第1章嵌入式系統(tǒng)概述STM32本章知識(shí)與能力要求了解信息技術(shù)的發(fā)展歷程；理解嵌入式系統(tǒng)概念、定義和應(yīng)用場(chǎng)合；了解嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的行業(yè)知識(shí)，如常見的半導(dǎo)體廠商；理解MCU、MPU、FPGA、DSP之間的區(qū)別；理解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。1.1信息技術(shù)的發(fā)展1.2嵌入式系統(tǒng)1.3嵌入式初學(xué)者雜談1.4嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1信息技術(shù)的發(fā)展1.1.1計(jì)算機(jī)的誕生1.1.2通用信息處理1.1.3人工智能1.1.1計(jì)算機(jī)的誕生歷史上第一臺(tái)“可編程”電子計(jì)算機(jī)ENIAC晶體管計(jì)算機(jī)

1946世界上第一臺(tái)“馮

諾依曼體系結(jié)構(gòu)”的計(jì)算機(jī)19491949第一個(gè)4位微處理器19711.1.2通用信息處理6521341964年，IBM研發(fā)System/360，向通用化方向發(fā)展70年代，計(jì)算機(jī)分為軟件和硬件，分開售賣出現(xiàn)各種高級(jí)語(yǔ)言，形成軟件系統(tǒng)出現(xiàn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展1.1.2通用信息處理大型機(jī)、巨型機(jī)單純的數(shù)值計(jì)算通用的信息處理硬件和軟件高級(jí)編程語(yǔ)言操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)微型化、網(wǎng)絡(luò)化嵌入式微處理器物聯(lián)網(wǎng)（IoT）計(jì)算機(jī)處理能力不斷提升1.1.3人工智能“深藍(lán)”超級(jí)計(jì)算機(jī)戰(zhàn)勝了國(guó)際象棋世界冠軍，人工智能在特定領(lǐng)域可以達(dá)到甚至超越人類的水平。19361950195619972016阿蘭

圖靈提出了現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)的理論模型，即“圖靈機(jī)”圖靈發(fā)表了題為《機(jī)器能思考嗎？》的論文，為人工智能的建立奠定了基礎(chǔ)，提出了“圖靈測(cè)試”正式提出了人工智能（ArtificialIntelligence，AI）這一概念基于深度學(xué)習(xí)的AlphaGo戰(zhàn)勝了圍棋世界冠軍。1.2嵌入式系統(tǒng)0102031.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析1.2.3嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)1.2.2嵌入式系統(tǒng)概念1.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析微控制器主要承擔(dān)兩個(gè)任務(wù)：接收服務(wù)器指令，控制家居系統(tǒng)中的各電器設(shè)備；采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理?！景咐治鲆唬褐悄芗揖印吭诨揪幼」δ芑A(chǔ)上，融入門禁系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)終端控制以及家居環(huán)境智能檢測(cè)和監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化。1.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析智能手環(huán)可以記錄人們?nèi)粘Ｉ钪械倪\(yùn)動(dòng)、睡眠、甚至飲食等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機(jī)、平板等設(shè)備同步，對(duì)采集的日常數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，發(fā)揮指導(dǎo)健康生活的作用。【案例分析二：智能手環(huán)】小米FitbitFlex手環(huán)1.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析智能手環(huán)一般由微控制器、藍(lán)牙模塊、Wi-Fi電路、OLED顯示屏、心率傳感器、加速度傳感器、鋰電池等模塊組成，實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)間、監(jiān)測(cè)睡眠、運(yùn)動(dòng)等功能【案例分析二：智能手環(huán)】智能手環(huán)系統(tǒng)框圖1.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析無(wú)人機(jī)因體型小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、造價(jià)低廉，常用于航拍、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)情監(jiān)測(cè)、地形勘測(cè)、災(zāi)后環(huán)境監(jiān)測(cè)、電力巡線、森林火情監(jiān)測(cè)和植物保護(hù)等領(lǐng)域?！景咐治鋈核男頍o(wú)人機(jī)】大疆御無(wú)人機(jī)1.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析微控制器是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)飛行過(guò)程中的導(dǎo)航、通信、控制等核心任務(wù)，根據(jù)各傳感器模塊采集到的當(dāng)前的飛行姿態(tài)和空間位置，計(jì)算相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將控制信號(hào)發(fā)送給機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而改變無(wú)人機(jī)的位置和速度，同時(shí)保持飛行姿態(tài)的穩(wěn)定?！景咐治鋈核男頍o(wú)人機(jī)】四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體框圖1.2.1嵌入式系統(tǒng)案例分析嵌入式系統(tǒng)的共性特定的使用場(chǎng)合或工作環(huán)境，是某個(gè)大型系統(tǒng)的一部分，完成一個(gè)具體的功能，專用性強(qiáng)，應(yīng)用于特定的平臺(tái)功能單一，模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單功耗低，且一般要求高實(shí)時(shí)性和高可靠性，系統(tǒng)程序一般都是固化在內(nèi)存中，以提高運(yùn)行速度和可靠性。人機(jī)交互界面簡(jiǎn)單開發(fā)時(shí)往往有上位機(jī)和下位機(jī)或主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。1.2.2嵌入式系統(tǒng)的概念泛在的嵌入式系統(tǒng)的定義：除通用PC機(jī)和服務(wù)器之外的一切計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)。典型應(yīng)用產(chǎn)品有智能手機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛汽車、心電監(jiān)護(hù)儀、人工耳蝸等。國(guó)外定義嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可剪裁，適合應(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)，用于對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。1.2.2嵌入式系統(tǒng)概念通用PC機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)有何區(qū)別？1.2.3嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、模式識(shí)別等智能技術(shù)海量信息傳輸與交換分析、加工和處理物聯(lián)網(wǎng)（IoT）使應(yīng)用更加智能化、個(gè)性化物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)高度融合發(fā)展的產(chǎn)物，是互聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用上的拓展，是嵌入式技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)互連的延伸和應(yīng)用。1.2.3嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)基本功能：加熱、保溫、殺菌、除臭、烘干；未來(lái)功能：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能可以對(duì)排泄物進(jìn)行化驗(yàn)分析，并將分析結(jié)果實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病情?！疚锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用案例1：智能馬桶】1.2.3嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)【物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用案例2：

農(nóng)業(yè)病蟲害防治（精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)）】捕捉害蟲啃噬農(nóng)作物時(shí)的細(xì)微振動(dòng)或昆蟲翅膀的振動(dòng)頻率；上傳并分析出昆蟲的種類，判斷其是否是害蟲確認(rèn)為害蟲后，自動(dòng)調(diào)用無(wú)人機(jī)去噴灑相應(yīng)農(nóng)藥；1.3嵌入式初學(xué)者雜談1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP是概念1.3.2MCU開發(fā)與ARM-Linux開發(fā)的區(qū)別1.3.3開源硬件Arduino和樹莓派1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念Renesas（瑞薩）NXP（恩智浦）Microchip（微芯）ST（意法半導(dǎo)體）Atmel（愛特梅爾）TI（德州儀器）Toshiba（東芝）Samsung（三星）宏晶、凌陽(yáng)、新唐等80C51系列單片機(jī)、Atmel公司的AVR單片機(jī)、Microchip公司的PIC、TI公司的MSP430、ST公司的STM32系列、NXP公司的LPC1700系列芯片MicroControlUnit，嵌入式微控制器（俗稱單片機(jī)），把CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、各種功能外設(shè)等資源集成到一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)MCU典型的MCU廠商典型MCU芯片1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念在主頻、ROM大小及外設(shè)接口方面有了翻天覆地的變化典型應(yīng)用產(chǎn)品工業(yè)控制器、智能手環(huán)、血糖儀、智能消費(fèi)電子、家電等微控制器的發(fā)展8位機(jī)（51單片機(jī)）16位機(jī)（PIC、MSP430等）高性能的32位機(jī)（STM32、LPC2000等）應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)合不斷擴(kuò)展和更新1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念MPUMicroProcessorUnit，嵌入式微處理器。MPU是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU（微處理器）演變而來(lái)，可以理解為增強(qiáng)版的CPU，即不帶外圍功能器件。一個(gè)嵌入式微處理器系統(tǒng)需要在的基礎(chǔ)上，添加外圍電路和外部設(shè)備才得以構(gòu)成。MPURAMROMFlash電源USBLCD鍵盤嵌入式微處理器系統(tǒng)Motorola的68K系列Intel的X86系列飛思卡爾的i.MX6TI公司的AM335XSamsung的S3C2410和S3C6410應(yīng)用產(chǎn)品有智能手機(jī)、平板電腦、路由器、數(shù)碼相機(jī)等1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念A(yù)RM是一家公司，也是一類技術(shù)和產(chǎn)品的統(tǒng)稱。ARM公司設(shè)計(jì)的芯片主要涉及嵌入式移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，指令集更加緊湊簡(jiǎn)單，功耗和成本更低，在移動(dòng)消費(fèi)電子領(lǐng)域占據(jù)著很大的市場(chǎng)份額。ARMCortex-A15內(nèi)核設(shè)計(jì)的芯片ARM公司目前主要授權(quán)三個(gè)系列的芯片設(shè)計(jì)——ARM9、ARM11和Cortex，涉及微控制器系列、微處理器系列以及更高端的產(chǎn)品系列。1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念體積小、功耗低、價(jià)格低廉MCU微控制器處理能力強(qiáng)，可擴(kuò)展更大的內(nèi)存空間，主頻、功耗、體積及價(jià)格方面相對(duì)較高M(jìn)PU微處理器搭載操作系統(tǒng)的MPU功能更為強(qiáng)大，人機(jī)界面更為人性化、美觀化微波爐、智能手環(huán)以及電動(dòng)車上的電機(jī)控制器等適用于功能單一、耗電量低、對(duì)價(jià)格敏感、便攜式的、人機(jī)界面簡(jiǎn)單的產(chǎn)品應(yīng)用。應(yīng)用于功能多樣、人機(jī)交互系統(tǒng)較為強(qiáng)大，對(duì)運(yùn)算速度有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合，比如多媒體設(shè)備1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念DSP兩種含義DigitalSignalProcessing（數(shù)字信號(hào)處理），是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理的理論和技術(shù)。DigitalSignalProcessor（數(shù)字信號(hào)處理器），是一種專用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的微處理器芯片，將數(shù)字信號(hào)處理算法用具體的器件實(shí)現(xiàn)。專用的硬件乘法器專門的DSP指令程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)的哈佛體系結(jié)構(gòu)支持流水線操作允許取指令和執(zhí)行指令同時(shí)進(jìn)行提高了微處理器的速度，其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器。所采用的技術(shù)1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念應(yīng)用于低端市場(chǎng)的，如TMS320C2000系列高端的DSP，如TMS320C5000/C6000系列TI（德州儀器）ADI（美國(guó)模擬器件）Motorola（摩托羅拉）Lucent（朗訊科技）Zilog（齊格洛）DSP芯片的主要廠商TI的典型產(chǎn)品數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，例如調(diào)制解調(diào)、數(shù)字加密解密、圖像處理中的卷積、數(shù)字濾波、FFT、語(yǔ)音處理等數(shù)字信號(hào)處理的算法實(shí)現(xiàn)等主要應(yīng)用DSP處理器1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念Field-ProgrammableGateArray，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。突出的優(yōu)勢(shì)：靈活性：可以現(xiàn)場(chǎng)配置器件功能，不再受硬件的制約；高性能（速度快）：FPGA用硬件處理數(shù)據(jù)，采用并發(fā)和流水兩種技術(shù)，多個(gè)模塊之間可以同時(shí)并行執(zhí)行。FPGA邏輯單元觸發(fā)器資源I/O引腳硬件描述語(yǔ)言硬件（芯片）任何數(shù)字器件的功能，上至復(fù)雜的CPU，下至簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯電路。1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念A(yù)ltera（阿爾特拉）Xilinx（賽靈思）Lattice（萊迪思）Atmel（愛特梅爾）TI（德州儀器）Actel（愛特）Cypress（賽普拉斯）Altera公司的側(cè)重于低成本應(yīng)用的Cyclone系列、側(cè)重于高性能應(yīng)用的Stratix系列Xilinx公司的Spartan、Virtex系列Lattice公司的EPC、iCE系列典型的FPGA廠商典型產(chǎn)品Lattice公司的FPGA芯片1.3.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP概念DSP或MCU處理流程1.3.2MCU開發(fā)與ARM-Linux開發(fā)的區(qū)別開發(fā)主要涉及的內(nèi)容：Linux內(nèi)核與移植、Bootloader、Linux文件I/O、Linux多任務(wù)編程、Linux進(jìn)程間通信、Linux多線程編程、Linux網(wǎng)絡(luò)編程、Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程、Android應(yīng)用編程等。偏向軟件，開發(fā)人員需具備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)理論知識(shí)和專業(yè)技能，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域里常稱為軟件開發(fā)工程師。開發(fā)主要涉及的內(nèi)容有：體系結(jié)構(gòu)與接口、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、GPIO、定時(shí)器、A/D、I2C、SPI、Flash、LCD、SD卡等外設(shè)接口、RTOS、uC/OS-II嵌入式操作系。偏向硬件，開發(fā)人員需具備電子技術(shù)、微機(jī)原理等相關(guān)理論知識(shí)，掌握繪制電路板等專業(yè)技能，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域里一般常稱為硬件開發(fā)工程師。MCU開發(fā)ARM-Linux開發(fā)04點(diǎn)擊這里輸入文章標(biāo)題1.3.2MCU開發(fā)與ARM-Linux開發(fā)的區(qū)別直接在ARM芯片上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)不采用操作系統(tǒng)，也稱作裸機(jī)編程，主要應(yīng)用于一些低端的ARM芯片，其開發(fā)過(guò)程與單片機(jī)類似，即在低端的ARM芯片上進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)。在ARM芯片上運(yùn)行操作系統(tǒng)對(duì)硬件的操作需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用開發(fā)則是基于操作系統(tǒng)的。ARM應(yīng)用的開發(fā)主要有兩種方式1.3.2MCU開發(fā)與ARM-Linux開發(fā)的區(qū)別

硬件開發(fā)方式開發(fā)環(huán)境啟動(dòng)方式場(chǎng)合、行業(yè)MCU開發(fā)開發(fā)板（下位機(jī)）；仿真器（調(diào)試器）；USB線；CH340USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)直接裸機(jī)開發(fā)，此類單片機(jī)的處理能力有限集成開發(fā)環(huán)境/軟件：uvsion程序上電后直接跳轉(zhuǎn)到程序入口處，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)工控領(lǐng)域、中低端家電，可穿戴設(shè)備等如：智能手環(huán)、微波爐、血糖儀ARM-Linux開發(fā)板（下位機(jī)）；網(wǎng)線；串口線；minicom串口調(diào)試工具；SD卡需外部電路，處理能力很強(qiáng)大，通過(guò)外部電路可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能；基于操作系統(tǒng)開發(fā)集成開發(fā)環(huán)境/軟件：Eclipse、QT圖形界面一般包括BIOS、bootloader、內(nèi)核啟動(dòng)、應(yīng)用程序啟動(dòng)等幾個(gè)階段消費(fèi)電子、高端的應(yīng)用如：智能手機(jī)、平板電腦、單反相機(jī)等1.3.3開源硬件Arduino和樹莓派Arduino是一款優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)方式簡(jiǎn)單，有效降低了學(xué)習(xí)難度，縮短開發(fā)周期，并且有很多第三方商家為Arduino設(shè)計(jì)了很多圖形化的編程工具，進(jìn)一步降低了學(xué)習(xí)難度。Arduino開發(fā)板及應(yīng)用1.3.3開源硬件Arduino和樹莓派

樹莓派就是一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)，是專門為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程教育設(shè)計(jì)的一種微型電腦，目前最新版本為RaspberryPi3，在尺寸僅為一張信用卡大小的面積上，集成了CPU（RaspberryPi3基于ARMCortex-A53內(nèi)核）、內(nèi)存（SD卡）、10/100以太網(wǎng)接口、USB接口、HDMI接口、電視輸出接口，系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)樹莓派3開發(fā)板1.51.5.3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)1.5.4系統(tǒng)測(cè)試1.5.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.5.1需求分析1.4嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程1.4嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)：系統(tǒng)總體開發(fā)嵌入式軟硬件開發(fā)系統(tǒng)測(cè)試細(xì)分：系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件測(cè)試1.4.1需求分析嵌入式系統(tǒng)的需求功能性需求系統(tǒng)是做什么的，完成什么樣的功能非功能性需求說(shuō)明系統(tǒng)的其他屬性，如物理尺寸、價(jià)格、功耗、設(shè)計(jì)時(shí)間、可靠性等通過(guò)需求分析得到嵌入式系統(tǒng)的基本功能和各項(xiàng)性能指標(biāo)，擬定系統(tǒng)任務(wù)書，為下一步的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。1.4.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)從器件選型、外設(shè)接口、成本、性能、開發(fā)周期、開發(fā)難度等多方面進(jìn)行考慮，最終確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力？電磁干擾？嵌入式微處理器的選型軟硬件開發(fā)平臺(tái)選擇嵌入式操作系統(tǒng)的選擇傳感器的選擇顯示設(shè)備的選擇是否具備聯(lián)網(wǎng)功能電源設(shè)計(jì)及其他1.4.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)參考選型手冊(cè)、各項(xiàng)性能指標(biāo)選擇適合系統(tǒng)需求的微處理器，主要從功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、接口數(shù)量、電磁兼容等方面考慮能夠滿足具體功能性和非功能性指標(biāo)的需求、市場(chǎng)應(yīng)用廣泛、軟硬件配置合理嵌入式微處理器的選型基本原則方法RAM需要多大？ROM需要多大？外設(shè)接口的數(shù)量？對(duì)運(yùn)算能力的要？是否需要運(yùn)行算法？是否可以二次開發(fā)？供貨渠道是否穩(wěn)定？有無(wú)替代的微處理器？替代的風(fēng)險(xiǎn)如何？1.4.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，嵌入式微處理器的選型不同簡(jiǎn)單的智能儀器儀表的設(shè)計(jì)