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嵌入式论文
嵌入式课程设计
项目名称基于ARM9的LED灯控制
专业班级
学生姓名
同组者姓名
指导教师
2013年06月24日
摘要
当今社会，这种由嵌入式控制各种硬件工作的技术也日益成熟，并普及在交通、化工、机械等各个领域。
而流水灯这项技术在生活中的应用更是广泛，较为贴近生活。
而流水灯控制的设计所需要的知识也正好吻合了我们本学期课程设计的的主题，所以设计流水灯控制的这个课题让我们对知识的学习和巩固都有了进一步的加深。
这次课程设计是为了通过对流水灯控制的设计加强学生团队配合的能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。
能够让学生深入真是的体会到所学的理论知识和实践相结合的过程。
找出自身的不足并加以改正。
关键词：
嵌入式；流水灯；课程设计；
Abstract
Nowadays,theembeddedcontrolhardwaretechnologyhasbecomemoremature,andpopularinalltraffic,chemicalindustry,machineryandotherfields.Theapplicationofthistechnologyinwaterlamplifeismoreextensive,moreclosetolife.Andthedesignofwaterlampcontrolrequiredknowledgealsodovetailswithusthissemestercurriculumdesigntopics,sothedesignofthissubjectwaterlampcontrolletuslearningandconsolidationofknowledgehavefurtherdeepen.Thiscourseisdesignedforstudentsbystrengtheningtheteamtodesignwaterlampcontrolcoordinationabilityandcreativity;theintegrateduseofprofessionalandbasicknowledge,theabilitytosolvepracticalengineeringproblems.Theprocesscanletstudentsdeeplyisreallytolearnthetheoryofknowledgeandpractice.Findtheirownshortcomingsandcorrect.
Keywords:
embedded;waterlamp;curriculumdesign;
第一章绪论
1.1引言
随着计算机技术、网络技术和微电子技术的深入发展，嵌入式系统的应用无处不在。
ARM是目前公认的业界领先的32位嵌入式RISC（精简指令计算机）微处理器。
ARM技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
本文从实际出发，首先介绍嵌入式系统的历史发展，随之重点阐述了由ARM微处理器构成的嵌入式系统（简称ARM嵌入式系统）的基础知识，从而引申出了ARM发展的现状，最后分析了ARM技术的发展趋势。
1.2嵌入式系统的历史
1.2.1嵌入式系统的产生
IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：
“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。
原文为：
DevicesUsedtoControl，MonitororAssisttheOperationofEquipment，MachineryorPlants）。
电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。
直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。
以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。
为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。
因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。
嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。
事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。
从应用对象上加以定义，从右图中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
国内普遍认同的嵌入式系统定义为：
以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，
嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。
执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。
硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。
在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。
（1）嵌入式微处理器
嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。
嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（ReducedInstructionSetComputer，RISC）和复杂指令系统CISC（ComplexInstructionSetComputer，CISC）。
RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。
嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。
据不完全统计，全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。
但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。
（2）存储器
嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。
嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器，其存储结构如图1-2所示。
1>Cache
Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。
Cache的主要目标就是：
减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。
在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。
一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。
2>主存
主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。
它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。
常用作主存的存储器有：
ROM类NORFlash、EPROM和PROM等。
RAM类SRAM、DRAM和SDRAM等。
其中NORFlash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。
3>辅助存储器
辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。
嵌入式系统中常用的外存有：
硬盘、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。
（3）通用设备接口和I/O接口
嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。
每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。
外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。
嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。
硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。
该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
BSP具有以下两个特点。
硬件相关性：
因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。
操作系统相关性：
不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。
实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：
嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。
1.2.2嵌入式出现的意义
由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。
通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。
而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。
如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，计算机的高速发展时期。
1.2.3早期嵌入式的发展道路
通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。
嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。
它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。
1.3ARM的概念
1.3.1嵌入式系统的基本概念
ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的RISC处理器、相关技术及软件。
ARM技术有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界许多顶级的半导体公司。
目前，共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、PHILIPS和国家半导体这样的大公司。
可以说，ARM不仅仅代表一个公司，代表了一类微处理器，代表了一种技术，还代表了一种新型的产业发展模式。
1.3.2ARM微处理器的特点
采用RISC体系架构的ARM微处理器一般有如下特点:
（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；
（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；
（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；
（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；
（6）指令长度固定。
1.3.3ARM微处理器的指令结构
ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：
ARM指令集和Thumb指令集。
其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。
Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％-40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
1.3.4ARM技术的应用领域
现在，嵌入式技术无处不在，ARM几乎成为嵌入式技术的代名词。
作为一种16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，ARM微处理器目前已经成为应用广泛的嵌入式微处理器。
ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。
工业控制领域、无线通讯领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品。
除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。
1.4ARM的现状
目前可以提供ARM芯片的著名欧美半导体公司有：
英特尔、德洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon，Parthus。
见表5。
日本的许多著名半导体公司或东芝、三菱半导体、爱普生、富士通半导体、松下半导体等公司较早期都大力投入开了自主的32位CPU结构，但现在都转向购买ARM公司的芯核进行新产品设计。
由于它们购买ARM版权较晚，现在还没有可销售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半导体公司目前都已经已经指生产了ARM芯片。
韩国的现代半导体公司也生产提供ARM芯片。
另外，国外也很多设备制造商采用ARM公司芯核设计自己的专用芯片，如美国的IBM、3COM和新加坡的创新科技等。
我国台湾地区可以提供ARM芯片的公司台积电、台联电、华帮电子等。
其它已购买ARM芯核，正在设计自主版板权专用芯片的大陆公司会为通讯中兴通讯等。
1.5ARM的发展前景
现在，嵌入式技术无处不在，ARM几乎成为嵌入式技术的代名词。
作为一种16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，ARM微处理器目前已经成为应用广泛的嵌入式微处理器。
ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。
随着市场需求的增大，嵌入式系统的产业化发展是其不可避免的趋势，市场需为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力。
嵌入式系统的市场是巨大的，市场需求是嵌入式系统产业化发展的巨大推动力。
据报告，10%～20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的，80%～90%的计算机芯片是为嵌入式设备设计的，这意味着每年有10亿至20亿个CPU是为嵌入式设备设计制造的。
2003年，全球嵌入式系统产品的产值已达2000亿美元，估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过10000亿美元。
世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。
嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类。
一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人，他们主要是搞硬件设计，有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件，如BootLoader、BoardSupportPackage（像PC的BIOS一样，往下驱动硬件，往上支持操作系统），最初级的硬件驱动程序等。
他们的优势是对硬件原理非常清楚，不足是他们更擅长定义各种硬件接口，但对复杂软件系统往往力不从心（例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等）。
另一类是学软件、计算机专业出身的人，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。
如果我们学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握，我们完全也可写BSP和硬件驱动程序。
嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠软件来实现了，嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件，这占了嵌入式系统的最主要工作（有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司，稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计，国内的硬件设计力量很弱，很多嵌入式公司自己只负责开发软件，因为公司都知道，嵌入式产品的差异很大程度在软件上，在软件方面是最有“花头“可做的），所以我们搞软件的人完全不用担心我们在嵌入式市场上的用武之地，越是智能设备越是复杂系统，软件越起关键作用，而且这是趋势。
嵌入式领域较新，发展非常快，很多软硬件技术出现的时间都不太长（如ARM处理器、嵌入式操作系统、LINUX操作系统），大多数人没有条件接触或进入嵌入式行业，更谈不上能有机会接受专业人士的指导。
因此，踏进这个行业的难度比较大，嵌入式人才稀缺，身价自然也水涨船高。
权威部门统计，我国嵌入式人才缺口每年50万人左右。
根据前程无忧网发布的调查报告，嵌入式软件开发是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一，具有10年工作经验的高级嵌入式工程师年薪在30万元左右。
即使是初级的嵌入式软件开发人员，平均月薪也达到了3000—5000元，中高级的嵌入式工程师月薪平均超过10000元。
做软件实际上有高下之分，开发语言从机器语言、汇编到C、C++，再到红透半边天的Java、C#等，该学哪种呢？
为什么有些开发者工资低，而有些开发者千金难求？
为什么3年的Java高级程序员薪水仅仅8k-10k，而一个Linux底层C语言程序员两年经验就敢要10k的薪水？
还是门槛，比如月薪15k的Linux嵌入式开发职位，门槛就有Linux系统、Shell编程、Linux开发环境、C语言、ARM硬件平台、数据结构、Linux内核、驱动程序等，粗略数数就有8道关口，他需要非常熟悉整个的计算机体系，能做出实际的产品，而Java的开发者却仅仅是会使用名叫Java的语言工具，始终高高飘在众多层次之上，开发项目非常快，甚至可以不知道OSI模型，很可能自始至终都是软件蓝领。
嵌入式开发本身也有高下之分，至少包含嵌入式应用程序工程师和底层的驱动内核工程师两种。
前者同样是使用现成工具进行简单劳动，比如使用J2ME开发小游戏或者进行一些界面开发，而后者是根据芯片具体情况把操作系统（如Linux）移植到上面，同时编写必要的驱动程序，改写相应的内核代码。
很显然后者是一个公司真正的技术核心。
而技术核心的工资很可能是其他开发者的数倍。
嵌入式开发突出强制和项目，学习不仅仅是学习几项技术，而是构建你的知识体系。
比如学习嵌入式开发，就要从基础Linux，C语言，数据结构开始，到ARM，汇编，Linux内核、驱动等，更重要的是更多的项目练习，设计至少5个项目，多达10000行强制核心代码的编写可以让你真正获得知识。
为进入外企或者出国做准备。
未来的几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。
美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。
我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。
1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。
一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。
对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。
自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。
嵌入式就业发展空间相对较大。
嵌入式系统是当前最热门、最具发展前途的IT应用领域之一。
包括手机、电子字典、可视电话、数字相机（DC）、数字摄像机（DV）、U－Disk、机顶盒（SetTopBox）、高清电视（HDTV）、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等都是典型的嵌入式系统。
因此，通过嵌入式培训成为专业的嵌入式技术人才，其职业发展空间较大。
1.6未来憧憬
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，ARM技术将会不断的变化和进步，ARM技术的应用领域会再次扩大，ARM技术带来的工业产值将会剧增，ARM技术产品的市场前景更加美好。
总之，ARM技术的不断创新会给人类社会生活带来奇迹和享受。
第2章嵌入式常用的芯片
2.1嵌入式芯片
鉴于ARM微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，ARM微处理器必然会获得广泛的重视和应用。
但是，由于ARM微处理器有多达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对ARM芯片做一些对比研究是十分必要的。
目前可以提供ARM芯片的著名欧美半导体公司有：
英特尔、德洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon，Parthus。
日本的许多著名半导体公司或东芝、三菱半导体、爱普生、富士通半导体、松下半导体等公司较早期都大力投入开了自主的32位CPU结构，但现在都转向购买ARM公司的芯核进行新产品设计。
由于它们购买ARM版权较晚，现在还没有可销售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半导体公司目前都已经已经指生产了ARM芯片。
韩国的现代半导体公司也生产提供ARM芯片。
另外，国外也很多设备制造商采用ARM公司芯核设计自己的专用芯片，如美国的IBM、3COM和新加坡的创新科技等。
我国台湾地区可以提供ARM芯片的公司台积电、台联电、华帮电子等。
其它已购买ARM芯核，正在设计自主版板权专用芯片的大陆公司为中兴通讯等。
非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI,StrongARM,ARM720T,ARM9TDMI,AR
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