Arm®Mbed™与物联网技术入门详解

### Arm® Mbed™与物联网技术入门详解 #### 1. 嵌入式系统简介 嵌入式系统是一种小型计算机系统，是机器或大型电气/机械系统的一部分。它通常被设计用于执行特定的任务，并且常常是实时系统。之所以称为嵌入式，是因为计算机系统嵌入在硬件设备中。嵌入式系统非常重要，因为它们在许多日常电器中越来越多地被使用，如数字手表、相机、微波炉、洗衣机、锅炉、冰箱、智能电视和汽车等。嵌入式系统通常还需要体积小、成本低和功耗低。 一个典型的嵌入式系统包括微控制器、输入/输出和通信接口，其示意图如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([嵌入式系统]):::startend --> B(微控制器):::process A --> C(输入):::process A --> D(输出):::process A --> E(通信接口):::process ``` - **微控制器**：是嵌入式系统的核心，协调所有操作。它是一种带有内存和所有输入/输出外设的计算机处理器。 - **输入**：嵌入式系统通过输入和输出与外界交互。输入可以是数字输入或模拟输入，通常用于从传感器（温度传感器、光传感器、超声波传感器等）或其他类型的输入设备（按键、按钮等）读取数据。 - **输出**：可以是数字输出或模拟输出，通常用于显示、驱动电机或其他设备（执行器）。 - **通信接口**：嵌入式系统使用通信接口与其他设备进行通信，包括以太网、USB（通用串行总线）、CAN（控制器局域网）、红外、ZigBee、WiFi和蓝牙等。 #### 2. 微控制器与微处理器 现代嵌入式系统主要基于微控制器，尽管也有基于微处理器构建的嵌入式系统。典型的微控制器包含中央处理器（CPU）、中断、定时器/计数器、内存和其他外设，都集成在一个单一的集成电路（IC）中，是真正的片上计算机或片上系统（SoC）。 微控制器（MCU或μC）与微处理器（MPU）不同。微处理器是一个仅带有中央处理器（CPU）的单一IC，为了使其具有功能，需要添加外部内存和其他外设。以下是它们的主要区别： | 比较项 | 微处理器 | 微控制器 | | --- | --- | --- | | 组成 | 仅含CPU | 含CPU、内存和其他外设 | | 应用场景 | 个人计算机等通用系统 | 嵌入式系统控制应用 | | 计算能力 | 较高 | 较低 | | 时钟频率 | 通常为千兆赫兹 | 通常为兆赫兹 | | 功耗 | 较高，常需外部冷却系统 | 较低，无需冷却系统 | 微控制器的关键组件包括： - **CPU**：常被称为处理器或中央处理器，是微控制器的核心。它包含算术逻辑单元（ALU）、控制单元和寄存器。ALU执行算术和逻辑运算，寄存器为ALU提供操作数并存储ALU运算结果，控制单元控制整体操作并与ALU和寄存器通信。CPU的操作周期可描述为取指、解码和执行。CPU通过系统总线与外部外设（如内存和输入/输出）通信，系统总线包括数据总线、地址总线和控制总线。地址总线是单向的，从CPU到外设，而数据总线和控制总线是双向的。根据所实现的指令集，CPU可分为复杂指令集计算（CISC）和精简指令集计算（RISC）两种主要类型。 - **CISC CPU**：指令集非常大（300条以上），硬件更复杂，但软件代码更紧凑，每条指令需要更多周期，使用较少的RAM，因为无需存储中间结果。典型例子有AMD和Intel x86，主要用于个人计算机、工作站和服务器。 - **RISC CPU**：指令集小（100条以下），硬件更简单，但软件代码更复杂，每条指令需要一个周期，使用更多的RAM来处理中间结果。典型例子有Atmel AVR、PIC和ARM®，主要用于微控制器，因为它们功耗较低。 - **内存**：微控制器使用内存来存储程序和数据，有内部和外部两种类型。内部内存大小有限但速度快，对于内部内存不足的应用，需要外部内存。传统上，外部内存有随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。RAM可以随机访问，可进行读写操作，断电后会丢失所有内容；ROM是只读存储器，只能读取数据，断电后内容不会丢失，因此用于永久存储程序和数据。此外，还有新类型的内存，如电可擦除可编程ROM（EEPROM）和非易失性RAM（NVRAM），两者都可以读写，断电后内容不会丢失。闪存是NVRAM的最佳示例，它具有高密度、低成本、快速和电可编程的特点，广泛用于包含嵌入式操作系统和应用程序的嵌入式系统。 - **并行输入/输出端口**：有多个并行运行的导线（或引脚），因为可以同时访问多个信号，所以称为并行。主要用于将各种设备（如LCD、LED、打印机、存储器等）连接到微控制器。并行端口的数据传输速度比串行端口快得多，但由于干扰和噪声，仅适用于短距离通信。 - **串行输入/输出端口**：使用单根数据线传输数据，因此比并行输入/输出端口慢得多。然而，串行端口可以有更高的带宽，并且可以用于更长的距离。通用异步接收器/发送器（UART）外设是嵌入式系统中常用的串行输入/输出端口，它使用一根线接收数据（Rx）和一根线发送数据（Tx）。 - **定时器/计数器**：是微控制器的有用功能，一个微控制器可能有多个定时器和计数器，它们提供微控制器内部的所有定时和计数功能，包括时钟功能、调制、脉冲生成、频率测量和振荡。 - **模拟到数字转换器（ADC）**：将模拟信号转换为数字信号，主要用于读取传感器的电压输出。ADC可以是8位、10位、12位、16位、24位甚至32位，位数越高意味着转换分辨率越高。ADC的带宽（即它可以测量的频率范围）由其采样率或采样频率决定。根据奈奎斯特 - 香农采样定理，ADC可以测量的最高频率小于其采样率的一半。mbed板的典型ADC采样率约为几百千赫兹。 - **数字到模拟转换器（DAC）**：与ADC相反，将数字信号转换为模拟信号，通常用于控制模拟设备，如音频扬声器、直流电机和各种驱动器。 - **中断控制**：是微控制器应用中最重要和强大的功能之一，用于中断正在运行的程序。中断可以是硬件中断（外部，通过使用中断引脚激活）或软件中断（内部，通过在编程期间使用中断指令）。 - **复位**：是所有微控制器都具备的重要功能，可以确保微控制器回到其原始状态，这在出现问题时尤为重要。 - **看门狗**：或看门狗定时器，是嵌入式系统中常用的电子硬件，用于自动检测软件故障并复位处理器。看门狗定时器基本上从某个初始值倒计时到零，嵌入式软件选择计数器的初始值并定期重启它。如果计数器在软件重启之前达到零，则认为软件出现故障，处理器将被复位。 #### 3. ARM®处理器架构 ARM®（高级精简指令集机器）架构是一种基于精简指令集计算（RISC）的计算机处理器架构。它最初由英国剑桥的Acorn Computers公司在20世纪80年代开发，最初代表Arcon RISC Machine。第一批ARM处理器用于BBC微型计算机。20世纪80年代末，Acorn开始与苹果计算机和VLSI Technology合作。1990年，Acorn将设计团队分拆成一家新公司，名为Advanced RISC Machines（ARM®）Ltd，后来公司名称改为ARM® Holdings plc。1998年，ARM® Holdings plc在伦敦证券交易所和纳斯达克上市，1999年成为富时100指数的成分股。 自2007年在苹果的iPhone和iPad上使用以来，ARM®处理器越来越受欢迎。到目前为止，ARM®处理器广泛应用于智能手机、平板电脑和智能电视等设备。截至2014年，已生产了超过500亿个ARM®处理器。2016年7月，ARM® Holdings的年营业额约为10亿英镑，并同意以243亿英镑被日本软银公司收购，此次收购在很大程度上被视为对物联网（IoT）的投资，ARM®处理器有望在其中占据主导地位。 目前，ARM®处理器通常可分为三类： | 类别 | 特点 | 应用场景 | | --- | --- | --- | | 应用处理器（Cortex - A系列） | 最强大的处理器，针对更高性能进行优化，具有32位和64位，支持A32、T32和A64指令集，有虚拟内存系统，支持丰富的操作系统 | 手机、平板电脑和计算机等 | | 实时处理器（Cortex - R系列） | 针对更快的响应进行优化，32位，支持A32和T32指令集，有受保护的内存系统（可选虚拟内存） | 工业、家庭和汽车应用等 | | 微控制器处理器（Cortex - M系列） | 针对更小的尺寸和更低的功耗进行优化，32位，仅支持T32 / Thumb®指令集，有受保护的内存系统 | 嵌入式系统和物联网应用等 | 不同的Cortex - M微控制器也有不同的特点： | 性能分类 | 具体型号 | 特点 | | --- | --- | --- | | 最低功耗和面积 | Cortex - M23 | 最小面积、最低功耗下具备TrustZone | | | Cortex - M0+ | 最高能源效率 | | | Cortex - M0 | 最低成本、低功耗，可通过DesignStart免费进行设计和仿真 | | 性能效率 | Cortex - M33 | 具备TrustZone的灵活性、控制和数字信号处理（DSP） | | | Cortex - M4 | 主流控制和DSP | | | Cortex - M3 | 性能效率 | | 最高性能 | Cortex - M7 | 最大性能、控制和DSP | #### 4. Arm® Mbed™系统 Arm® Mbed™是一个基于32位ARM® Cortex - M微控制器的平台和操作系统，由ARM®及其技术合作伙伴共同开发，专为物联网（IoT）设备设计。它提供操作系统、云服务、工具和开发者生态系统，使物联网解决方案的创建和部署成为可能。 Arm® Mbed™系统的主要特点之一是其基于Web的开发环境。只需使用USB电缆将设备连接到计算机，设备将在计算机上显示为USB记忆棒。使用Arm® Mbed™在线编译器编写和编译软件代码，将编译后的代码下载到设备中，然后按下板载复位按钮即可运行！ Arm® Mbed™为开发物联网和嵌入式设备提供了所需的一切，它完全支持超过100个mbed兼容板和400多个组件，还拥有用于编写、构建和测试应用程序的工具，以及用于与设备通信的服务器和客户端工具。 对于有经验的嵌入式开发人员，mbed微控制器提供了一个强大而高效的平台来构建概念验证；对于刚接触32位微控制器的开发人员，mbed提供了一个易于使用的原型解决方案，借助mbed社区共享的库、资源和支持来开展项目。 以下是一些值得一提的开发板： - **NXP LPC1768**：这是最受欢迎的开发板之一，基于NXP LPC1768微控制器，具有32位ARM® Cortex - M3内核，运行频率为96 MHz。它有512 KB闪存、32 KB RAM和许多接口，包括内置以太网、USB主机和设备、CAN、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM和其他I/O接口，其中12位ADC特别有用。 - **特点**： - **NXP LPC1768 MCU**：高性能ARM® Cortex™ - M3核心，96 MHz，32 KB RAM，512 KB闪存，具备以太网、USB主机/设备、2×SPI、2×I2C、3×UART、CAN、6×PWM、6×ADC（12位）、GPIO等接口。 - **原型设计外形**：40引脚0.1英寸间距DIP封装，54×26mm，5V USB或4.5 - 9V电源，内置USB拖放式闪存编程器。 - **mbed.org开发者网站**：轻量级在线编译器，高级C/C++ SDK，有已发布的库和项目的手册。 - **配套mbed应用板特点**：128×32图形LCD，5向操纵杆，2个电位器，3.5mm音频插孔（模拟输出），扬声器（PWM连接），3轴±1.5g加速度计，3.5mm音频插孔（模拟输入），2个伺服电机接口，RGB LED（PWM连接），USB - mini - B连接器，温度传感器，Xbee（Zigbee）或RN - XV（WiFi）插槽，RJ45以太网连接器，USB - A连接器，1.3mm直流插孔输入。 - **NXP LPC11U24**：这是另一个有趣的开发板，基于NXP LPC11U24，具有32位ARM® Cortex - M0内核，运行频率为48 MHz。它包括32 KB闪存、8 KB RAM和许多接口，包括USB设备、SPI、I2C、ADC和其他I/O接口。与NXP LPC1768不同，NXP LPC11U24速度较慢、功能较弱，但功耗更低、成本更低，因此主要设计用于低成本USB设备和电池供电的应用。 - **特点**： - **NXP LPC11U24 MCU**：低功耗ARM® Cortex™ - M0核心。 ### Arm® Mbed™与物联网技术入门详解 #### 5. 开发板对比与选择建议 为了更清晰地对比NXP LPC1768和NXP LPC11U24这两款开发板，我们将它们的关键参数整理成如下表格： | 开发板型号 | 内核 | 运行频率 | 闪存 | RAM | 主要接口 | 适用场景 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | NXP LPC1768 | ARM® Cortex - M3 | 96 MHz | 512 KB | 32 KB | 以太网、USB主机和设备、CAN、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM等 | 对性能要求较高、功能需求丰富的项目，如工业控制、智能家电等 | | NXP LPC11U24 | ARM® Cortex - M0 | 48 MHz | 32 KB | 8 KB | USB设备、SPI、I2C、ADC等 | 对成本和功耗敏感的项目，如低成本USB设备、电池供电的传感器节点等 | 在选择开发板时，可以参考以下流程图： ```mermaid graph TD classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([开始选择开发板]):::startend --> B{对性能要求高吗?}:::process B -->|是| C(NXP LPC1768):::process B -->|否| D{对成本和功耗敏感吗?}:::process D -->|是| E(NXP LPC11U24):::process D -->|否| F(根据其他需求选择):::process ``` #### 6. 基于Arm® Mbed™的开发流程 使用Arm® Mbed™进行开发，一般可以遵循以下步骤： 1. **准备开发环境** - 确保计算机已安装必要的驱动程序，以便识别通过USB连接的开发板。 - 访问Arm® Mbed™在线编译器网站，注册并登录账号。 2. **选择开发板** - 在Arm® Mbed™在线编译器中，选择你所使用的开发板，如NXP LPC1768或NXP LPC11U24。 3. **创建项目** - 在在线编译器中，点击创建新项目的按钮，为项目命名并选择合适的模板。 4. **编写代码** - 使用C/C++语言编写代码，利用Arm® Mbed™提供的库和API实现所需功能。例如，读取传感器数据、控制输出设备等。 5. **编译代码** - 点击在线编译器中的编译按钮，对代码进行编译。如果代码存在错误，编译器会提示错误信息，需要根据提示进行修改。 6. **下载代码** - 编译成功后，将生成的二进制文件下载到开发板中。可以通过USB将开发板连接到计算机，然后将二进制文件复制到开发板对应的USB存储位置。 7. **运行程序** - 按下开发板上的复位按钮，程序将开始运行。可以通过串口通信、调试器等工具观察程序的运行状态和输出结果。 #### 7. 应用案例分析 以下是两个基于Arm® Mbed™开发板的应用案例： - **智能温湿度监测系统** - **硬件选择**：可以选择NXP LPC1768开发板，搭配温湿度传感器。 - **实现步骤** 1. 使用ADC接口读取温湿度传感器的模拟输出信号。 2. 将模拟信号转换为数字信号，并进行数据处理，计算出实际的温湿度值。 3. 通过LCD显示屏显示温湿度数据。 4. 可以通过以太网或WiFi接口将数据上传到云服务器，实现远程监控。 - **电池供电的无线传感器节点** - **硬件选择**：选择NXP LPC11U24开发板，搭配低功耗的无线模块（如ZigBee）和传感器。 - **实现步骤** 1. 使用低功耗的传感器采集环境数据，如光照强度、土壤湿度等。 2. 通过SPI或I2C接口将传感器数据传输到开发板。 3. 开发板对数据进行处理和打包。 4. 使用无线模块将数据发送到网关或基站，实现数据的远程传输。 #### 8. 总结 通过对嵌入式系统、微控制器、ARM®处理器架构以及Arm® Mbed™系统的介绍，我们了解了物联网开发的基础知识和关键技术。Arm® Mbed™为物联网和嵌入式设备的开发提供了便捷的平台和丰富的资源，无论是有经验的开发者还是初学者，都可以利用它快速实现项目的开发和验证。 在选择开发板时，需要根据项目的需求综合考虑性能、成本、功耗等因素。同时，遵循基于Arm® Mbed™的开发流程，可以高效地完成代码的编写、编译和调试。通过实际的应用案例分析，我们可以看到这些技术在实际项目中的应用方式和实现步骤。 希望这些内容能够帮助你更好地理解和应用相关技术，开启物联网开发的新征程。