嵌入式系統(tǒng)教程--基于Tiva C系列ARM Cortex-M4微控制器
　　目前,很多高校都開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)的課程，有的學(xué)校還有嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的討論也隨之而來(lái)。其實(shí)，嵌入式系統(tǒng)這個(gè)概念很大，計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的每個(gè)方面，幾乎都可以找到與嵌入式系統(tǒng)有特殊關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，如微處理器架構(gòu)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化、算法與控制、接口與通信、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用技術(shù)等。因此，完整的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)該是一個(gè)課程體系，包括一系列的課程。對(duì)于普通院校的一門(mén)“嵌入式系統(tǒng)”類(lèi)課程，則不必拘泥（或統(tǒng)一）于某一特定的內(nèi)容，完全可以根據(jù)各自學(xué)校、專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，選定教學(xué)內(nèi)容。為此，我們也查閱了美國(guó)一些高校（如哥倫比亞大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、密西根大學(xué)等）的“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容，各高校類(lèi)似名稱的課程，其教學(xué)內(nèi)容也相差很多，有的偏重于系統(tǒng)建模，有的偏重于控制和應(yīng)用。總體而言，偏重于應(yīng)用、控制方面的，選用微控制器（MCU）教學(xué)的較為普遍。在國(guó)內(nèi)高校，除了專(zhuān)門(mén)設(shè)立嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)外，有條件的還可以開(kāi)設(shè)一系列嵌入式系統(tǒng)課程。對(duì)于一般的學(xué)校，涉及嵌入式系統(tǒng)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的，可能也就是1～2門(mén)課。對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)而言，大多是原來(lái)“微機(jī)原理與接口”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這類(lèi)課程教學(xué)內(nèi)容的更新。我們?nèi)A東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)系也是如此。目前，“嵌入式系統(tǒng)“這門(mén)課，就是原來(lái)“微機(jī)原理與接口”的改進(jìn)版，希望把原來(lái)基于x86系統(tǒng)的內(nèi)容（包括825x系列接口芯片），改為基于ARM MCU的內(nèi)容�？紤]到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)軟件課程（包括操作系統(tǒng)）已經(jīng)很多，所以我們這門(mén)課的教學(xué)內(nèi)容更多定位于MCU及其各種外設(shè)的原理與應(yīng)用。隨著MCU的應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)其綜合性能、功能的要求也越來(lái)越高。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代的到來(lái)，新的應(yīng)用出現(xiàn)了一些新的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1） 以電池供電的應(yīng)用越來(lái)越多，而且由于產(chǎn)品體積的限制，很多是用小型電池供電,要求系統(tǒng)功耗盡可能低、電源管理功能完善，如智能儀表、玩具等。（2） 應(yīng)用的復(fù)雜性，對(duì)處理器的功能和性能要求也不斷提高，既要外設(shè)豐富，功能靈活，又要有一定的運(yùn)算能力，能處理一些實(shí)時(shí)算法和協(xié)議，如基于ZigBee、WiFi的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品。（3） 產(chǎn)品更新速度快，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，希望開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單、廉價(jià)，功能完善。特別是開(kāi)發(fā)環(huán)境、工具要有延續(xù)性，便于代碼移植，同時(shí)有豐富的軟件庫(kù)支持。基于ARM Cortex-M處理器的各種MCU，很好地滿足了現(xiàn)代MCU應(yīng)用的上述需求，也符合嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最佳選擇。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)是注重實(shí)踐的�？紤]到目前MCU開(kāi)發(fā)工具已經(jīng)非常成熟、廉價(jià)，而且學(xué)生基本都有自己的PC或筆記本電腦，為了讓學(xué)生有盡可能多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，做盡可能多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，希望每個(gè)學(xué)生都有一個(gè)小巧的MCU實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在學(xué)生任何方便的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，擺脫到固定實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的束縛，于是提出了“口袋實(shí)驗(yàn)室”的設(shè)想。該設(shè)想得到了德州儀器（TI）大學(xué)計(jì)劃的大力支持，為此我們編寫(xiě)了教材、教案，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了配套的“口袋實(shí)驗(yàn)板”（DY-Tiva-PB）及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)例程，構(gòu)成了一套較為完整的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)�？紤]到教學(xué)內(nèi)容的完整性、學(xué)生基礎(chǔ)的差異性，以及便于學(xué)習(xí)參考，本書(shū)的第7～9章還補(bǔ)充了嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法、嵌入式C語(yǔ)言基礎(chǔ)、軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境以及低功耗設(shè)計(jì)和電磁兼容性方面的基礎(chǔ)知識(shí)。配套的口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了美國(guó)德州儀器（TI）的新一代Tiva C系列MCU TM4C123x，它率先采用65 nm閃存工藝技術(shù)制造,基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，為實(shí)現(xiàn)更高速、更大容量、更低功耗的MCU奠定了發(fā)展空間。Tiva C系列的軟件開(kāi)發(fā)建立在通用軟件庫(kù)基礎(chǔ)之上，有助于簡(jiǎn)化在未來(lái)Tiva ARM MCU中的軟件移植，以充分滿足各種互聯(lián)應(yīng)用需求。華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾與多家全球著名的半導(dǎo)體廠商（如TI、Atmel、ST等）合作，在MCU應(yīng)用開(kāi)發(fā)、推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本書(shū)內(nèi)容也是結(jié)合了我們多年“微機(jī)原理與接口”、“嵌入式系統(tǒng)引論”等課程教學(xué)及MCU應(yīng)用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)了一屆學(xué)生的試用。為了讓廣大讀者更快地學(xué)好、用好Tiva C系列MCU，除了編著出版此書(shū)，我們還編著了更貼近實(shí)際應(yīng)用的《Tiva C系列ARM Cortex-M4微控制器實(shí)戰(zhàn)演練》一書(shū)，其中包含了大量具體的實(shí)驗(yàn)例程，敬請(qǐng)關(guān)注。前言
　　參與本書(shū)編寫(xiě)和資料整理、硬件設(shè)計(jì)和代碼驗(yàn)證等工作的，還有華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)系彭曉晶、候立陽(yáng)、賀佳杰、王昕、林曉祥、胡旭、李凱、郝立平等。在本書(shū)統(tǒng)稿過(guò)程中，得到了TI大學(xué)計(jì)劃經(jīng)理沈潔、黃爭(zhēng)、崔萌，上海德研電子科技有限公司陳宮、姜哲的大力支持，在此向他們表示衷心的感謝!由于時(shí)間倉(cāng)促和水平所限，本書(shū)有些內(nèi)容還不盡完善，錯(cuò)誤之處也在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正，以便我們及時(shí)修正。有關(guān)此書(shū)的信息和配套資源，會(huì)及時(shí)發(fā)布在網(wǎng)站上。
　　沈建華
　　2015年1月于華東師范大學(xué)