ARM微控制器基础与实战 周立功.pdf

ARM微控制器基础与实战 周立功等编著 衣航天头卷出法 http://www.buaapress.comCnl 内容筒介 以ARM控制器LP(2104及基于IPC2104的开发学刁板 easy aRm2104入手,逐步引导读者 掌握使用开发ARM的基本知识。本书分3个部分:第1部分为基础篇包括第1章和第2章,主 要从ARM芯片开发者的角度介绍ARM7TDM的体系结构和指令系统。第2部分为实验篇,包 栝第3章、第4章和第5章,详细介绍ARM控制器LPC2104的内部结构和开发学习板 Easy Arm2104的硬件结构等知识,给出LPC2l04的各个功能部件的编方法,包括汇编代码和 C语言代码。第3部分为提髙篇,包括第5章~第13章,介绍如何把嵌入式实时操作系统 C/Os-I移植到fPC2l04,在不同情况下如何编泽这些代码。然后介绍LPC2104的儿个重要功 能部件在C/OS-1的驱动程序(中间件)以及其它功能部件在pC/OS-I上的使用方法。 本书可作为高等院校嵌入式系统课程的参考用书,以及ARM应用技术开发人员的参考手册。 图书在版编目[CIP)数据 ARM微控制器基础与实战/周立功等编著.—北京 北京航空航天大学出版社,2003.11 SBN7-8l077-383-6 A...H.周...III.微处理器,ARM一系统设讨 t. TP332 中国版本图书馆CIP数据核字〔2003)第09523号 ARM微控制番基础与实战 周立功等编著 责任编辑王慕冰 北京航空航天大学出版社出版发行 北京市海淀区学院路37号(10083)发行部电话:010-8231724传真:010-82328026 http://www.buaapress.comcnE-mail,bbpress@263.net 河北省家州市新华印装厂印装各地书店经销 开本:787X10921/16印张:33.75宁数:864千字 2003年11月第1版2003年11月第1次印刷印数:50册 SEN7-81077-383-6定价;4900元 ARM微控制器怏速入门的“敲门砖” 学习与开发的困境 回头来看,我国单片机的普及教育已经搞了这么多年,但为什么还是有很多大学生毕业之 后不能立即投入到实际的应用开发工作之中呢?通过严峻的人才需求趋势可以看到:很多电 子类专业的大学生毕业之后的出路只有改行,而很多企业却在感叹入才难求。年复一年如此 惊人地相似,不得不引起我们对传统的教材和教学方法进行深刻的反思。单片机与嵌人式系 统应用技术是一门实战性很强的学科,离开了实践就如无源之水。其实,几乎所有成才的开发 工程师都是一边学习、一边实践干出来的,很少有宴正的专家,包括我们业界知名的很多专家 在内,是通过课堂教出来的。到令天为止,8279、8255还买得到吗?已经过去这么多年了,学 生还在学习那些已经很早就淘汰了的器件。...个大学木科生读了四年大学连一个可靠的复位 电路都设计不好,要从可靠性设计出发来设计产品就更无从谈起。由此可以看出,我们的教材 与教学方法违背了这门学科成才的规律,我们的大学一定要彻底地改变观念,要尽快地从“教 育型”的阴影中走出来;迅速转向“研究型”培养人才的正确轨道上来。 其实,我一直认为企业不是培养人才的地方,这应该是大学的责任。但我们却不得不花很 多的糈力用于入才的培养,而我们得到的直接好处就是从200年到现在公司几乎没有出现过 优莠人才跳槽的现象,就是一般的人才跳槽也微乎其微。究其原因,在于我们一直在尝试如何 培养一流人才。通过这些年的努力,我们掌握了快速恰当地学习的方法和培养优秀而卓越人 才的秘诀”。关键是我们帮助那些年轻人找到了自己的位置和方向,而且我们也实现了自己 的愿望,我和他们一样有共同的成就感。基于此,我愿意将我的经验和感想奉献出来与大家共 同分享。 谈到学习就不得不谈到人们的思想与观念,这是人才成长与成功的源泉,超前的思想意 识、正确的观念良好的心态加,正确的学习方法就可以达到“不用扬鞭自奋蹄”的崭新境昇 所谓教书育人这些根本的东西却常常容易被人所忽视这看起来似乎是政治老师的责任,其实 不然。我们应该将思想和方法教育放在首位,充分调动学习者的积极性,从而化被动为主动。 效果最好的教学方法就是在实验室里上课,老师一边讲解理论,学生一边在计算机上操作和验 证老师讲解的内容以加深理解。每个学生人手一套开发实验板,一个学期下来至少可以做到 考试这门课程不用复习,毕业之后对开发流程和集成开发环境可以达到烂熟于心的程度 回头来看我国的单片机推广历程,可以设想,如果当初 Intel公可首先推出的不是80C31 而是一颗20引脚的Fsh单片机,那么中国的单片机发展之路肯定要顺利得多。回到现实中 来看,我国的ARM推广和应用技术发展之路与单片机的启蒙是何等惊人地相似。多年来,单 片机化电子产品的开发在很大程度上完全取决于开发工程师个人的经验、知识水平和智慧。 大多数开发工程师在产品开发过程中的随意性、离散性都比较大,普遍缺乏系统的总结。从根 本上来说谈不上如何自觉地将离散的经验上升到知识的程度,更谈不上有比较清晰的项目管 理和软硬件平台。无论是企业的决策者还是开发工程师,计较元器件的成本成为头等大事,还 未做出产品来第件事情就想到“价格战”,缺乏做精品的意识缺乏如何保持企业可持续发展 的战略眼光和思想其实这些都是能够看得见的成本。事实上,危害更大的、看不见的“无形成 夲”却很少有人关注。比如、投入的人力资源是否介埋?翌投入多少发费用?员工跳槽以后 如何对产品进行升级和继续开发?产品如何快速|市?如何“先知先觉”地设计出高可靠性的 产品等等因素,这些都是制约企业可持续发展的根本所在。 回头来看,成千上万的企业家和开发工程师无不感到困惑,又欲罢不能。当我们今天临 由8位进化到32位微控制器市场的时候,我们到底如何克服过去学习和开发中所遇到的困难 而少走弯路? 选择一个功能恰当的ARM微控制器 俗话说得好:万丈高楼从地起。也就是说,论做什么事,打好基础是根本,因此要想彻 底掌握32位ARM单片机和嵌人式操作系统应用技术一定要从基础做起。那些内嵌的功能 模块如TCP/IP、( AN-bus、A/D转换器、802.11、调制解调器、USB...有如美丽的外衣一样仪 仅是虚有其表而已其实真正的根本还是ARM内核和一个基本的嵌入式操作系统内核,只有 把握了“根”,所有其它的问题都将迎刂而解 通过网站可以看到,关于ARM的开发套件不下20种,到底选择哪一种最合适?我认为 作为一个初学者挑选之前应该目标明确,如何以最少的代价得到最大的收获。因为学好之后 将来做哪方面的产品开发到现在还没有完全定性。还有用多长的时间可以快速学会,这也是 很重要的,因为起步不顺利会严重打击学习者的积板性:。 事实上,有很多从事单片机应用开发的丁程师可能一辈子都不会用到串行通信技术,甚至 做了多年的开发工作之后还是没有深入地掌握串行接口应用技术,但却丝毫不影响他成为一 个实实在在的单片机应用T程师。即使有一天我们在工作中要用到串行通信技术,我们通过 长期的学习和开发所积累的“经验与知识”也足以帮助我们快速掌握串行通信技术。所以学习 基于ARM约核的单片机应用技术同样如此,我们不应该过早地、过多地将精力用在TCP/IP 等复杂功能模块和μ(linuκ等复杂的歆人式操作系统内核的研究和学习上,这些诱人的“热 点”很容易使人迷失方向,进而忽视对基础知识的深人学习到头来说得头头是道,可其的干起 来却离实际的需求差得太远。我们一定要知道知识是永远也学不完的-学海无涯、生苦 短!我们学可的目的是为了满足应用的需求。那么到底如何在有限的人性历程之中花最少的 代价“创造”惊人的价值呢?常言道:伤其十指不如断其一指。即是说:我们做任何事情首先 定要“集中优势兵力”击中要害:然后再根据实际需要“各个击破”,我们常常所说的“不战了 胜”、“取法其上、得乎其中”其实讲的就是方法。只要方法得当掌握ARM和嵌人式操作系统 应用技术其实「分简单。因此,以我们的学习体会和开发经验为基础,非常慎重地向读者推荐 PHILIPS公司的LPC21062105/2104微控制器作为读者人门首选的ARM微控制器 选择一个简单易揸的嵌入式操作系统 从过去到现在,学习操作系统的入越来越多,而真正深人掌握和搞通操作系统的人却越来 越少。很多人从本科到博士都一直在学习操作系统,讲起来也头头是道,考试也不乏满分,可 真正要他写一个简单的操作系统却又很困难。为什么?因为他在学习过程中根本就没有得到 过很好的训练,大多数入也从来没有自己动手去写过一个哪怕错误百出面真正能够跑起来的 操作系统.尽管大家天天在那里呼吁:我们中国人要有臼已知识产权的操作系统,到头来还不 是一句空话。学习ARM做控制器也同样如此。如果不引起我们整个产业界的重视,如果没 有良性循环的引导,我们最终的结局还是落后,那是早巳写好的程序—“死循环” 当然,有人会说我没有必要去研究嵌人式操作系统的源码,同样也能够做出产品,这·点 也不假。而事实上,只有真正地掌握嵌人式操作系统才能达到強心所欲的境界。无论嵌人式 操作系统多么复杂,无论代码多大,它们的机理都是完全一样的,因此选择哪-个嵌人式操作 系统作为快速入门的“敲门砖”就很有讲究了。我认为首先要简单、有源码且稳定;其次,学了 之后要能够实用。从目前来看,可以选择的嵌入式操作系统有 uClinux和p/OS-印。对于 这两个嵌人式操作系统,不同的人有不同的看法,时以说在各种网站的讨论社区形成了两大阵 容,各持己见,对于初学者来说莫衷一是、无所适从 其实,我并不反对选择使用 Clinux,相反我还提倡使用 UClInux用于产品,这是末来的发 屐方向,们现实的情况如何呢?并非每个入和每个单位都有这个能力。首先,由于Cnux代 码太大,对于大多数入来说,要完全或者基本上读懂不是一件容易的事情。其二,网上确实也 有很多公开的中间件源码,但并不保证拿来就可以稳定、可靠地使用起来,还是需要我们进行 二次开发,对于大多数入来说,这是一个不小的困难。其三,尽管讨论社区也很活氓,但却很难 找到真正的技术支持,这是一个不可回避的事实。因此如果没有实力和优秀的开发团队,切不 叮贸然选择Cinx作为企业的开发平台。是不是开发产品就不能选择 Clinux?也不绝对, 在··般的条件下,一殷的企业最好选择成熟的μ Clinux开发平台和软硬件模块。商场如战场 切从头开发不可取,对于企业和个人来说回避风险从来就是第一原则。如果产品开发失败, 亚重的结果就是个业倒闭:对于个人来说就失去了一次本来可以成功表现自己的机会。 对于初学者,我慎重地推荐源码公开的COS-III嵌人式操作系统。gC(S·∏I已经有 很多产品成功使用的案例且得到了美国军方的认让北京航空航天大学出版社也出版了配套 的专著。国内熟悉这个嵌人式操作系统的开发人员特别多,十分容易通过闷站[的讨论社区 得到帮助,更关键的是,我们很容易通过阅读源码达到彻底掌握嵌入式操作系统的目的。最好 的办法是通过阅读μOS-IIl之后,自已写一个简单的能够跑起来的O),这是我们公司培训 相关入才的一个成功的经验。我们在北京航空航天大学出版社出版的《嵌人式实时操作系统 iml!RTOs51原理及应用》专著就是通过学习积冢的成果,我们开发 Favara2104开发套 件和编写本书的工程师都是这样走过来的。事实逛明:通过深入地学习和解剖μC/Os-∏嵌 人式操作系统是迅速培养嵌人式系统应用专家的成功之路。 必须要有深入浅出的配套教材 如果仅仅是购买了...个开发套件而没有柑应的配套技术资料,学习的效果可想而知是很 差的,因为只有配套的资料才能体现出设计者的原创思想,更为重要的是在学习过程中遇到了 困难,配套的技术资料可以帮助加深理解、解决问题,我们可以看看设计者是怎样解释这些问 题的。本书是 EasyARM2104开发套件设计者通过一边做一边积累再加工的原创技术资料 非常实用。其精髓就是使用了简单易懂的语言和例题来解释复杂的技术难题,这也是本书最 主要的特色。 良好的技术支持也是必不可少的 当然我们购买产品不仅得到了硬件,而且也得到了软件,但一定要明白我们之所以择 某个产品,因为更重要的是我们购买了“服务”。如果得不到良好的技术支持,还不如不买,因 为迟到了技术难题,读者却找不到专家解答,这是非常痛苦的事情,得到的效果往往是事倍功 半。此时此刻我们浪费的不仅仅是时间,更重要的是失去了稍纵即逝且可以展翅飞翔的 机遇 周立功 003年9月3日 前言 相信比较敏锐的使用单片机开发项目的电子工程师会感觉到:32位微控制器的广泛应 用已经到了“山雨欲来风满楼”的时候了。这主要由两方面的因素引起,一个因素是需求推动 另一个因素是技术进步拉动 有人说“需求决定一切”,这话虽然有些武断,但需求的确是很多事情的原动力。目前,随 着人们生活水平的提高,人民对生活质量的追求也逐步提髙。因此,人们对智能产品的需求增 加了(如PDA、手机和智能家居等),且对智能产品要求提高了(如更具人性化操作更简单、功 能更强大、容错性更好、更安全以及更具个性化等)。另外,随着网络的发展,越来越多的产品 需要具有联网功能。这一切需要智熊产品具有一个更强劲的“芯”,这是8位机很难做到的 同时,由于要生产这样的产品,对生产线的要求也同样提高了(全自动、更精确效率更高、更安 全、容错性更好以及可提供个性化产品等),这也需要一个更强劲的“芯”。同时,对于产品研发 的企业来说,有时产品上市的时间很重要。有时王市时间落后子竞争对手就意味着市场的丢 失不过同时质量也要有起码的保证。这样就要求开发者尽量减少重复劳动。建立开发平台 是一个很好的产品开发战略思想且具有现实意义,但8位系统的可怜资源对建立开发平台 分不利,用32位系统就好多了。 在个人电脑行业有著名的“摩尔定律”,它已经主宰个人电脑行业很多年了。在嵌人系统 领域虽然“摩尔定律”没有那么明显,但技术的进步已经使32位系统不再高高在上,32位微控 制器的价格已经不比8位机高多少,有些系统使用32位机其整体成本甚至比用8位机还要 低。这样,使用32位系统就没有技术和成本的障碍了。 目前,在32位市场上,ARM扮演着8位市场上8051的角色,又由于感党到“欲来风 满楼”之势,很多人觉得:应该学一学ARM了。但如何学ARM是一个很大的问题。目前,很 多ARM开发板/学习板给人的印象是:学ARM必移植 LINUX(或者 Clinux),必搞TCP IP。其实这是不对的。 LINUX(μ Clinux)、CP/P均是计算机范畴的东西,与ARM没有必 然的联系,它们本身就是一个十分复杂的体系。一个人要精通任何一种都很困难,又何必与 ARM搅在一起,为增加学习ARM难度?而且,如果学习这些不成功,势必会打击学习者 的积极性。本书就是以一个简单的ARM开发学习板 Easy arm2104为基础,引导大家学习 ARM的精髓,让想学ARM的人都读得懂、学得会,增强其信心,为以后可学习更复杂的 ARM打下坚实的基础。 本书的各个章节安排如下 第1章介绍了ARM7TDMI和ARM7TDMI(S)的体系结构中对程序员有用的部分。体 系结构中很多东西仅仅对芯片设计者或编译器开发者或仿真器开发者有用,它们没有包含到 第1章中 第2章介绍 ARM7TDMI(S)的指令集且介绍了如何编写汇编程序。ARM7TDMI和 ARM7TDMI(S)是基于ARM体系结构版木vT的,这一章仅介绍ARM体系结构版本vT 支持的指令,ARM体系结构版本w及以上版木扩展的指令没有介绍。汀编程序设计是以 ARM公司自己开发的基层开发环境ADS1.2中附带的汇编器为基础讲解,这一章还给出C 与汇编混合编程的方法,并给出指令和汇编伪指令速查表。 第3章介绍 Easy ARM2l0生开发学习板的主控芯片LPC2l04的硬件绪构和功能部件,在 介绍功能部件原理的同时通过简单的程序片断加深读者对相应功能件的理解 第4章介绍了 FasyAR.2104开发学习板的特点、硬件原理和基本使用方法,相当于 EasyARM2104开发学习板的简单说明书。闯读完这一章,读者应当知道如何设计基于芯片 LC2106/2105/2104的用户板 第5章详细讲述了LP(2106/2105/2104的各个功能部件的编程方法。这一章首先介绍 了系统最底层的一些操作代码,并给出了一个使用C语言但不使用RTOs时通用的启动代 码。使用这个启动代码之后,这儿个芯片最底层的一些操作读者可以不再关心,读者可以从 语言的main函数开始编写代码。然后本章分析各个功能部件的编程方法,并分别给出汇编的 例子和C语言的例子。 第6章详细讲述了如何把嵌人式实时操作系统拟C/OS-Il移植到芯片IPC2106/2105/ 24上。与一般公开的移植不同,木移植的任务不必在特权模式下运行(在用户和/或系统模 式下运行),任务可以任意使用ARM指令和/或 Thumb指令。而且,它还支持C/OS-I内 核与用户任务分别编译,分别调人芯片执行的应用 第7章介绍了各种情况下移植代码的使用方法,包括如何建立ADS工程。用户可以根据 自己的需求参考相关部分编写自己的代码。 第8章介绍了移植代码相对原来的C/Os-增加的函数和配置参数 第9章~第12章介绍了JPC2106/2105/2104几个重要功能部件的中间件,并分析了中 间件的原理。它们包括数据队列、串口驱动驱动、PC总线驱动和SP总线驱动。它们应当可 以直接在用户板中使用 第13章则介绍了剩余功能部件在使用μC/OSH的情况下如何编程。由于这些部件使 用非常灵活所以很难写出通用中间件。但读者可以通过这一章学会使用它们的方法。 参与本书写作策划及 EasyARM2104开发套件设计的工作主要人员有:陈明计、戚军、 黄绍斌、钟亦峰、岳筅巨、朱旻和李仕兵等,全书由周立功负责策划、审定和统稿 在此感谢美国 PHILIPS半导体公司的潘志强先生、PHPS亚太区经理华果先生 PHILIPS香港区的*润平李建业刘俊杰郭志锐和陈华程等先生以及 PHILIPS大陆区的 刘忠、杨俊等先生多年来的大力支持和帮助。如果没有他们长期以来对我们的支持,我们肯定 不能取得今大这样的成绩。 感谢北京航空航天大学出版社的大力支持,如果没有他们的帮助和努力,这本书不会这么 快出版 感谢“周立功单片机团队”所有成员孔年来亲密无间的合作和默歉无私的奉献,我之所以 有今天,完全是与他们共同努力的结果,我仅仅是“周立功公司”的代表而已。 由于本书的所有作者都是初次使用ARM,理解难免出现偏差。因此,本书在各个方面难 免有疏忽、不恰当甚至完全错误的地方,恳请各位同行指正 周立功 208年9月3H