運(yùn)行調(diào)

19、試器，在宿主機(jī)上運(yùn)行ROM監(jiān)視器（ROMMonitor）和被調(diào)試程序，宿主機(jī)通過調(diào)試器與目標(biāo)機(jī)上的ROM監(jiān)視器遵循遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議建立通信連接。ROM監(jiān)視器可以是一段運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)ROM上的可執(zhí)行程序，也可以是一個(gè)專門的硬件調(diào)試設(shè)備，它負(fù)責(zé)監(jiān)控目標(biāo)機(jī)上被調(diào)試程序的運(yùn)行情況，能夠與宿主機(jī)端的調(diào)試器一同完成對(duì)應(yīng)用程序的調(diào)試。,,硬件調(diào)試 - ROMEmulator調(diào)試方式,采用ROMEmulator方式進(jìn)行交叉調(diào)試時(shí)需要使用ROM仿真器，并且它通

20、常被插入到目標(biāo)機(jī)上的ROM插槽中，專門用于仿真目標(biāo)機(jī)上的ROM芯片。,,硬件調(diào)試 - ICE調(diào)試方式,采用In-CircuitEmulator（ICE）方式進(jìn)行交叉調(diào)試時(shí)需要使用在線仿真器，它是目前最為有效的嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試手段。它是仿照目標(biāo)機(jī)上的CPU而專門設(shè)計(jì)的硬件，可以完全仿真處理器芯片的行為。仿真器與目標(biāo)板可以通過仿真頭連接，與宿主機(jī)可以通過串口、并口、網(wǎng)線或USB口等連接方式。,,硬件調(diào)試 - JTAG調(diào)試方式,TAG是1

21、985年指定的檢測(cè)PCB和IC芯片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。1990年被修改成為IEEE的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1149.1。JTAG標(biāo)準(zhǔn)所采用的主要技術(shù)為邊界掃描技術(shù)，它的基本思想就是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。因?yàn)檫@些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上（周圍），所以被稱為邊界掃描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。,,4.4 實(shí)驗(yàn)——使用JTAG燒寫nand flash,實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容,1．實(shí)驗(yàn)

22、目的通過使用JTAG燒寫Flash的實(shí)驗(yàn)，了解嵌入式硬件環(huán)境，熟悉JTAG的使用，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。（本書以優(yōu)龍的FS2410及Flash燒寫工具為例進(jìn)行講解，不同廠商的開發(fā)板都會(huì)提供相應(yīng)的Flash燒寫工具，并有相應(yīng)的說明文檔，請(qǐng)讀者在了解基本原理之后查閱相關(guān)手冊(cè)）2．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）熟悉開發(fā)板的硬件布局。（2）連接JTAG口。（2）安裝giveio（用于燒寫Flash）驅(qū)動(dòng)。（3）打開SJF2410_BI