ARM7嵌入式系统设计与仿真：基于Proteus、Keil与IAR

第1章 嵌入式系统概述
1.1 嵌入式系统简介
　　根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（全称为devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery）。这主要是从应用上加以定义的，由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。
　　目前国内一个普遍的定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。还有另一种定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整部分，称为嵌入的系统。两种定义的出发角度不同，前者是从技术角度来定义的，后者是从系统角度来定义的。由于嵌入式系统本身是一个外延很广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它下一个准确的定义。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重心放在“系统”（即操作系统）上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。
　　一般而言，嵌入式系统的架构可以分成4个部分：处理器、存储器、输入/输出（I/O）和软件，如图1.1所示。

图1.1 嵌入式系统的架构
1.2 嵌入式处理器
1.2.1 嵌入式处理器简介
　　从硬件方面讲，嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个，其中8051体系占大多数。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。近年来，嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗，专业分工也越来越明显，出现了专业的IP（Intellectual Property Core，知识产权核）供应商，如ARM、MIPS等，它们提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。
　　嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片制造商一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。一般可以将嵌入式处理器分成4类，即嵌入式微处理器（MicroProcessor Unit，MPU）、嵌入式微控制器（MocroController Unit，MCU）、嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor，DSP）和嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）。
* 嵌入式微处理器
　　嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU，它的特征是32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相当高。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器基本上是一样的，但一般在工作温度、抗电磁干扰及可靠性等方面都做了各种增强。
　　与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS和ARM/StrongARM系列等。
* 嵌入式微控制器
　　嵌入式微控制器最典型的代表是单片机，单片机芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片机，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。
　　嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、P51XA、MCS-251、MCS96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300和数目众多的ARM芯片。目前，MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。
* 嵌入式DSP处理器
　　DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令上进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等仪器上，DSP获得了大规模的应用。
　　嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。
* 嵌入式片上系统
　　片上系统（SoC）最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。各种通用处理器内核将作为SoC设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
　　SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某些系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载Java或C语言的专用SoC，可用于公众互联网（如Internet）安全方面。

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　 当代生活的每一个角落都有嵌入式设备的存在，如数码相机、移动电话、TV机顶盒和掌上电脑等，这些设备多采用32位RISC嵌入式处理器作为核心部件，其中基于ARM核的嵌入式处理器独占鳌头，在32位RISC处理器中占据超过75%的市场份额。
　　在传统的嵌入式系统学习中，嵌入式开发平台是必不可少的，而资源少的开发平台价格便宜，但功能较少；资源多的开发平台，价格又不菲。英国Labcenter公司推出了适合嵌入式设计仿真与开发平台的软件Proteus，在该软件中可以根据需要搭建开发平台，将编译好的目标代码加载到芯片中。使用Proteus软件可以完全脱离硬件平台来学习嵌入式系统，可以说是嵌入式系统学习的一次革命。
　　本书以Philips公司的LPC2138微控制器为例，结合Keil for ARM和IAR开发工具，以大量实例介绍如何在Proteus中搭建硬件开发平台进行源代码级调试。全书共分6章，在内容安排上依照循序渐进的原则。
　　第1章是概述篇。读者可以初步了解嵌入式系统的概况，从不同的角度认识ARM嵌入式处理器，包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统等。
　　第2章重点介绍ARM体系结构，从不同方面介绍ARM微处理器体系结构，详细阐述了存储器、处理器、内部寄存器和程序状态寄存器的内容，对异常、中断延迟、复位、存储器映射及存储器映射I/O做了深入讲解。以直观的方法介绍了寻址方式、ARM7指令集等，并针对不同的接口——协处理器接口、调试接口、ETM接口进行了说明。
　　第3章讲解了LPC2138的硬件结构，阐述了系统控制模块、存储器加速模块的相关功能，介绍了微处理器引脚配置以及引脚连接典型模块——GPIO、UART、I2C接口、SPI、定时器、脉宽调制PWM、A/D转换器、实时时钟RTC和看门狗定时器（WDT）。以方便、直观、形象的方式进行了清晰而详尽的讲解。
　　第4章集中介绍了动态仿真软件Proteus，通过一个简单的案例阐述了该软件的使用方法，突出了该软件对复杂电路仿真的应用，Proteus基于界面友好且功能齐全的Windows操作平台，为用户提供了一个嵌入式微处理器LPC2138的设计和开发环境。
　　第5章以一个实际的例子详细阐述了Keil for ARM软件的使用方法，针对LPC2138不同模块的相关功能，运用大量案例直观说明ARM控制系统的设计和仿真，并在每个案例后结合Proteus仿真软件进行仿真，将理论和实际紧密结合在一起，更加深入理解设计的应用。
　　第6章着重讲解了IAR Embedded Workbench for ARM version软件的使用方法，同第4章一样通过一个实际案例讲解了软件的使用方法，包括相关参数的配置及程序的下载，并结合LPC2138不同模块的相关功能，运用大量实例介绍了LPC2138控制系统的设计和仿真，并在每个案例后结合Proteus仿真软件进行仿真。
　　在编写过程中参考了许多书籍、文章和标准等，这些参考文献使作者深受启发，在此向各位作者表示感谢。
　　本书共分6章，刘梦男编写了第1章，其余由周润景编写，全书由周润景定稿。
　　由于作者水平有限，书中错误与不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
　　
　　作者
　　2011.8