嵌入式系统设计教程

本书以目前国内外流行的基于ARM架构的嵌入式微处理器及嵌入式操作系统为例，详细介绍嵌入式硬件系统架构、嵌入式微处理器和系统核心电路接口的设计与应用，以及嵌入式软件架构、主流嵌入式操作系统及其移植裁剪和应用程序编写等相关知识及应用技术。全书共9章，内容主要包括嵌入式系统概论、基于ARM架构的嵌入式微处理器、嵌入式系统开发环境与相应开发技术、嵌入式指令系统与程序设计、嵌入式系统设计与应用、嵌入式操作系统uC/OS-II及应用、嵌入式Linux操作系统及应用、Andriod操作系统及应用，最后详细介绍了系统综合设计应用实例。

马洪连，男，教授，大连理工大学软件学院实验中心主任，全国“嵌入式系统专家委员会”委员。讲授嵌入式系统设计与应用 、计算机组成原理与结构、微型计算机接口技术等课程。研究方向为：嵌入式系统设计及应用技术、智能系统与智能仪器仪表技术、无线通信技术。获全国“宝钢优秀教师奖”称号（教育部）、 辽宁省“十一五”规划优秀教育研究成果二等奖、第四届辽宁省高等学校优秀学术成果二等奖等。

第1章 嵌入式系统概论 1
1．1 系统概述 1
1．1．1 嵌入式系统的定义和特征 1
1．1．2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势 2
1．2 嵌入式系统组织结构 4
1．2．1 嵌入式系统总体架构 4
1．2．2 嵌入式硬件系统结构 4
1．2．3 嵌入式硬件系统中采用的先进技术 11
1．3 嵌入式软件系统 14
1．3．1 系统概述 14
1．3．2 嵌入式操作系统 17
1．3．3 常用的嵌入式操作系统 22
习题与思考题一 25
第2章 嵌入式微处理器 28
2．1 概述 28
2．1．1 ARM体系结构版本、命名规则 29
2．1．2 嵌入式微处理器系列产品 32
2．2 ARM微处理器组成结构与工作原理 35
2．2．1 微处理器结构组成 35
2．2．2 微处理器的工作状态与工作模式 37
2．2．3 微处理器的寄存器组织 39
2．2．4 异常中断模式处理过程 43
2．3 ARM存储器存储方式与映射机制 46
2．4 常用的嵌入式处理器简介 49
2．4．1 ARM9系列 S3C2440微处理器 49
2．4．2 ARM系列Cortex处理器 61
习题与思考题二 67
第3章 嵌入式系统开发环境与开发技术 70
3．1 概述 70
3．2 嵌入式系统开发技术 71
3．2．1 集成开发环境 72
3．2．2 系统软件开发工具 83
3．3 嵌入式系统调试技术 88
3．3．1 ARM交叉调试及固化技术 88
3．3．2 嵌入式软件的测试 90
3．4 嵌入式系统的引导程序 91
3．4．1 BootLoader的职能 92
3．4．2 BootLoader的操作模式 93
3．4．3 BootLoader的程序结构与调试 94
3．4．4 BootLoader的应用实例 95
习题与思考题三 102
第4章 嵌入式指令集系统与程序设计 103
4．1 ARM指令集及应用 103
4．1．1 概述 103
4．1．2 ARM指令集的编码格式 104
4．1．3 ARM指令的数据寻址方式 105
4．1．4 ARM指令的分类说明及应用 106
4．2 Thumb指令集简介 110
4．2．1 概述 110
4．2．2 Thumb-2指令集简介 111
4．3 ARM汇编语言及程序设计 111
4．3．1 ARM汇编语言 111
4．3．2 ARM汇编语言程序设计 114
4．4 嵌入式C语言编程简介 118
4．5 嵌入式C与ARM汇编语言混合编程 120
4．5．1 内嵌汇编 120
4．5．2 汇编程序中访问C程序变量 122
4．5．3 C程序和汇编程序之间的相互调用 123
习题与思考题四 125
第5章 嵌入式系统设计与应用 128
5．1 系统设计原则与设计步骤 128
5．2 系统核心电路设计 131
5．2．1 微处理器芯片的选型 131
5．2．2 电源管理设计 131
5．2．3 存储系统设计 132
5．3 系统接口电路设计与应用 136
5．3．1 通用接口GPIO 136
5．3．2 系统异常中断处理方式 139
5．3．3 A/D转换接口 142
5．3．4 数字音频设备接口 146
5．4 人机交互设备接口设计与应用 147
5．4．1 键盘接口 147
5．4．2 显示器接口 147
5．4．3 触摸屏接口 152
5．5 串行数据通信接口设计与应用 159
5．5．1 串行通信原理 159
5．5．2 串行通信接口设计与应用 163
5．6 无线通信接口设计与应用 172
5．6．1 蓝牙通信技术 173
5．6．2 ZigBee通信技术 175
5．6．3 无线局域网Wi-Fi技术 177
5．6．4 第2、3、4和5代通信技术简介 178
5．7 卫星定位系统 181
习题与思考题五 185
第6章 μC/OS-II操作系统及应用 188
6．1 μC/OS操作系统概述 188
6．2 μC/OS-II系统 191
6．2．1 μC/OS-II内核结构 192
6．2．2 μC/OS-II内核源代码解析 192
6．2．3 μC/OS-II任务及其创建 195
6．2．4 μC/OS-II任务状态及其调度 196
6．3 μC/OS-II系统移植 197
6．3．1 μC/OS-II移植条件 197
6．3．2 μC/OS-II的移植步骤 198
6．4 基于μC/OS-II的应用开发 204
6．4．1 应用程序结构的建立 204
6．4．2 μC/OS-II的API 205
6．4．3 绘图函数及应用 206
习题与思考题六 214
第7章 嵌入式Linux操作系统及应用 215
7．1 嵌入式Linux操作系统概述 215
7．2 嵌入式Linux内核及其工作原理 217
7．2．1 嵌入式Linux内核 217
7．2．2 嵌入式Linux启动过程 220
7．2．3 嵌入式linux文件系统 221
7．3 嵌入式Linux内核定制与编译 224
7．3．1 交叉编译环境 224
7．3．2 内核定制及裁剪说明 225
7．3．3 编译内核 243
7．3．4 制作文件系统映像 243
7．4 嵌入式Linux驱动及应用开发 244
7．4．1 设备驱动程序概述 244
7．4．2 驱动程序结构 245
7．4．3 设备注册和初始化 246
7．4．4 驱动程序案例 247
习题与思考题七 249
第8章 Android操作系统及应用 250
8．1 Android 操作系统简介 250
8．2 Android操作系统的体系结构 250
8．3 Android开发工具 252
8．3．1 基于Eclipse + ADT的开发环境搭建 252
8．3．2 基于Android Studio的环境搭建 255
8．4 基于ANDROID操作系统的应用开发 256
习题与思考题八 262
第9章 嵌入式系统开发应用实例 263
9．1 概述 263
9．2 硬件系统设计 264
9．2．1 核心板结构组成 265
9．2．2 系统平台主板结构组成 266
9．3 软件系统设计 273
9．3．1 系统软件需求分析与设计 273
9．3．2 用户应用程序设计 273
9．3．3 综合实训平台应用实例简介 279
参考文献 281

前 言

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软/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。嵌入式系统开发与应用的内容繁杂，涉及诸如计算机、电子、自动控制等诸多专业知识，综合性强。由于嵌入式系统涉及的知识点多，想让学生在短短的有限课时内完全掌握嵌入式系统设计全部知识是不现实的。因此通过嵌入式系统课程的学习，目的是使其能够掌握嵌入式系统设计的基本知识和开发方法。实践是学习嵌入式系统设计的重要环节，通过动手实践才能让学生掌握嵌入式系统设计开发方法和开发经验。

随着嵌入式系统应用的普及，对嵌入式系统设计的技术人才需求越来越大，同时也迫切需要一些较好的适用于不同层次人员使用的教材和参考书。本书定位于从事嵌入式系统开发和设计的初学人员。从实用的角度出发，本书分别以目前国内外流行的S3C2440和Cortex架构处理器为例，详细地介绍嵌入式系统的内部结构、工作原理、设计步骤、设计方法、接口电路，以及嵌入式系统的开发环境和开发工具。在软件方面介绍了μC/OS、Linux和Andriod操作系统相关知识，最后介绍了一项实例设计供读者参考和借鉴。

本书第1版和第2版分别在2006年6月和2009年9月由电子工业出版社出版发行，目前国内20多所高校采用本教程作为嵌入式系统设计课程教材。由于嵌入式系统技术发展迅速，新技术层出不穷，为了适应时代发展，故对本书进行重新修正和再版发行，主要对书中各章节重新进行了规划、整理和内容充实。例如，第2章中的嵌入式处理器简介改为基于ARM9系列的S3C2440和新一代的Cortex系列处理器；第3章修改为嵌入式系统开发环境与相应开发技术的内容介绍；第4章中增添了ARM汇编语言与C语言的程序设计内容；第8章修改为基于Andriod操作系统的设计与应用；在第1、5、6、7、9章的内容也做了适当的修改。同时，对全书各章的内容都进行了精细化、逐页逐句地进行仔细斟酌，对一些表达不恰当句子进行了修改。教材的习题部分对于复习和巩固所学内容是非常重要的，每章精心挑选适量增加了课后的习题。

作者从事计算机教学工作多年，多次完成基于ARM微处理器系列的科研项目的开发和设计工作。所以在编写本教材的过程中，精选内容、力求符合从事嵌入式系统开发和设计的初学者的特点，做到概念清晰、理论联系实际。在叙述方法上，则力求由浅入深、通俗易懂便于学习，以便使读者能在较短的时间内迅速掌握相关知识，起到事半功倍的作用。

本书适用于高等院校相关专业的大学高年级学生和研究生作为专业课教材也可以作为从事嵌入式系统开发和设计人员的参考用书。作者建议本课程课时数为56学时（授课课时32，实验课时24）。在课堂主要讲授第1～5章和第9章内容，选取第6～8章操作系统的内容，与实验同步进行。为了便于本课程的教学需要，本书另配有多媒体教学课件，需要者与本教材责任编辑联系，E-mail：tianhf@phei.com.cn。

在本书编写的过程中，感谢电子工业出版社的编辑，在他们的大力支持下使本书能够很快出版发行。同样，对本书参考文献中以及引用了相关资料的所有作者深表谢意。

由于嵌入式系统设计的发展非常迅速和普及，嵌入式应用的新技术、新成果不断涌现和更新，书中难免存在错误、疏漏和不妥之处。还希望广大读者能够多加谅解，并及时联系作者，以期在后续版本中进行完善。

编 者

2016年7月