嵌入式系统原理及接口技术

第2版前言Foreword本书自2011年发行第1版以来，9年共印制9次，被国内许多高校使用。从出版社反馈给作者的信息看，使用该教材的高校师生对本书的内容和质量评价较高。
2014年，清华大学出版社在《计算机专业教育教学服务方案及推荐教材》电子版和纸质版中，将本书列为出版社推荐教材，面向全国推广。
一、 本次修订内容
本次修订可以分为两部分。
1. 对第1版教材的修订
包括对全书文字进行了多处修改；第1章增加了对近年来新面市的嵌入式处理器和新版本的操作系统的概述；第5章和第6章各增加了两处程序示例；6.1节、10.1节和12.1节概述部分做了较大的改动。
2. 增加了与第2版教材配套的电子教学资源
读者可以免费向出版社索取推荐的教学大纲、教案（PPT）、习题答案等。
二、 推荐的配套教材或辅助教材
由于各教学单位的实验设备不尽相同，因此推荐以下4种教材作为配套教材或辅助教材，供选择使用。
《嵌入式系统实践教程》（书号： 9787302312253）可以作为使用S3C2410实验设备的实验、操作教材，与本教材配套使用。
《Linux环境嵌入式系统开发基础》（书号： 9787302391159）可以作为使用S3C2410实验设备的编程教材，与本教材配套使用。
《基于ARM的嵌入式系统原理及应用》（书号： 9787302453611）可以作为使用S3C2440实验设备的辅助教材；该教材增加了对USB控制器、CAMERA接口、AC97控制器的描述。◆嵌入式系统原理及接口技术(第2版)《基于ARM7TDMI的S3C44B0X嵌入式微处理器技术》（书号： 9787302193234）可以作为使用S3C44B0X实验设备的辅助教材。
以上4种教材均由清华大学出版社出版，刘彦文编著或主编。
在本书第2版即将出版之际，作者在此感谢出版社袁勤勇主任等编辑，感谢他们在编辑本书时所付出的辛勤劳动；感谢李惠林女士，感谢她在书稿录入、资料核对、打印稿校对等过程中的细致工作；感谢使用第1版教材的广大读者。

刘彦文2020年5月

第1版

前言Foreword

在嵌入式系统教学过程中，目前使用较多的教学实验开发平台是基于S3C2410A嵌入式微处理器的。由于不同的应用产品使用的微处理器不同，硬件连接电路也不相同，因此只能选择一款具体的微处理器，通过讲述芯片内部各功能模块的组成和原理，芯片引脚信号的含义以及芯片与片外设备、接口、驱动电路的连接方法，讲述嵌入式系统原理和接口技术。
本书选择了内核为ARM920T的S3C2410A嵌入式微处理器，系统地介绍S3C2410A芯片内部主要功能模块的组成和原理，介绍该芯片片外接口技术和一些常用电路的连接实例。
本书主要内容分为以下5部分：
第1章对嵌入式系统做了一般性介绍，并对ARM系列处理器核做了简单介绍；
第2章介绍S3C2410A微处理器组成及程序员模型；
第3章和第4章讲述指令系统和汇编语言；
第5章介绍存储器控制器、Nand Flash控制器以及存储器和Nand Flash存储器组成实例；
第6～12章分别介绍S3C2410A芯片内部主要功能模块组成、原理及片外接口技术，包括时钟与电源管理，DMA与总线优先权，I/O端口及中断控制器，PWM定时器、RTC及看门狗定时器，UART及IIC、IIS、SPI总线接口，ADC与触摸屏接口，LCD控制器，MMC/SD/SDIO主控制器。
本书在内容的选择上，偏重于开发应用，实现一个具体的嵌入式系统的硬件技术。书中给出了大量的图、表、例和程序，以便于读者学习和理解。
建议在讲授计算机组成原理或微机原理后开设本课程，本课程的实验可以根据各学校具体嵌入式硬件平台的配备情况自行安排。
感谢我所在的计算机学院领导，2002年决定在本科生和研究生中开设嵌入式系统方面的课程，并想方设法先后引进了多台教学实验设备；感谢他们在本书编写过程中给予的支持。
特别要感谢李惠林女士，在稿件交付出版社前，对全部内容进行了录入、排版和核对；在统稿过程中提出了许多建议和修改意见。
由于编者水平有限，书中的错误和不当之处在所难免，敬请专家和读者批评指正。

从使用嵌入式微处理器芯片的角度出发，系统全面地描述了基于ARM核的S3C2410A微处理器芯片内部组成；片内各控制器、接口、设备组成及工作原理；片外配套芯片、设备的接口技术。 书中详细描述了系统程序员能够看到的微处理器组成及程序员模型；ARM指令系统；汇编语言特性及编程基础。 书中有大量的图、表、例、程序和习题，便于读者学习。 本书适用于计算机、电子、自动化等专业的本科生、研究生作为教材或参考教材，以及准备从事或正在从事嵌入式硬件产品设计开发、系统软件开发及应用程序开发的研发人员作为参考书使用。

从使用嵌入式微处理器芯片的角度出发，系统全面地描述了基于ARM核的S3C2410A微处理器芯片内部组成；片内各控制器、接口、设备组成及工作原理；片外配套芯片、设备的接口技术。 书中详细描述了系统程序员能够看到的微处理器组成及程序员模型；ARM指令系统；汇编语言特性及编程基础。 书中有大量的图、表、例、程序和习题，便于读者学习。 本书适用于计算机、电子、自动化等专业的本科生、研究生作为教材或参考教材，以及准备从事或正在从事嵌入式硬件产品设计开发、系统软件开发及应用程序开发的研发人员作为参考书使用。

刘彦文，内蒙古大学二级教授，多次获内蒙古自治区科技进步奖，享受国务院政府特殊津贴。
1978年清华大学计算机专业毕业。
多年为本科生、研究生讲授嵌入式系统、汇编语言、微型计算机技术、单片机等课程。

第1章嵌入式系统概述及ARM系列微处理器简介1
1.1嵌入式系统简介1
1.1.1嵌入式系统定义1
1.1.2嵌入式系统发展历程2
1.1.3嵌入式系统应用举例3
1.1.4嵌入式系统特点3
1.2嵌入式系统组成5
1.2.1嵌入式系统硬件组成举例5
1.2.2嵌入式系统软件组成简介5
1.3嵌入式微处理器6
1.3.1嵌入式微处理器分类6
1.3.2主流嵌入式微处理器介绍8
1.4嵌入式操作系统简介11
1.4.1嵌入式操作系统主要特点11
1.4.2主流嵌入式操作系统简介12
1.5ARM系列嵌入式微处理器简介15
1.5.1ARM系列处理器核的命名规则与性能16
1.5.2ARM指令集结构版本和变异19
1.6本章小结22
1.7习题22
第2章S3C2410A微处理器组成及程序员模型24
2.1S3C2410A微处理器概述24
2.2S3C2410A微处理器组成与引脚信号25
2.2.1S3C2410A微处理器组成25
2.2.2S3C2410A芯片封装、引脚编号与引脚信号名29
2.2.3S3C2410A特殊功能寄存器简介33◆嵌入式系统原理及接口技术(第2版)目录2.3ARM920T核33
2.3.1ARM920T简介33
2.3.2ARM920T指令系统特点34
2.3.3ARM920T功能模块35
2.4ARM920T的程序员模型36
2.4.1处理器操作状态37
2.4.2存储器格式和数据类型37
2.4.3处理器操作方式39
2.4.4寄存器39
2.4.5程序状态寄存器42
2.4.6异常44
2.4.7中断延迟48
2.4.8复位49
2.5本章小结49
2.6习题49
第3章ARM920T指令系统51
3.1ARM指令集概述51
3.1.1ARM指令集概述51
3.1.2ARM指令集全部指令编码及条件域简介53
3.2ARM指令55
3.2.1分支并且转换状态指令（BX）55
3.2.2分支、分支并且连接指令（B、BL）56
3.2.3数据处理指令57
3.2.4程序状态寄存器传送指令（MRS、MSR）68
3.2.5乘、乘累加指令（MUL、MLA）71
3.2.6长乘、长乘累加指令（MULL、MLAL）72
3.2.7单个数据传送指令（LDR、STR）74
3.2.8半字、带符号字节/半字传送指令（LDRH、STRH、
LDRSB、LDRSH）77
3.2.9块数据传送指令（LDM、STM）81
3.2.10单个数据交换指令（SWP）86
3.2.11软件中断指令（SWI）87
3.2.12协处理器介绍89
3.2.13协处理器数据操作指令（CDP）90
3.2.14协处理器数据传送指令（LDC、STC）90
3.2.15协处理器寄存器传送指令（MRC、MCR）93
3.2.16未定义指令94
3.3本章小结94
3.4习题94
第4章ARM汇编语言特性与编程基础99
4.1ARM汇编语言特性99
4.1.1行格式、预定义名和内建变量99
4.1.2ARM伪指令与Thumb伪指令101
4.1.3符号（symbols）与指示符（directives）105
4.1.4与代码有关的指示符109
4.1.5与数据定义有关的指示符112
4.1.6符号定义指示符119
4.1.7汇编控制指示符    126
4.1.8报告指示符130
4.1.9表达式和操作符131
4.2ARM汇编语言编程基础134
4.2.1汇编语言和汇编器134
4.2.2调用子程序135
4.2.3条件执行135
4.2.4装入常数到寄存器136
4.2.5装入地址到寄存器140
4.2.6装入和存储多个寄存器指令144
4.2.7多路分支146
4.3本章小结146
4.4习题146
第5章存储器控制器及Nand Flash控制器150
5.1存储器控制器150
5.1.1S3C2410A与存储器相关的特性150
5.1.2与存储器芯片连接的S3C2410A引脚信号及使用152
5.1.3存储器总线周期举例158
5.1.4存储器控制器特殊功能寄存器162
5.2存储器组成举例、初始化设置程序举例167
5.2.1使用Nor Flash芯片作为引导ROM168
5.2.2使用SDRAM芯片举例172
5.2.3存储器控制器初始化设置程序举例182
5.3Nand Flash芯片工作原理185
5.3.1两种引导模式185
5.3.2Nand Flash概述185
5.3.3K9F2808U0C Nand Flash芯片工作原理186
5.4Nand Flash控制器及程序举例191
5.4.1Nand Flash控制器191
5.4.2Nand Flash控制器特殊功能寄存器194
5.4.3Nand Flash控制器与Nand Flash芯片连接举例195
5.4.4读Nand Flash程序举例195
5.5本章小结196
5.6习题197
第6章时钟与电源管理、DMA与总线优先权199
6.1功耗管理、时钟与电源管理概述199
6.1.1CMOS电路的功耗与功耗管理基础199
6.1.2S3C2410A时钟与电源管理、功耗管理概述200
6.1.3时钟与电源管理用到的S3C2410A引脚信号202
6.2时钟发生器202
6.2.1时钟发生器模块图202
6.2.2时钟源的选择203
6.2.3锁相环204
6.2.4时钟控制逻辑205
6.3电源管理207
6.3.1电源管理模式的转换207
6.3.24种电源管理模式208
6.3.3S3C2410A电源引脚212
6.4时钟与电源管理特殊功能寄存器及初始设置程序举例212
6.4.1时钟与电源管理特殊功能寄存器212
6.4.2初始设置程序举例215
6.5DMA217
6.5.1DMA概述217
6.5.2存储器到外设DMA传输举例217
6.5.3DMA用到的S3C2410A引脚信号219
6.6DMA操作220
6.6.1硬件DMA请求与软件DMA请求220
6.6.2用于DMA操作的有限状态机220
6.6.3外部DMA请求/响应协议221
6.6.4Unit/Burst传输、数据尺寸与自动重装223
6.6.5外部DMA请求/响应协议传输举例224
6.7DMA特殊功能寄存器及测试程序举例225
6.7.1DMA特殊功能寄存器225
6.7.2存储器到存储器DMA传输测试程序举例230
6.8总线优先权233
6.9本章小结234
6.10习题234
第7章I/O端口及中断控制器237
7.1I/O端口237
7.1.1I/O端口概述237
7.1.2与I/O端口及其他寄存器相关的S3C2410A引脚信号238
7.2I/O端口控制239
7.3I/O端口特殊功能寄存器240
7.3.1端口A～端口H寄存器组240
7.3.2其他寄存器248
7.4I/O端口程序举例255
7.5中断控制器概述258
7.6中断控制器操作、中断源及中断优先权259
7.6.1中断控制器操作259
7.6.2中断源260
7.6.3中断优先权产生模块261
7.7中断控制器特殊功能寄存器262
7.8中断程序举例269
7.9本章小结276
7.10习题276
第8章PWM定时器、实时时钟及看门狗定时器279
8.1PWM定时器279
8.1.1PWM定时器概述279
8.1.2PWM定时器操作281
8.1.3PWM定时器特殊功能寄存器287
8.1.4PWM定时器应用举例289
8.2实时时钟291
8.2.1RTC概述291
8.2.2RTC组成与操作291
8.2.3RTC特殊功能寄存器293
8.2.4RTC程序举例297
8.3看门狗定时器298
8.3.1看门狗定时器概述298
8.3.2看门狗定时器操作299
8.3.3看门狗定时器特殊功能寄存器300
8.3.4看门狗定时器程序举例302
8.4本章小结305
8.5习题305
第9章UART及IIC、IIS、SPI总线接口307
9.1UART307
9.1.1UART概述307
9.1.2UART操作309
9.1.3UART特殊功能寄存器314
9.1.4UART与RS232C接口连接举例320
9.1.5UART与红外收发器连接举例324
9.2IIC总线接口327
9.2.1IIC总线接口概述327
9.2.2IIC总线接口组成与操作方式中的功能关系329
9.2.3IIC总线接口4种操作方式332
9.2.4IIC总线接口特殊功能寄存器335
9.2.5IIC总线接口程序举例337
9.3IIS总线接口341
9.3.1IIS总线接口概述341
9.3.2IIS总线接口组成和发送/接收方式343
9.3.3音频串行接口数据格式344
9.3.4IIS总线接口特殊功能寄存器346
9.3.5IIS总线接口程序举例349
9.4SPI总线接口351
9.4.1SPI总线接口概述351
9.4.2SPI总线接口组成和操作353
9.4.3SPI传输格式与DMA方式发送/接收步骤355
9.4.4SPI总线接口特殊功能寄存器357
9.4.5SPI总线接口程序举例360
9.5本章小结361
9.6习题362
第10章LCD控制器364
10.1LCD控制器概述364
10.1.1液晶显示基础知识364
10.1.2S3C2410A LCD控制器概述369
10.1.3S3C2410A LCD控制器特点370
10.1.4S3C2410A LCD控制器外部接口信号370
10.1.5S3C2410A LCD控制器组成371
10.2LCD控制器操作（STN）372
10.2.1定时产生器（STN）372
10.2.2视频操作（STN）373
10.2.3抖动和FRC（STN）375
10.2.4显示类型（STN）375
10.2.5存储器数据格式（STN，BSWP=0）377
10.2.6定时请求（STN）379
10.3LCD控制器操作（TFT）380
10.3.1定时产生器（TFT）380
10.3.2视频操作与存储器数据格式（TFT）380
10.3.3256色调色板使用（TFT）384
10.3.416BPP显示类型不使用调色板数据格式（TFT）385
10.3.5TFT LCD时序举例386
10.4虚拟显示与LCD电源允许（STN/TFT）386
10.4.1虚拟显示（STN/TFT）386
10.4.2LCD电源允许（STN/TFT）388
10.5LCD控制器特殊功能寄存器388
10.5.1LCD控制器特殊功能寄存器388
10.5.2特殊功能寄存器设置举例（STN）396
10.6LCD控制器初始化程序举例（STN）397
10.7本章小结400
10.8习题400
第11章ADC与触摸屏接口402
11.1ADC与触摸屏接口基础知识402
11.1.1ADC基础知识402
11.1.2四线电阻式触摸屏接口基础知识403
11.2S3C2410A ADC与触摸屏接口概述405
11.2.1概述405
11.2.2主要特点405
11.2.3ADC与触摸屏接口用到的S3C2410A引脚信号405
11.3ADC与触摸屏接口操作406
11.3.1功能框图406
11.3.2触摸屏应用举例406
11.3.3功能描述407
11.4ADC与触摸屏接口特殊功能寄存器409
11.5ADC与触摸屏接口程序举例411
11.5.1ADC程序举例411
11.5.2ADC与触摸屏接口程序举例413
11.6本章小结415
11.7习题415
第12章MMC/SD/SDIO主控制器417
12.1MMC/SD/SDIO基础知识417
12.1.1MMC/SD/SDIO卡概述417
12.1.2MMC/SD/SDIO主控制器组成421
12.1.3MMC/SD总线协议422
12.1.4MMC/SD卡初始化及数据传输426
12.2S3C2410A MMC/SD/SDIO主控制器427
12.2.1MMC/SD/SDIO主控制器概述427
12.2.2主控制器组成与SDI操作428
12.2.3SDI特殊功能寄存器429
12.3MMC/SD/SDIO主控制器程序举例436
12.3.1命令填充与命令发送程序举例436
12.3.2MMC/SD主控制器及卡初始化程序举例437
12.3.3MMC/SD卡写入数据程序举例439
12.4本章小结442
12.5习题442
附录AS3C2410A引脚信号名与对应功能描述汇总表443
附录B英汉名词术语对照汇总表448
参考文献454

从使用嵌入式微处理器芯片的角度出发，系统全面地描述了基于ARM核的S3C2410A微处理器芯片内部组成；片内各控制器、接口、设备组成及工作原理；片外配套芯片、设备的接口技术。 书中详细描述了系统程序员能够看到的微处理器组成及程序员模型；ARM指令系统；汇编语言特性及编程基础。 书中有大量的图、表、例、程序和习题，便于读者学习。 本书适用于计算机、电子、自动化等专业的本科生、研究生作为教材或参考教材，以及准备从事或正在从事嵌入式硬件产品设计开发、系统软件开发及应用程序开发的研发人员作为参考书使用。

刘彦文，内蒙古大学二级教授，多次获内蒙古自治区科技进步奖，享受国务院政府特殊津贴。
1978年清华大学计算机专业毕业。
多年为本科生、研究生讲授嵌入式系统、汇编语言、微型计算机技术、单片机等课程。