物联网与嵌入式系统开发（第2版）.pdf

国家级特色专业（物联网工程）规划教材 物物联联网网与与嵌嵌入入式式系系统统开开发发 （第第 2 2 版版）刘连浩 编著 内 容 简 介 本书是依托中南大学国家级特色专业（物联网工程）的建设，结合国内嵌入式系统教学情况而编写的。本书主要介绍嵌入式系统开发，以 S3C2440A、STM32F74xx 为硬件，以 Keil Vision5.0 为开发工具，详细介绍了 ARM9、Cortex 的体系结构、硬件组成，指令系统和程序设计、存储器接口、I/O、中断、DMA、定时器、串行通信、嵌入式 Linux、C/OS-III 操作系统应用、LWIP 编程，最后给出了在物联网应用中常用的嵌入式系统开发实例。本书可以作为普通高校物联网工程及相关专业的嵌入式系统课程教材，也可供从事物联网和嵌入式开发的相关专业人士阅读。本教材配有教学课件、实验指导书、实验程序，读者可登录华信教育资源网（）免费注册后下载。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 物联网与嵌入式系统开发/刘连浩编著.2 版.北京：电子工业出版社，2017.1 国家级特色专业（物联网工程）规划教材 ISBN 978-7-121-30328-9 .物 .刘 .互联网络应用高等学校教材智能技术应用高等学校教材微型计算机系统开发高等学校教材 .TP393.4TP18TP360.21 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2016）第 271287 号 责任编辑：田宏峰 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：787980 1/16 印张：21.25 字数：476 千字 版 次：2012 年 9 月第 1 版 2017 年 1 月第 2 版 印 次：2017 年 1 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：49.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：。出版说明 物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业。2009 年 8 月，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。2010 年年初，教育部下发了高校设置物联网专业申报通知，截至目前，我国已经有 100多所高校开设了物联网工程专业，其中包括中南大学在内的 9 所高校的物联网工程专业于2011 年被批准为国家级特色专业建设点。从 2010 年起，部分学校的物联网工程专业已经开始招生，目前已经进入专业课程的学习阶段，因此物联网工程专业的专业课教材建设迫在眉睫。由于物联网所涉及的领域非常广泛，很多专业课涉及其他专业，但是原有的专业课的教材无法满足物联网工程专业的教学需求，又由于不同院校的物联网专业的特色有较大的差异，因此很有必要出版一套适用于不同院校的物联网专业的教材。为此，电子工业出版社依托国内高校物联网工程专业的建设情况，策划出版了“国家级特色专业（物联网工程）规划教材”，以满足国内高校物联网工程的专业课教学的需求。本套教材紧密结合物联网专业的教学大纲，以满足教学需求为目的，以充分体现物联网工程的专业特点为原则来进行编写。今后，我们将继续和国内高校物联网专业的一线教师合作，以完善我国物联网工程专业的专业课程教材的建设。电子工业出版社 教材编委会 编委会主任：施荣华 黄东军 编委会成员：（按姓氏字母拼音顺序排序）董 健 高建良 桂劲松 贺建飚 黄东军 刘连浩 刘少强 刘伟荣 鲁鸣鸣 施荣华 张士庚 第 2 版前言 本书自 2012 年 9 月第一次出版以来，受到了读者的广泛好评，很多高校的电子、自动化、计算机、物联网、通信、安全等相关专业嵌入式系统课程均选用该书作为教材，而且对该书提出了很多宝贵的意见和建议，在此深表感谢！自第一次出版以来，嵌入式技术在飞速发展，代表性的有 2014 年 ARM 公司推出Cortex-M7，Keil 公司 2013 年 9 月推出 Vision5.0 版本等。作者从 2013 年开始酝酿对第 1版的修订，历时 3 年，期间几易其稿。与第 1 版相比，第 2 版在内容上做了很大的修改和补充，增加了近几年嵌入式发展的最新成果，如 Cortex-M7、C/OS-III 等。在结构上，打破以往一本图书只讲述一种 CPU 的架构方法，改由按每个知识点发展的时间角度讲述。本书以 ARM9 和 ARM Cortex 为硬件进行各知识点的讲述，如中断的讲述，从 ARM9 的中断的原理，到 Cortex-M3/M4/M7 的中断原理；I/O 的讲解，ARM9 的 I/O 原理，Cortex-M4/M7 的 I/O 原理；定时器，ARM9 的定时器原理，Cortex 的定时器原理。通过这样的教学使学生了解嵌入式计算机的发展过程、每个知识点的完整原理和发展方向等。本书的实例程序以 ARM9 的 S3C2440A、Cortex-M4的 LPC4357、Cortex-M7 的 STM32F74xx 为例进行编写，提供 S3C2410、S3C244A 和STM32F74xx 的配套实验指导书和配套实验程序的电子文档。STM32F74xx 的实验指导书、实验程序由李祖赓编写。在本次修订工作中得到了中南大学信息科学与学院领导邹北冀、粟梅、施荣华的大力支持，在此一并表示感谢！刘连浩 2016 年 11 月 嵌入式系统是融合计算机软/硬件技术、半导体技术、电子技术和通信技术，与各行业的具体应用相结合后的产物。嵌入式 CPU 从 8 位、16 位发展到 32 位、64 位，嵌入式系统无处不在，已普遍应用于国防、电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通信、电力系统等国民经济的主要行业。在众多嵌入式处理器中，ARM 具有功能强、成本低、功耗少等特点。基于 ARM 技术的微处理器应用占 32 位 RISC 微处理器75%以上的市场份额。物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，通过各种有线网络和无线网络与互联网融合，综合应用了海量的传感器、智能处理终端、全球定位系统等，实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网引领了信息产业革命的第三次浪潮，将成为未来社会经济发展、社会进步和科技创新的最重要的基础设施，物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合。物联网的物联源头是嵌入式应用系统的 4 个通道接口（I/O 接口）：与物理参数相连的是前向通道的传感器接口；与物理对象相连的是后向通道的控制接口；实现人-物交互的是人机交互接口；实现物-物交互的是通信接口。物联网的实现需要用到嵌入式技术，嵌入式系统作为“物联网”的核心，是当前最热门最有前景的 IT 应用领域之一。因此，高校急需一本嵌入式与物联网方面的教材。本书以 ARM 为例，介绍嵌入式系统的基本原理和开发方法；以嵌入式 Linux 操作系统为例，介绍实时操作系统的基本功能、软件设计方法和嵌入式交叉编译环境的建立方法；以物联网中常用操作系统 TinyOS 和传感器网络编程 nesC 语言为例，介绍物联网的应用开发。全书分为 8 章。主要内容有：嵌入式系统概述，主要介绍嵌入式的概念、发展历史、应用领域、发展趋势、物联网与嵌入式系统；介绍 ARM 体系结构、存储结构和其他部件；介绍 ARM 指令系统、汇编语言程序设计和 C 语言程序设计方法；以 S3C2440 处理器为例介绍 ARM 处理器的硬件结构和接口编程；介绍嵌入式 Linux 操作系统的基础知识，包括进程管理、内存管理、设备管理、文件系统以及其他常用嵌入式操作系统；介绍嵌入式操作系统应用开发，包括创建虚拟机、交叉编译环境、Linux 常用命令和嵌入式 Linux 应用编程；介绍 Bootloader 和嵌入式 Linux 操作系统移植；介绍物联网中常用的操作系统 TinyOS 和传感器网络编程 nesC 语言。本书由刘连浩编著，王智超在本书的编写过程中做大量的工作。在本书的编写中得到了李刚、贺建飚、曾锋等老师的大力支持，在此特表示感谢！由于编者的水平有限，加之时间仓促，书中错误与不足之处在所难免，欢迎读者批评指正。由于作者水平有限，本书错误和疏漏之处在所难免，恳请读者提出宝贵意见和建议。联系邮箱：。作 者 2012 年 8 月 IX 目 录 第 1 章 概述（1）1.1 单片机概念及特点（1）1.2 单片机的发展及种类（1）1.2.1 单片机发展（1）1.2.2 嵌入式处理器种类（3）1.3 CISC 与 RISC（5）1.3.1 CISC 与 RISC 简介（5）1.3.2 流水线（6）1.4 ARM 处理器系列（6）1.4.1 ARM 版本（6）1.4.2 常用 ARM 系列简介（10）1.4.3 ARM v8（18）1.5 ARM 的软件开发工具（18）思考与习题（23）第 2 章 ARM 基础与指令系统（24）2.1 ARM 处理器基础（24）2.1.1 ARM 处理器特点（24）2.1.2 存储器大小端方式（24）2.1.3 ARM 处理器状态、ARM 处理器模式及 ARM 模式下寄存器（25）2.1.4 Thumb 状态下寄存器（28）2.2 ARM 寻址方式（29）2.2.1 指令格式（29）2.2.2 寻址方式（30）2.2.3 ARM 指令的条件执行（32）2.3 ARM 指令（33）2.3.1 ARM 常用指令（33）2.3.2 ARM v6/7 版专有指令（40）2.4 Thumb 指令（42）2.5 ARM 伪操作与伪指令（43）X 2.5.1 符号定义与变量赋值伪操作（43）2.5.2 数据定义伪操作（43）2.5.3 汇编控制伪操作（45）2.5.4 信息报告伪操作（47）2.5.5 指令集选择伪操作（47）2.5.6 杂项伪操作（47）2.5.7 ADR、ADRL、LDR 伪指令（48）2.5.8 NOP 伪指令（50）思考与习题（50）第 3 章 ARM 内存映射与存储器接口（52）3.1 ARM9 存储器接口（52）3.1.1 S3C2440A 存储器控制器（52）3.1.2 NAND Flash 控制器（53）3.2 Cortex-M4 存储器接口（59）3.2.1 Cortex-M4 结构与内存映射（59）3.2.2 多层 AHB 总线矩阵（60）3.2.3 Cortex-M4 外部存储器控制器（64）3.3 半导体存储器种类、NOR Flash 与 NAND Flash 存储器简介（66）思考与习题（68）第 4 章 ARM I/O 口、Cortex 事件路由及 GIMA（69）4.1 ARM I/O 端口原理（69）4.1.1 ARM9 的 I/O 端口（69）4.1.2 Cortex-M4 的系统控制单元 I/O 与 GPIO（71）4.1.3 Cortex-M7 GPIO（89）4.2 Cortex-M4 的事件路由器（99）4.3 LPC43XX全局输入多路复用器阵列 GIMA（101）思考与习题（103）第 5 章 ARM9、Cortex-M4/M7 中断、LCD、A/D 与触摸屏（105）5.1 ARM9 中断系统原理（105）5.2 Cortex-M4 NVIC 中断原理（114）5.2.1 中断原理（114）5.2.2 与中断有关的寄存器（117）5.3 Cortex-M7 NVIC 中断原理（120）5.4 LCD（131）5.4.1