嵌入式系统原理与实践：基于STM32和FreeRTOS_计算机科学

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前　言

嵌入式系统是集多种技术于一体的交叉学科，涉及电子、计算机、通信、软件等技术。随着电子技术和计算机技术的发展，嵌入式系统的应用日益增长，目前已广泛应用在国防军事、

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第1章　嵌入式系统基础

教学目标【知识】（1）了解嵌入式系统在电子信息行业中的作用和地位。（2）掌握嵌入式系统的定义及组成。（3）掌握常用的嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统。(

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1.1　嵌入式系统的定义及组成

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1.1.1　嵌入式系统的定义

近年来，随着电子信息科学的飞速发展，“嵌入式系统”这一概念迅速升温，受到电子工程师们的热捧，人们倾注了大量心血对其进行研究。那么，嵌入式系统究竟是什么？我们应该

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1.1.2　嵌入式系统的组成

通常意义上的嵌入式系统是由硬件层（包括嵌入式处理器、外围硬件设备）和软件层（包括嵌入式操作系统、应用软件）组成的，如图1.1所示。图1.1　嵌入式系统组成(

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1.2　嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器的范围极其广阔，包括最初的4位MPU（1971年，Intel公司推出了4位MPU40

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1.2.1　EMPU

EMPU是从最初的单片机演变而来的，它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也较高。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入

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1.2.2　MCU

MCU的典型代表是单片机，从20世纪70年代末单片机出现至今，虽然已经过了50多年，但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部

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1.2.3　EDSP

EDSP是专门用于信号处理的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，编译效率高，指令的执行速度快。EDSP目前在数字滤波、快速傅里叶变换、频谱分析等方

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1.2.4　SoC

SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。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。

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1.3　嵌入式操作系统

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1.3.1　嵌入式操作系统概述

在嵌入式系统中，为了及时、有效地处理一些事件，通常需要在嵌入式处理器上运行实时多任务操作系统来进行可靠的管理。目前，嵌入式操作系统已有超过30年的发展历史，有超

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1.3.2　常见的嵌入式实时操作系统

1.AliOS Things AliOS Things是阿里巴巴集团开发的面向物联网领域的高可用可伸缩操作系统。AliOS Things致力于搭建云端一体化物联

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1.4　嵌入式系统开发流程

嵌入式系统开发包括嵌入式处理器及其外围硬件设备的电路设计和软件程序设计，其开发流程一般分为4步：需求分析、概要设计、详细设计和系统调试。(https://www

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1.4.1　需求分析

根据用户的任务要求，对项目进行全面的需求分析，这是整个开发任务的关键。需求分析包括功能性需求（如测量、控制、人机交互、通信等）分析，性能指标需求（如测量精度、控

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1.4.2　概要设计

概要设计即单片机应用方案设计，方案设计的主要依据是前期的需求分析，其内容包括系统硬件设备的电路设计、软件设计、系统调测和搭建开发环境等。电路设计一般需要先画出

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1.4.3　详细设计

在概要设计的基础上，开发者需要进行硬件电路和软件系统的详细设计。硬件电路设计包括嵌入式处理器电路设计、外围电路设计。嵌入式处理器电路设计包括电源电路、复位电路

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1.4.4　系统调试

系统调试是指目标系统的软件在硬件上实际运行，将软件和硬件联合起来进行调试，进而检验系统的正确性和可靠性。系统测试包括根据需求列出调试内容、选用调试仪器仪表、设计

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本章小结

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由硬件层（包

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本章习题

1.什么是嵌入式系统？嵌入式系统由哪些部分组成？ 2.典型的嵌入式处理器有哪些？ 3.常见的嵌入式实时操作系统有哪些？(https://www.daowen.c

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第2章　ARM Cortex-M3体系结构

教学目标【知识】（1）掌握ARM Cortex-M3内核结构。（2）熟悉ARM Cortex-M3内核的通用寄存器和特殊功能寄存器。（3）掌握ARM C

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2.1　ARM Cortex-M3处理器简介

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2.1.1　ARM Cortex-M3处理器发展历程

ARM公司成立于20世纪90年代初。该公司致力于处理器内核研究，ARM即Advanced RISC Machines的缩写。ARM公司本身不生产芯片，只设计内核

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2.1.2　内核结构及功能描述

ARM Cortex-M3内核结构包括处理器内核和许多组件，用于系统管理和调试支持，如图2.1所示。图2.1　ARM Cortex-M3内核结构 1.处理器

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2.2　内核寄存器组织

ARM Cortex-M3内核寄存器组织如图2.2所示，寄存器由16个通用寄存器和7个特殊功能寄存器组成。 (https://www.daowen.com) 图

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2.2.1　通用寄存器

通用寄存器包括寄存器R0～R15。 1.寄存器R0～R12 R0～R12寄存器是真正意义上的通用。在处理器运行过程中，它们作为数据的寄存器使用。 2.寄存器R1

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2.2.2　特殊功能寄存器

特殊功能寄存器分为程序状态寄存器、中断屏蔽寄存器和控制寄存器3类。 1.程序状态寄存器程序状态寄存器（xProgram Status Register，xPS

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2.3　处理器操作模式

ARM Cortex-M3支持两个特权模式（异常模式、线程模式）和两个特权等级（特权级），如图2.3所示。在嵌入式系统应用程序中，程序代码涉及异常代码和非异常代

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2.4　存储器系统

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《嵌入式系统原理与实践：基于STM32和FreeRTOS》简介

前　言

目录

第1章　嵌入式系统基础

1.1　嵌入式系统的定义及组成

1.1.1　嵌入式系统的定义

1.1.2　嵌入式系统的组成

1.2　嵌入式处理器

1.2.1　EMPU

1.2.2　MCU

1.2.3　EDSP

1.2.4　SoC

1.3　嵌入式操作系统

1.3.1　嵌入式操作系统概述

1.3.2　常见的嵌入式实时操作系统

1.4　嵌入式系统开发流程

1.4.1　需求分析

1.4.2　概要设计

1.4.3　详细设计

1.4.4　系统调试

本章小结

本章习题

第2章　ARM Cortex-M3体系结构

2.1　ARM Cortex-M3处理器简介

2.1.1　ARM Cortex-M3处理器发展历程

2.1.2　内核结构及功能描述

2.2　内核寄存器组织

2.2.1　通用寄存器

2.2.2　特殊功能寄存器

2.3　处理器操作模式

2.4　存储器系统