一、嵌入式介紹

1.什么是嵌入式系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)（Embedded system），是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，它為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項(xiàng)特殊的任務(wù)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)λM(jìn)行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統(tǒng)通常進(jìn)行大量生產(chǎn)，所以單個(gè)的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進(jìn)行成百上千的放大。

　　嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模設(shè)備的系統(tǒng)。國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。

　　嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個(gè)或幾個(gè)預(yù)先編程好以用來執(zhí)行少數(shù)幾項(xiàng)任務(wù)的微處理器或者單片機(jī)組成。與通用計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時(shí)不變的；所以經(jīng)常稱為“固件”。

2.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成

• 嵌入式系統(tǒng)的組成
  

• 嵌入式系統(tǒng)的分層
  

   

3.嵌入式系統(tǒng)的演進(jìn)方向

• 以單片機(jī)為核心、可編程控制器存在形式
  1、沒有操作系統(tǒng)支持
  2、軟件以匯編為主
  3、功能單一、處理效率低、存儲容器小，沒有外部接口
  4、使用簡單、價(jià)格低

• 以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心
  1、CPU種類多，通用性弱
  2、系統(tǒng)開銷小，效率高
  3、達(dá)到一定的兼容性，拓展性
  4、用戶體驗(yàn)度不高，交互界面不夠友好

• 以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志
  1、兼容性好，適用于不同平臺
  2、系統(tǒng)開銷小，效率高，具有高度模塊化及拓展性
  3、圖形化界面、用戶界面友好
  4、豐富的外部接口

• 以物聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志
  1、將傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及傳統(tǒng)嵌入式技術(shù)綜合聯(lián)系
  2、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化
  3、低功耗、綠色環(huán)保
  4、多核技術(shù)、云計(jì)算、虛擬化技術(shù)

4.嵌入式的開發(fā)模式

• 兩種開發(fā)模式
  非嵌入式的開發(fā)：A類機(jī)編寫源代碼，編譯得到可執(zhí)行程序，發(fā)布給A類機(jī)運(yùn)行。
  嵌入式開發(fā)：A類機(jī)編寫源代碼，編譯得到可執(zhí)行程序，發(fā)布給B類機(jī)運(yùn)行，這種編譯模式也叫作交叉編譯。

• 為什么使用交叉
  1、嵌入式開的CPU比較簡單，本身無法搭建開發(fā)環(huán)境，有些甚至操作系統(tǒng)都沒有。
  2、交叉編譯器可以用高性能機(jī)器為低性能機(jī)器開發(fā)軟件。

• 交叉編譯的特點(diǎn)
  1、必須使用專用的交叉編譯工具。
  2、由于可執(zhí)行程序不能在本地運(yùn)行調(diào)試，因此必須使用特殊的方法將可執(zhí)行程序加載到目標(biāo)嵌入式設(shè)備上運(yùn)行及調(diào)試。

5.為什么需要SD卡等輔助設(shè)備

• 嵌入式開發(fā)特點(diǎn)
  1、交叉編譯，不便于本機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序。
  2、嵌入式系統(tǒng)需要bootloader來啟動，而bootloader必須首先存在于可啟動介質(zhì)中，這個(gè)過程需要專用工具。
  3、嵌入式系統(tǒng)無法通過純軟件實(shí)現(xiàn)單步調(diào)試，因此必須借助專用的調(diào)試器。

• SD卡的作用
  作為啟動介質(zhì)，工作方式是：事先用讀卡器將SD卡連到PC機(jī)上，通過定卡軟件將交叉編譯得到的可執(zhí)行程序鏡像燒錄到SD卡，然后將SD卡插入嵌入式目標(biāo)機(jī)卡槽，設(shè)置正確的啟動方式啟動，則系統(tǒng)可以從SD卡中燒錄的鏡像處啟動。

• USB轉(zhuǎn)串口線的作用
  串口本身用來做嵌入式目標(biāo)機(jī)的調(diào)試輸出主要目的是用來監(jiān)視及調(diào)試軟件。
  因?yàn)楝F(xiàn)在大部分個(gè)人電腦都未配置DB9串口，因此工作中一般直接使用USB轉(zhuǎn)串口線來連接PC和開發(fā)板。

二、ARM處理器介紹

1.ARM的發(fā)展歷史

• ARM的前身是艾康電腦（Acorn），于1978年，在英國劍橋創(chuàng)建

• 在1980年代晚期，蘋果電腦開始與艾康電腦合作開發(fā)新版的ARM核心

• 1985年開發(fā)出全球第一款商用RISC處理器

• 1990年艾康電腦財(cái)務(wù)危機(jī)，受蘋果VLSI的投資，分割出獨(dú)立子公司，Advanced RISC Machine（ARM），ARM公司正式成立
  

• 1991年，ARM推出第一款嵌入式RISC處理器，即ARM6

• 1993年，發(fā)布ARM7

• 1997年，發(fā)布ARM9TDMI

• 1999年，發(fā)布ARM9E

• 2001年，發(fā)布ARMv6架構(gòu)

• 2002年，發(fā)布ARM11微架構(gòu)

• 2004年，發(fā)布ARMv7架構(gòu)的Cortex系列處理器，同時(shí)推出Cortex-M3

• 2005年，發(fā)布Cortex-A8處理器

• 2007年，發(fā)布Cortex-M1和Cortex-A9

• 2009年，實(shí)現(xiàn)Cortex-A9、發(fā)布Cortex-M0

• 2010年，推出Cortex-M4、成立Linaro，推出Cortex-A15 MPcore高性能處理器

• 2011年，推出Cortex-A7，ARMv8發(fā)布

• 2012年，開始64位處理器進(jìn)程

2.ARM的商業(yè)模式和生態(tài)系統(tǒng)

• ARM之前的半導(dǎo)體行業(yè)
  Intel、AMD、Motorola、VIA等，自己設(shè)計(jì)IC、自己設(shè)計(jì)芯片、自己銷售。

• ARM的商業(yè)模式
  ARM只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)IC，并且出賣自己的設(shè)計(jì)IP。
  ARM自己不生產(chǎn)芯片，而是把設(shè)計(jì)IP授權(quán)給其它半導(dǎo)體廠商來生產(chǎn)芯片，收取低廉的授權(quán)費(fèi)用。
  嚴(yán)格來說，ARM并不是一家半導(dǎo)體廠商。

• ARM的啟示 

　　1、不要抱怨劣勢，劣勢反而可能是機(jī)會
　　2、想成功，要先學(xué)會幫助別人，成全別人，只想著自己的人是沒有機(jī)會的
　　3、社會越來越成熟，成熟社會的特征就是不工不斷細(xì)化
　　4、成功有時(shí)候是不經(jīng)意的
　　5、ARM發(fā)展的很快，也很慢
　　6、從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品，需要很長時(shí)間努力 

3.ARM的版本號

• ARM的型號命名問題
  1、ARM7和ARMv7不是一回事
  2、Cortex-A9比Cortex-A7更先推出
  3、型號很亂，沒有規(guī)律

• ARM的幾種版本號
  1、ARM內(nèi)核版本號
  2、ARM SoC版本號
  3、芯片型號

• ARM型號的發(fā)展歷程，以三星為例
   

  1、ARM內(nèi)核版本號和Soc版本號是由ARM確定的，而芯片型號是由半導(dǎo)體公司確定的
  2、Cortex系列ARM產(chǎn)品線分割成了3個(gè)系列，這個(gè)是市場細(xì)分的需要和選擇
  3、ARM已經(jīng)發(fā)布了一些64位架構(gòu)如A53等，主要面向高性能服務(wù)器類的應(yīng)用
  4、ARM下一步重點(diǎn)發(fā)展方向是Cortex-M7，特點(diǎn)是低功耗，主要面向物聯(lián)網(wǎng)終端

• CPU與SoC的區(qū)別
  
  1、SoC = System on Chip
  2、芯片的發(fā)展方向：從CPU到SoC
  3、現(xiàn)在已經(jīng)沒有純粹的CPU了，都是SoC
  4、ARM賣的是內(nèi)核，其實(shí)就是CPU+總線，各種外設(shè)是半導(dǎo)體廠商自己添加的
  5、SoC中外設(shè)大部分都融合進(jìn)去了
  6、網(wǎng)卡、音頻等個(gè)別還經(jīng)常設(shè)計(jì)在外面
  7、芯片的發(fā)展趨勢是更高的集成度，近年甚至將音視頻編解碼、DDR、網(wǎng)卡都集成到SoC內(nèi)，做成所單芯片解決方案
  8、裸機(jī)學(xué)習(xí)其實(shí)就是學(xué)習(xí)SoC的內(nèi)核和各種外設(shè)

4.CPU的設(shè)計(jì)原理、數(shù)據(jù)總線、地址總線

• CPU總線示意圖
  

   

• 地址總線和數(shù)據(jù)總線
  1、CPU通過地址總線尋址，然后通過數(shù)據(jù)總線與外部設(shè)備互換信息
  2、地址總線的倍數(shù)決定CPU尋址范圍，數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定CPU單次通信能交換的信息數(shù)量
  3、總線的速度決定CPU和外設(shè)互換信息的速度
  4、CPU的地址總線位數(shù)和數(shù)據(jù)總線可以不同（典型代表就是51單片機(jī)），但一般都相同
  5、CPU的位數(shù)指的是數(shù)據(jù)的位數(shù)，32位CPU尋址的范圍是4G，所以最多支持4G內(nèi)存
  6、數(shù)據(jù)總線是32位的，所以內(nèi)存是32位的好，所以編程最好用int……

5.主流學(xué)習(xí)型主芯片

• 以三星為例，按發(fā)行時(shí)間排列
  1、S3C44B0
  2、S3C2440 S3C2410
  3、S3C6410
  4、S5PV210 S5PC210
  5、Exynos4412 S5P4418

• 其它半導(dǎo)體廠商
  1、飛思卡爾
  2、高通驍龍
  3、華為海思

四、Windows開發(fā)環(huán)境構(gòu)建

1.安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動

1、打開驅(qū)動程序，單擊”下一步“
 

2、等待安裝，單擊”完成“并重啟
 

3、打開設(shè)備管理器，查看串口信息
 

4、右擊選擇”屬性“，查看串口設(shè)置

2.安裝串口通信工具

常用的串口通信工具有：SecureCRT、PuTTY、超級終端等，建議使用PuTTY，免安裝
1、打開PuTTY運(yùn)行
 

2、選擇“串口”，填寫端口、波特率
 

3、單擊“打開”，使用串口與開發(fā)板進(jìn)行通信，啟動開發(fā)板，按任意鍵停止加載Android系統(tǒng)。

4.安裝tftp文件傳輸工具

1、打開控制面板->選擇小圖標(biāo)->防火墻->打開或關(guān)閉防火墻->關(guān)閉防火墻

2、運(yùn)行tftp32.ext->點(diǎn)擊'Settings'->打開”Browse“，設(shè)置根文件目錄，默認(rèn)是當(dāng)前目錄，點(diǎn)擊確定
 

3、在putty中使用print查看開發(fā)板的相關(guān)設(shè)置
 

4、設(shè)置PC端的ip地址，與開發(fā)板中的參數(shù)設(shè)置要一致
 

5、使用ping命令測試開發(fā)板與PC端是否連通，下圖為正常連接狀態(tài)
 

6、下圖為連接失敗狀態(tài)
 

連接失敗后的檢查：

• 1、使用print命令檢查uboot中的環(huán)境變量設(shè)置是否正確

• 2、檢查PC端ip地址和子網(wǎng)掩碼是否正確

• 3、檢查PC端防火墻是否關(guān)閉

• 4、檢查網(wǎng)線的連接或重新插拔網(wǎng)線

• 5、禁用網(wǎng)絡(luò)連接然后再啟用

• 6、更換網(wǎng)線

7、使用tftp命令下載程序到指定地址，并使用go命令執(zhí)行程序