1、STM32 ARM讲义第1章 嵌入式系统概述 Embedded System Overview,2015.3,STM32嵌入式系统课程内容,1、嵌入式系统概述2、Cotex-M3微处理器3、STM32微控制器基本结构4、STM32程序设计5、GPIO原理及应用6、EXTI原理及应用7、USART原理及应用,8、定时器原理及应用9、DMA原理及应用10、ADC原理及应用11、C/OSII嵌入式操作系统基础12、C/OSII内核机制13、嵌入式系统综合设计实例,第1章 嵌入式系统概述,主要内容嵌入式系统简介嵌入式微控制器嵌入式操作系统STM32嵌入式系统的学习问题,1.1 嵌入式系统简介,主要内容
2、嵌入式系统定义嵌入式系统组成嵌入式系统特点嵌入式系统应用嵌入式系统分类嵌入式系统发展,1.1.1 嵌入式系统定义,随着计算机技术、网络技术和微电子技术的快速发展，人们进入了后PC时代，后PC时代是一个嵌入式系统（Embedded System）的网络时代，嵌入式技术将主宰后PC时代。 “嵌入式系统”实际上是“嵌入式计算机系统”的简称。 对“嵌入式系统” 有各种不同的定义。,1.1.1 嵌入式系统定义(2),一、嵌入式系统的定义从本质上来说，嵌入式系统是：“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，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”。 嵌入式系统就是一个具有特定功
3、能或用途的、隐藏在某种设备中的、计算机软硬件集合体，没有固定的特征形状的计算机系统。,1.1.1 嵌入式系统定义(3),嵌入式系统三要素：嵌入、专用、计算机嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求设计、裁减计算机：实现对象的智能化功能，是计算机,1.1.1 嵌入式系统定义(5),二、嵌入式系统的其它定义 1、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”（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machiner
4、y or plants）。 可以看出此定义是从应用上、功能上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,1.1.1 嵌入式系统定义(6),2、中国微机学会的定义 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可以分为芯片级、板卡级、系统级三种类型。芯片级嵌入的是含程序或算法的处理器；板卡级嵌入的是系统中的某个核心模块板； 系统级嵌入的是主计算机系统。,1.1.1 嵌入式系统定义(7),3、国内有学者认为 将一套计算机控制系统嵌入到具有某种完善的、特定功能的系统内（如各种机械设备），以实现对原有系统的计算机控制，这样的计算机控制系统叫做嵌入式系统。它通常由特定的功能模块组成
5、，主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用软件等部分组成。该定义把通用的PC机也包括进了嵌入式系统。,1.1.1 嵌入式系统定义(8),二、单片机和嵌入式系统 单片机属于嵌入式系统，但功能不够强、性能不够高，是一种不够完善的嵌入式系统。把单片机归属于嵌入式系统，因此，嵌入式系统已经有几十年的历史了。 单片机与嵌入式系统的区别，只有嵌入式系统的部分结构和部分功能： 单片机数据处理能力有限、处理速度有限，不能够用于所有的嵌入式系统 单片机不使用操作系统 单片机无网络功能、无文件系统功能等,1.1.2 嵌入式系统组成,粗略划分：嵌入式处理器外围设备嵌入式操作系统(可选)嵌入式应用
6、软件,稍细划分：嵌入式处理器外围设备驱动程序嵌入式操作系统应用接口嵌入式应用软件,1.1.2 嵌入式系统的组成(2),软件部分硬件部分,1.1.3 嵌入式系统的特点,主要有以下几个方面的特点（特征）1、专用性强2、系统精简（功能单一）3、操作系统可有可无，内核小、实时性强4、程序固化在存储器中5、可靠性高6、需要专门工具开发和环境7、与被嵌入设备有机结合，生命周期长,1.1.4 嵌入式系统的应用,嵌入式系统应用及其广泛，只要是用电的设备，都可以有嵌入式系统，对于日常生活用品，甚至于不用电的设备也可能有嵌入式系统。 一、嵌入式技术无处不在 办公设备：复印机、传真机，PC机外围设备，键盘、鼠标、U
7、盘、显示器、Modem、打印机、扫描仪等，含有数个甚至十数个嵌入式系统。 消费类产品：如MP3、照相机、摄像机、PDA、智能玩具，游戏机、学习机、网络家电、智能家电、便携视频机、导航仪、车载视频音响、竞赛设备、主持人设备等。,1.1.4 嵌入式系统的应用,消费电子,嵌入式系统应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,工 业,军事国防,电子商务,网 络,1.1.4 嵌入式系统的应用(3),嵌入式系统的应用领域工业控制仪器仪表日常生活科学研究军事国防航空航天医疗卫生文化教育,广播电视电信网络交通运输水利电力农业气象 等,1.1.4 嵌入式系统的
8、应用(3),当前我国的主要应用领域客户分布：主要在电信、医疗、汽车、安全、工业控制和消费类等行业。产品分布：主要在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。其中在消费类电子领域占最大的市场份额。发展重点：移动多媒体、数字娱乐、手机终端、汽车电子、医疗产品等，成为嵌入式系统应用市场的发展重点。,计算机应用领域的划分,桌面通用型,高端服务型,小型专用型,嵌入式Internet应用,后PC时代产品的蓬勃发展,1.1.4 嵌入式系统的应用(5),嵌入式技术的应用手机,韩国电信手机/电视遥控器二合一产品,Sony Ericsson超小型手机电脑手机放在底座上成为电脑,Nokia手机户外音响,内置 DVB-H
9、移动电视手机,普通手机智能手机与PDA结合,智能家居智能家电,Roto-Rooter公司马桶组合笔记本/ipod/冰箱/Xbox360/健身,高科技的捕鼠器遮断红外线光束掉下笼子,DangerBomb 闹钟 不起床就爆炸啰,配备电子食谱的锅铲coo.boo,智能型垃圾桶 i.Master,浙江大学智能割草机,浙江大学显示营养智能果汁机,嵌入式技术的应用智能家居,嵌入式技术的应用PDA,个人信息助理掌上电脑,PDA 手机 + GPS 导航 Dopod U1000，且支持SkyPE,Map-Star的GPS定位设备,华硕GPS导航器,GPS导航器,Nokia 6110 四频 HSDPA / GPS
10、 导航器,嵌入式技术的应用PMP,iLuv可即时将视频录制到iPod/闪存卡上，与以前技术相反,Sony家用影音综合设备,XtremeMac开发的iPod音箱,IPEVO支持Skype电话,Nike的 iPod 帽,Meizu M8,Ipod nano,Archos带Wifi的704,Portable Media Player(便携式媒体播放器),录音笔FLY数字笔能“看懂”在专用纸上所写的内容能“阅读”写作和纠正语法错误完成简单的算术运算将英文互相翻译成西班牙文等Genius数字便笺存储100页便笺 2000LPI分辨率32MB板载内存可通过USB连接电脑笔迹识别软件Polymer Visi
11、on手机书,嵌入式技术的应用办公用品,嵌入式技术的应用手表,Martin Frey手表日程表、和手机联动获取网络连接和GPS定位信息手表手机：M3001英寸的显示屏、USB接口可播放音乐、支持蓝牙Nike的Speed+手表结合 iPod 和运动计测韩国防性罪犯的电子手镯可追踪罪犯的定位和坐标爱国者视频MP4手表,嵌入式技术的应用运动玩具游戏,GTX公司定位的运动跑鞋内置的GPS接收器和可充电电池遥控蜻蜓次世代三大主流三款主机Xbox 360，WII，PS3,GameCube,XboX360,PS3,Wii, 手柄, 手套, 枪,嵌入式技术的应用摄像器材,数码相机DV,嵌入式技术的应用多媒体终端
12、,IP电话视频会议可视电话,视频电话,语音识别电话,网络视频电话,IP电话,嵌入式技术的应用家庭音响,引入计算机技术的音响,配备B&O与Core 2 Duo的P.Guerra家庭影院,Sonos ZP80无线音响,LG HD DVD/蓝光播放器,Motorola支持M卡的 HD DVR 录像机,iPhone,嵌入式技术的应用电视,高清电视数字电视立体显示技术,LG内置数字录像机的 LCD TV,能输出 1080p 高画质影像的 iPod Dock,数字电视机顶盒,投影机，家庭影院、教学,嵌入式技术的应用通讯设备,有计算机能力的各种通讯设备路由器/交换机/防火墙等,Buffalo 路由器 / U
13、SB 网卡套装,VPN产品,千兆网关防火墙,嵌入式技术的应用仪器仪表,DCG (动态心电图仪)便携式多参数监护仪中医指套传感器脉象虚拟仪器推拿手法测试仪电动机故障状态监测保护系统,监控仪,手持仪,嵌入式技术的应用交通相关,汽车电子处理器个数可达三位数车载：娱乐、定位、导航车控：ABS(防抱死系统)、EBD(制动力分配控制)等其他,中国版月球车,汽车立体声音响HD Radio扩展包,改装遮阳板 DVD / TV / MP3,嵌入式技术的应用新兴硬件,GPS/蓝牙双拼模块芯片,龙芯2号增强型处理器芯片,Intel进入二十倍数时代，五年后给我们八十核心处理器,服用的 RFID 芯片,Intel To
14、lapai计划要把南北桥、存储控制器做在CPU芯片中,汽车电子：18个嵌入式控制模块、CAN总线网络,军事国防领域,作战指挥系统：夜视扫描、全球定位、指挥通信,航天领域,火星探路者-基于VXworks,1.1.4 嵌入式系统的应用(6),二、从芯片和产品市场来看嵌入式系统的应用 用于嵌入式系统设计与制造的CPU，每年大概有10-20亿片。 据统计，每年只有2%左右的计算机芯片用在台式PC或便携式电脑上的，而98%的CPU或微控制器用在了嵌入式系统上。 每年大约有1万个新的嵌入式系统产品投入生产，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。,1.1.5 嵌入式系统分类,按表观形式（硬件范畴） 芯
15、片级嵌入(含程序和算法的处理器、单片机)模块级嵌入（系统中的某个核心模块）系统级嵌入（系统中的电路板）按实时性要求（软件范畴） 非实时系统（如PDA等）软实时系统（消费类产品如MP3、MP4等）硬实时系统（导引头等工业和军工系统）,嵌入式处理器分类,按存储器结构分（数据存储器、程序存储器）普林斯顿结构（冯.诺依曼结构）：同一空间哈佛结构：两个空间（两套总线） 按处理器结构分 CISC、RISC ：复杂、精简指令处理器 按处理器功能分 MPU：如MCS-51、 ARM、Intel、DSP等系列MCU：如MCS-51、ARM 、MIPS系列SOC、SOPC：片上系统、可编程片上系统PLD/FPGA
16、 + IP + EDA - SOC/SOPC,1.1.6 嵌入式系统的发展,嵌入式系统的发展可以分为单片微机SCM、微控制器MCU、SOC/SOPC三个阶段。嵌入式系统的诞生由于单片机是伴随着微机诞生的，单片机属于嵌入式系统，因此嵌入式系统是伴随着微机诞生的。1971年Intel公司首先开发出了第一片4位微处理器4004，主要用于家用电器、计算器、高级玩具中。4004的问世标志着嵌入式系统的诞生。,1.1.6 嵌入式系统的发展(2),1、SCM阶段即单片微机(Single Chip Microcomputer) 、单片机阶段 主要标志：是将微机的几部分集成在一个芯片中 代表机型：主要有Inte
17、l的MCS-48、MCS-51、MCS-96/98等。,1.1.6 嵌入式系统的发展(3),2、MCU阶段即微控制器（Micro Controller Unit）阶段 主要标志：除了将微机的几部分集成在一个芯片中外，把控制所常用到的电路也集成到芯片中，如A/D、D/A、RTC、PWM 、USB、Watchdog等。Philips公司起着重要作用。 代表机型：主要有中国深圳宏晶公司的STC89LE52AD、STC12C5A60S2，Philips的LPC935、 SILICON LABS公司的C8051Fxxx等,1.1.6 嵌入式系统的发展(4),3、SOC/ SOPCSOC即片上系统（Sys
18、tem On Chip）、SOPC即可编程片上系统 ( System On Programmable Chip ) ，在芯片上集成一个完整的专用计算机系统，单片系统。主要标志： IC设计技术发展和IP（Intellectual Property 知识产权）软内核、SIP（Silicon IP）软内核的出现，产生了SOC ；EDA (Electronic Design Automatic)工具（如VHDL）的发展，使外围电路简化在一个芯片上。IP软内核代表：ARM系列处理器ARM7、ARM9、Cortex-M3等以IP软内核转让。,1.1.6 嵌入式系统的发展(6),二、嵌入式系统的发展方向根据
19、应用的要求，沿着高速度、网络化、高可靠、小体积、低功耗、低成本方向发展。广泛应用在生活方面、工作方面，以及所有领域，随着物联网的发展应用，嵌入式系统的应用，进入了爆炸式发展的阶段，正在改变着人们的生活和各种活动。,1.2 嵌入式微控制器,本节内容嵌入式微控制器概述ARM系列微处理器 ARM系列微控制器STM32微控制器,1.2.1 嵌入式微控制器概述,嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、A/D等各种必要功能和外设。 流行的嵌入式微控制器MCS-51系列：STC系列、
20、PHILIPS系列ARM各系列：ARM7系列ARM9系列、STM32系列MIPS系列（32、64位）、PowerPC系列 等,1.2.2.1 ARM公司简介,ARM是Advance RISC Machine 的缩写。ARM的4种含义：ARM公司、 ARM微处理器或IPCoreARM技术（处理器架构，类似的有x86、MIPS、PowerPC架构）ARM内核的微控制器 ARM处理器在嵌入式领域占绝对优势：占手机处理器90%的市场份额，平板电脑处理器80%的市场份额，上网本处理器30%的市场份额。ARM通过授权只获取较少的收益。2009年，共有约39亿片基于ARM架构的芯片应用，而ARM的销售额却只
21、有4.89亿美元，每片约12.5美分。,1.2.2.1 ARM公司简介,ARM公司于1991年11月在英国剑桥成立，前身为Acorn计算机公司。 ARM公司是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商。ARM公司是知识产权IP （ Intellectual Property ）公司，本身不生产芯片，只转让设计许可。 目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权，包括Intel、IBM、ATMEL等。中国也有不少公司得到授权，如中兴、华为等，生产ARM微控制器。ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。,1.2.2.2 ARM系
22、列微处理器,ARM处理器的主要特征,采用RISC体系结构指令长度固定（32/16位）流水线操作，1个时钟可执行1条指令每条指令均可按条件执行Load/Store型指令，具有多寄存器的Load/Store指令，多数操作数在寄存器中可通过协处理器扩展指令有高密度编码的Thumb(16位)指令集,ARM7系列：S3C44B0、LPC2400ARM9系列：S3C2410、LPC3000ARM10系列、ARM11系列Cortex系列Cortex-A7、A7、A10、A50Cortex-RCortex-M0、M1、M3、M4,1.2.3 ARM系列微控制器,1.2.4.1 意法半导体公司简介意法半导体（S
23、TMicroelectronics)是全球最大的半导体公司之一世界第一大专用模拟芯片和电源转换芯片制造商世界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居世界前列。ST公司所开发的Cortex-Mx系列微控制器非常成功。1987年6月由意大利的SocietGeneraleSemiconduttori(SGS) Microelettronica与法国汤姆逊(Thomson)公司的半导体分部ThomsonSemiconducteurs两家半导体公司合并而成，该公司自1998年5月汤姆逊撤股后由SGS-THOMSON更名为意法半导体(STMicroelectronic
24、s),1.2.4 STM32微控制器简介,从2007年6月开始，陆续推出了CM0、CM3、CM4三个系列的微控制器。STM32有完整的开发支持环境：提高标准软件库、评估板、开发套件，以及第三方的工具和软件。STM32F系列主要作为低端8/16位单片机的升级换代产品。 STM32F系列广泛地应用于：需要低功耗、高速度、简单图形及语音处理、控制功能强大、小型操作系统等产品中。,1.2.4 STM32微控制器简介,STM32F1xx有6个系列：STM32F100系列：超值型，24MHzSTM32F101系列：基本型，36MHzSTM32F102系列：USB基本型，48MHzSTM32F103系列：增
25、强型，72MHzSTM32F105/107系列：互联型，72MHzSTM32L系列：超低功耗型，72MHz电压范围：2.0到3.6VI/O电压容限：为5VSTM32F103系列：引脚数目：36、48、64、100、144Flash：16、32、64、128、256、512KBRAM： 6KB,10KB,20KB,32KB,64KB,1.2.4.2 STM32F1xx系列,ARM 32位CM3微控制器, 72MHz, 512kB Flash, 64kB SRAMSRAM, PSRAM, NOR-NAND Flash控制器内部 RC 8MHz 和 32kHz时钟, PLL,RTCNVIC中断控制器
26、, 240个外中断电源管理, JTAG 、SWD调试口8个16位 Timers，Capture, Compare and PWM2个16位Watchdog Timers, SysTick Timer3个SPI/I2S, 2个I2C, 5个USART, 2.0 USB2.0CAN, 3个12位16通道A/D, 2个12位D/A SDIO, 7个Fast I/O Ports，2个DMA、12个通道,STM32F103ZET6微控制器资源,1.2.4.3 STM32F2xx系列2010.11，ST推出STM32F2系列，内核为Cortex-M3。与STM32F1xx比较的主要特点：主频更高，为120
27、MHz存储器容量更大，Flash为1MKB，SRAM为132KB功耗更低增加了对视频影像、设备互联、安全加密、音频及控制的支持,1.4 STM32微控制器简介,1.2.4.4 STM32F4xx系列2011年ST推出STM32F4系列微控制器，内核为Cortex-M4。与STM32F2系列比较的主要特点：较强的数字处理能力，具有浮点单元、DSP指令支持数据并行传输，7重AHB总线数据传输速率极快，多通道DMA控制器主频更高，为168MHz SRAM容量更大，为192KB主要用于高端电动机控制、医疗设备、安全系统等,1.4 STM32微控制器简介,操作系统是计算机中最基本的软件操作系统的作用：控
28、制管理计算机的全部软、硬件资源，合理组织计算机内部各部件协调工作，为用户提供操作和编程界面。 操作系统的功能：存储管理、处理器管理 、信息管理、设备管理、作业管理。,1.3 嵌入式操作系统,C/OS-II：教学免费的、面向中小型嵌入式系统应用。实时、小（几KB）、多任务、可靠。 Vxworks：美国WindRiver（风河）公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。主要用于网络设备（交换机、路由器）、通信等。归intel WinCE：它是微软针对个人电脑以外的电脑产品所研发的嵌入式操作系统，而CE则为Customer Embedded的缩写。 Linux/CLinux：免费、源码开放的
29、操作系统，clinux面向没有MMU的硬件平台。 PalmOS ：Palm公司产品，在PDA、掌上电脑市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口(API)，可让用户灵活方便地定制操作系统,1.4 嵌入式系统的学习方法,1、理解STM32微处理器、片内外设的结构，理解工作原理，了解寄存器的功能。2、会使用程序开发工具Vision4，组织应用程序结构、设置环境、编写程序。3、掌握用库函数编程的方法，能够对常用的外设编写应用程序。4、会使用实验开发板进行编程、下载、实验。5、掌握LCD显示西文、汉字的编程方法，掌握简单图形、曲线的绘制编程方法。6、会使用基本的参考资料：Cortex-M3内核资料、STM32F10x资料、库函数资料。,第1次到此,嵌入式系统STM32参考资料,Cortex-M3内核资料STM32F10x资料STM32F10x库函数(v3.5)STM32固件库(v3.5)函数说明Vision4.x开发软件,习 题,什么是嵌入式系统？嵌入式系统有哪些部分组成？嵌入式系统有哪些特点？以硬件方式对嵌入式系统分为哪些类型？什么是SCM、MPU、MCU、SOC和SOPC？什么是CISC、RISC？什么是ARM？Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4分别属于哪种架构？各有哪些特点？STM32F10x主要有哪几个系列的微控制器？,请看下一章！,
