原创 清华大学自动化系ARM培训教材

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前 言................................................................................................................................................1

第一章 嵌入式系统的硬件构成.....................................................................................................3

1.1. 嵌入式系统硬件...............................................................................................................3

<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1.1.1. 嵌入式处理器........................................................................................................3

1.1.1.1. 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) ......................3

1.1.1.2. 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)..........................................4

1.1.1.3. 嵌入式DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP).............4

1.1.1.4. 嵌入式片上系统(System On Chip)............................................................5

1.1.1.5. 嵌入式处理器的选择.................................................................................5

1.1.2. 存储器....................................................................................................................6

1.1.2.1. ROM.............................................................................................................7

1.1.2.2. RAM.............................................................................................................7

1.1.3. 输入输出设备........................................................................................................8

1.1.3.1. 液晶显示.....................................................................................................8

1.1.3.2. 触摸屏.........................................................................................................9

1.1.3.3. 语音输入输出技术...................................................................................10

1.1.3.4. 键盘...........................................................................................................11

1.1.4. 电源转换与管理..................................................................................................13

1.1.4.1. 电源IC 分类.............................................................................................13

1.1.4.2. 电源IC 的特点.........................................................................................14

1.1.4.3. 电源IC 选用指南.....................................................................................14

1.2. 嵌入式系统硬件开发相关技术.....................................................................................15

1.2.1. 接口技术..............................................................................................................15

1.2.1.1. 并行接口...................................................................................................16

1.2.1.2. 串口...........................................................................................................16

1.2.1.3. USB............................................................................................................17

1.2.1.4. PCMCIA 和CF..........................................................................................18

1.2.1.5. 红外线接口...............................................................................................19

1.2.2. 总线......................................................................................................................20

1.2.2.1. ISA .............................................................................................................20

1.2.2.2. PCI .............................................................................................................20

1.2.2.3. I2C总线.....................................................................................................21

1.2.2.4. SPI 总线.....................................................................................................21

1.2.2.5. PC104 总线................................................................................................22

1.2.2.6. CAN 总线..................................................................................................23

1.2.3. 嵌入式系统开发常用的硬件调试和编程技术..................................................24

1.2.3.1. 微代码支持的串口调试...........................................................................24

1.2.3.2. 编程技术...................................................................................................24

1.2.3.3. JATG 与IEEE1149 协议简介...................................................................25

1.2.4. 3.3V 和5V 装置的互连.......................................................................................26

1.3. 嵌入式系统开发示例——EZ 开发板...........................................................................27

1.3.1. 系统性能..............................................................................................................27

1.3.2. 系统硬件设计......................................................................................................28

1.3.2.1. CPU 与存储器模块...................................................................................28

- ii -

1.3.2.2. LCD 显示模块...........................................................................................28

1.3.2.3. 串口模块...................................................................................................29

1.3.2.4. 电源模块...................................................................................................29

1.3.2.5. 进入BOOTSTRAP 电路模块..................................................................30

1.3.3. TQFP 和LQFP 器件的焊接方法......................................................................30

1.3.4. 硬件调试..............................................................................................................31

第二章 操作系统...........................................................................................................................32

2.1. 基础知识.........................................................................................................................32

2.1.1. 操作系统功能......................................................................................................32

2.1.2. 操作系统发展史..................................................................................................32

2.1.3. Linux 与嵌入式Linux..........................................................................................33

2.2. 操作系统内核.................................................................................................................34

2.2.1. 内存管理..............................................................................................................34

2.2.1.1. 内存管理功能...........................................................................................34

2.2.1.2. 内存分割...................................................................................................34

2.2.1.3. 虚拟内存...................................................................................................35

2.2.1.4. Linux 的内存管理机制.............................................................................37

2.2.2. 进程与中断管理..................................................................................................40

2.2.2.1. 进程描述与控制.......................................................................................41

2.2.2.2. 并发控制：互斥与同步...........................................................................45

2.2.2.3. 并发控制：死锁处理...............................................................................52

2.2.2.4. 中断及中断处理.......................................................................................56

2.2.2.5. Linux 的进程与中断管理机制.................................................................58

2.2.3. 调度机制..............................................................................................................63

2.2.3.1. 调度类型...................................................................................................63

2.2.3.2. 单处理器调度...........................................................................................65

2.2.3.3. 多处理器调度...........................................................................................67

2.2.3.4. 实时调度...................................................................................................69

2.2.3.5. Linux 的调度机制.....................................................................................72

2.2.4. I/O 设备................................................................................................................74

2.2.4.1. I/O 设备描述参数......................................................................................74

2.2.4.2. I/O 技术的演变..........................................................................................74

2.2.4.3. I/O 设备逻辑描述......................................................................................75

2.2.4.4. I/O 缓冲技术.............................................................................................77

2.2.4.5. 磁盘调度...................................................................................................79

2.2.5. 文件管理..............................................................................................................82

2.2.5.1. 文件与文件系统.......................................................................................82

2.2.5.2. 文件组织与访问.......................................................................................83

2.2.5.3. 文件共享...................................................................................................86

2.2.5.4. 记录分块...................................................................................................86

2.2.5.5. 外围存储设备管理...................................................................................87

2.2.5.6. Linux 的文件系统管理.............................................................................88

2.3. 用户界面.........................................................................................................................89

2.3.1. 图形用户界面......................................................................................................90

- iii -

2.3.1.1. 基本知识...................................................................................................90

2.3.1.2. 关键技术...................................................................................................90

2.3.2. 智能化用户界面..................................................................................................92

2.3.2.1. Agent 技术.................................................................................................92

2.3.2.2. Agent 技术与用户界面的结合.................................................................95

2.3.3. Linux 下的用户界面............................................................................................96

2.3.3.1. X Window 简介.........................................................................................96

2.3.3.2. X 服务器....................................................................................................97

2.3.3.3. 窗口管理器...............................................................................................99

第三章 嵌入式Linux ..................................................................................................................100

3.1. 嵌入式Linux 内核.......................................................................................................100

3.1.1 嵌入式Linux 综述..............................................................................................100

3.1.2 uCLinux ...............................................................................................................100

3.1.2.1 uClinux 的内存管理.................................................................................101

3.1.2.2 uCLinux 内核结构....................................................................................101

3.1.2.3 内存保护..................................................................................................102

3.1.2.4 编程接口的改变......................................................................................102

3.1.2.5 uCLinux 的应用程序库............................................................................103

3.1.2.6 uCLinux 内核运行方式............................................................................104

3.1.2.7. uClinux 支持的文件系统........................................................................104

3.2. 嵌入式设备的文件系统...............................................................................................104

3.2.1. 闪存（Flash Memory）介绍............................................................................104

3.2.2. 第二版扩展文件系统Ext2fs（Extended 2 Filesystem） ................................104

3.2.3. 临时文件系统tmpfs（Temporary Filesystem） ..............................................105

3.2.4. 日志闪存文件系统版本 2－JFFS2（Journalling Flash Filesystem） ..106

3.2.4.1 概述...........................................................................................................106

3.2.4.2. JFFS 的设计原理：.................................................................................106

3.3 嵌入式用户界面............................................................................................................108

3.3.1. GUI 开发工具综述.............................................................................................108

3.3.1.1. Xfree86 4.X（带帧缓冲区支持的 X11R6.4）......................................108

3.3.1.2. Microwindows..........................................................................................109

3.3.1.3. FLTK........................................................................................................109

3.3.1.4. Qt/Embedded............................................................................................110

3.3.2 MicroWindows 剖析............................................................................................ 111

3.3.2.1. 分层设计................................................................................................. 111

3.3.2.2. 设备驱动层............................................................................................. 111

3.3.2.3. 设备无关的图形引擎层......................................................................... 111

3.3.2.4. API（基于Win32）................................................................................112

3.3.2.5. 消息传递机制.........................................................................................112

3.3.2.6. 窗口操作.................................................................................................112

3.3.2.7. 客户区域和绝对坐标.............................................................................113

3.3.2.8. 设备上下文.............................................................................................113

3.3.3. Microwindows 的移植和中文化........................................................................113

3.3.3.1. 针对uCLinux 所作的修改.....................................................................114

- iv -

3.3.3.2. 中文化处理.............................................................................................114

3.3.4. 应用实例－电子文本阅读器............................................................................115

3.3.4.1 功能要求以及方案选择：.......................................................................115

3.3.4.2 具体实现...................................................................................................115

第四章 交叉编译.........................................................................................................................117

4.1. 编译原理.......................................................................................................................117

4.1.1. 基础知识............................................................................................................117

4.1.1.1. 编译的一般过程.....................................................................................117

4.1.1.2. 与编译器相关的程序.............................................................................118

4.1.1.3. 编译器的移植.........................................................................................119

4.1.2. 词法分析............................................................................................................119

4.1.2.1. 词法的形式化描述.................................................................................119

4.1.2.2. 词法分析程序的设计.............................................................................122

4.1.3. 语法分析............................................................................................................123

4.1.3.1. 自顶向下的语法分析.............................................................................124

4.1.3.2. 自底向上的语法分析.............................................................................126

4.1.4. 中间代码............................................................................................................128

4.1.5. 代码优化............................................................................................................130

4.2. 交叉编译技术...............................................................................................................133

4.2.1. 交叉编译............................................................................................................133

4.2.2. GCC 交叉编译器................................................................................................134

4.2.2.1. GCC 编译流程.........................................................................................134

4.2.2.2. Linux 环境下的GCC 交叉编译器.........................................................137

第五章 嵌入式Linux 的软件开发环境..............................................142

第六章 设备驱动程序.................................................................................................................161

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