嵌入式系统----原理与应用技术考点

嵌入式系统概论

嵌入式系统的定义：

以应用为中心
以计算机技术为基础
软/硬件可裁剪
满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求

与通用计算机相比，嵌入式系统具有一下重要特征：

通常是面向特定应用的
软硬件都必须高效率的设计，满足功耗、可靠性、功能的要求
实时操作系统支持
嵌入式系统的与具体应用有机结合在一起
有专门的开发工具支持

与一般操作系统相比，嵌入式系统的的特点：

强稳定性，弱交互性
较强的实时性
可伸缩性
外围硬件接口的统一性

根据响应时间不同，嵌入式系统可分为：

强实时嵌入式操作系统
一般实时嵌入式操作系统
弱实时操作系统

嵌入式系统的组成：

微处理器
外围硬件设备
嵌入式操作系统
用户应用软件

ARM体系结构

ARM9的五级流水线

取指：从存储器中取出指令（fetch），并将其放入指令流水线
译码：对指令进行译码（dec）
执行：执行运算ALU（exe）
访存（缓冲/数据）：如果需要，则访问数据存储器（acc mem）；否则ALU的结果只是简单地缓冲1个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线程
回写：将指令产生的结果回写到寄存器（wtbk res），包括任何从存储器中读取的数据

AMBA总线接口：

AHB：用于连接高性能系统模块
ASB：用于连接高性能系统模块，他支持突发数据传输模式
APB：一个简单接口，支持低性能的外围接口

ARM9工作模式：
ARM9TDMI处理器核共支持以下7种工作模式：

用户模式（usr）：ARM处理器正常执行程序时的处理
快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理
外部中断模式（irp）：用于通用的中断处理
管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式
指令/数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式。可用于虚拟存储及存储保护
系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务时的模式
未定义指令终止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真
除用户模式外，其余6种模式称为非用户模式或特权模式；
除用户模式和系统模式外，其余5种模式称为异常模式；

大端存储和小端存储

大端存储：大端模式，是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中，这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理：地址由小向大增加，而数据从高位往低位放。
小端存储：小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低，和我们的逻辑方法一致。

如果将一个32位的整数0x12345678存放到一个整型变量（int）中，这个整型变量采用大端或者小端模式在内存中的存储由下表所示。
为简单起见，本文使用OP0表示一个32位数据的最高字节MSB（Most Significant Byte），使用OP3表示一个32位数据最低字节LSB（Least Significant Byte）。

I/O端口的访问方式：

端口的地址和存储器统一编址（存储器映射方式）
优点：对I/O端口设备的访问是使用访问存储器的指令,这不仅使访问I/O端口可实现输入/输出操作,而且还可以对端口内容进行算术逻辑运算、移位等操作;另外，它能给I/O端口较大的编址空间,这对大型控制系统及数据通信是很有意义的
缺点：I/O端口占用了存储器的地址空间,使存储器的容量变小
I/O端口地址与存储器分开独立编址（I/O映射（独立编址））
优点：I/O端口地址不占用存储器空间;使用专门的I/O指令对I/O端口进行操作;由于专门I/O指令与存储器访问指令助记符有明显的区别,使得1/O操作和存储器操作层次清晰,程序可读性强。

内部存储器：
ARM9处理器内部有37个32位寄存器，分为通用寄存器和状态寄存器两种；
程序代码运行是涉及的工作寄存器组是由ARM9处理器的工作模式确定的；

1.通用寄存器

未分组寄存器R0~R7
未分组寄存器包括RO～R7,在所有工作模式下﹐它们在物理上是同一个寄存器。也就是说,不管在哪种工作模式下,若访问R0寄存器,访问到的是同一个32位的物理寄存器Ro;若访问R1寄存器,访问到的是同一个32位的物理寄存器R1;以此类推。由于不同的处理器工作模式均使用相同的未分组寄存器,可能会造成寄存器中数据的破坏
分组寄存器R8~R14
分组寄存器包括R8~ R14。对于分组寄存器,它们每次所访问的物理寄存器与处理器当前的工作模式有关,如图2.5.所示。对于R8~R12寄存器,每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。当使用fiq模式时,访问寄存器R8_fiq ~R12_fiq;当使用fiq模式以外的其他模式时,访问寄存器R8_usr～R12_usr

R13寄存器在ARM指令中常用作堆栈指针,又称为SP(Stack Pointer)
R14寄存器可用作子程序链接寄存器(Subroutine Link Register)或链接寄存器LR(Link Register)
程序计数器R15
R15寄存器的用途是程序计数器(PC),用于控制程序中指令的执行顺序

2.程序状态寄存器
ARM9体系结构包含一个当前程序状态寄存器CPSR(Current Program StatusRegister)和5个备份的程序状态寄存器SPSR (Saved Program Status Register)，CPSR又称为R16；

条件码标志
CPSR寄存器的高4位是N 、Z,C、V(Negative、Zero.Carry、Overflow),称为条件码标志位
控制位
CPSR寄存器的低8位是IF、T和 M[4:0],称为控制位。当发生异常时,这些位可以被改变;当处理器运行在特权模式时,这些位也可以由程序修改。
中断禁止位.：包括I和F,用来禁止或允许IRQ和FIQ两类中断。当I=1时,表示禁止IRQ中断;I=0时,表示允许IRQ中断。当F=1时,表示禁止FIQ中断;F=0时,表示允许 FIQ中断。
T标志位.：标志位用于标识/设置处理器的工作状态。对于ARM 体系结构v4及以上版本的T系列处理器,当T=1时,表示程序运行于 Thumb 状态;当T=0时,表示程序运行于 ARM状态。ARM 指令集和 Thumb指令集均有切换处理器状态的指令,这些指令通过修改T位的值为1或0来实现两种工作状态之间的切换,但 ARM处理器在开始执行代码时,应该处于ARM状态。
工作模式位：工作模式位(M[4:0])用于标识或设置处理器的工作模式。M4,M3,M2,M1,M0决定了处理器的工作模式,具体含义如表所列。需要强调的是,表2.3中未列出的模式位的组合是不可用的

保留位
CPSR寄存器中的其余位是保留位,当改变CPSR 中的条件码标志位或者控制位时，保留位不需要被改变,在程序中也不要使用保留位来存储数据。

ARM9异常

异常的类型及向量地址

(1）复位异常
当系统上电或按下复位按键时，ARM9处理器会收到一个复位信号。当处理器收到复位信号后,产生复位异常,中断执行当前指令,并在禁止中断的管理模式下,从地址0x00000000 或oxFFFFO000 开始执行程序。
(2）未定义指令异常
当ARM9处理器执行未定义的指令时,会产生未定义指令异常,可分为两种情况：
1、当处理器在执行协处理器指令时,它必须等待任一外部协处理器应答后,才能真正执行这条指令。若协处理器没有响应,会出现未定义指令异常。利用未定义指令异常,可以在没有设计硬件协处理器的系统上,对协处理器的功能进行软件仿真。
2、试图执行未定义的指令,也会出现未定义指令异常。
未定义指令异常结束时,将 R14 - und中的值赋给PC,并将SPSR – und中的值赋给 CPSR,处理器即返回到未定义指令的下一一条指令继续执行。
(3）软件中断异常
处理器执行软件中断指令 SWI将产生软件中断异常,处理器进入管理模式

异常的优先级

ARM指令系统

ARM9具有32位ARM指令和16位Thumb指令

ARM指令分类及格式
ARM指令可以分为以下6类：

数据处理指令：数据传输指令、算数指令、逻辑指令、比较指令、乘法指令和前导零计数
程序状态访问指令：MRS和MSR
分支指令：B、BL和BX
访存指令：单数据访存指令、多数据访存指令和数据交换指令
异常产生指令：SWI和BKPT
协处理指令：CDP、LDC、STC、MCR、MRC
opcode:指令操作符编码
cond:指令执行条件编码
S:指令的操作是否影响CPSR的值
Rn:包含第一个操作数的寄存器编码
Rd:目标寄存器编码
Shifter operand:第二个操作数
x：x=1表示第二位操作数是立即数寻址；x=0表示第二位操作数是寄存器寻址

ARM指令寻址方式：

寄存器寻址
立即数寻址
寄存器移位寻址(移位的位数可以用立即数或寄存器表示)
（1）算术右移ASR
（2）逻辑左移LSL
（3）逻辑右移LSR
（4）循环右移ROR
（5）扩展的循环右移RRX
寄存器间接寻址
变址寻址
（1）前变址方式
（2）自动变址方式
（3）后变址方式
多寄存器寻址
堆栈寻址
块复制寻址
相对寻址
PC的值=当前执行地址+8（ARM）/4（Thumb）

常见ARM指令

数据处理指令
（1）数据传送指令
（2）算数运算指令
（3）逻辑运算指令
（4）比较指令
（5）乘法指令：MUL乘法指令；MLA乘加指令
程序状态访问指令
（1）读取状态寄存器指令
（2）写状态寄存器指令
分支指令
（1）转移指令
（2）带链接的转移指令
（3）带状态切换的转移指令
访问指令
（1）单数据访存指令STR、LDRH、LDRSB、LDRSH
（2）多数据访存指令LDM
（3）数据交换操作指令
异常指令（SWI主要）
（1）软件中断指令SWI
（2）断点指令BKPI
（3）前导0计数指令
协处理器指令
（1）协处理器数据处理指令
（2）协处理器数据存取指令
（3）ARM存储器与协处理器数据传送指令

ARM汇编伪指令与伪操作

常见ARM汇编指令

ADR
ADRL
LDR
NOP

常见ARM汇编伪操作

符合定义伪操作
GBLA、GBLL和GBLS：声明全局变量
LCLA、LCLL和LCLS：声明局部变量
SETA、SETL、SETS：给变量赋值
RLIST：给通用寄存器列表定义名称
数据定义伪操作
LTORG：声明一个数据缓冲池的开始
SPACE 用于分配一片连续的存储单元，并用0初始化
DCB 用于分配一片连续的字节存储单元并用指定的数据初始化
DCW（DCWU）用于分配一片连续的半字存储单元并用指定的数据初始化
汇编控制常用伪操作
IF、ELSE、ENDIF：有条件选择汇编
WHILE、WEND：有条件循环汇编
MACRO、MEND、MEXIT：宏定义汇编
其他常用伪操作
CODE16和CODE32：16：16位的Thumb指令；32：32位的ARM指令

ARM汇编基础

ARM程序常用文件格式

源程序文件	文件扩展名	说明
汇编程序文件	*.s	用ARM汇编语言编写的ARM程序或Thumb程序
C程序文件	*.c	用C语言编写的程序代码
头文件	*.h	为简化源程序，通常将程序中经常适用的常量名、宏定义、数据结构定义等单独存放在一个文件中

ARM预定义变量：

Ro-R15和r0-r15
a1-a4(参数,结果或者临时寄存器,与r0-r3同意)
v1-v8(变量寄存器,与r4-r11同意)
sb和SB(静态基址寄存器,与r9同意)
sl和SL(堆栈限制寄存器,与r10同意)
fp和FP(帧指针,与r11同意)
ip和IP(过程调用中间临时寄存器,与r12同意)
sp和SP(堆栈指针,与r13同意)
lr和LR(连接寄存器,与r14同意)
pc和PC(程序计数器,与r15同意)
cpsr和CPSR(程序状态寄存器)
spsr和SPSR(程序状态寄存器)
f0-f7和F0-F7(FPA寄存器)
s0-s31和S0-S31(VFP单精度寄存器)
d0-d15和D0-D15(VFP双精度寄存器)
p0-p15(协处理器0-15)
c0-c15(协处理器寄存器0-15)

C语言与汇编混合编程

C程序嵌入汇编程序
交互规则
C程序调用汇编程序
汇编程序调用C程序

时钟及电源管理

主时钟来源于外部晶振（XTlpll）或外部时钟（EXT-CLK）
时钟发生器包含一个连接外部晶振的振荡器，两个产生高频时钟的锁相环（PLLs）
两个时钟源依据模式控制引脚（OM3和OM2）的不同组合来选择，在nRESET的上升沿查询OM3和OM2引脚状态并锁到OM[3:2]

S3C2410电源管理模式

正常模式
空闲模式
低速模式
休眠模式

SRAM和DRAM

SRAM和DRAM被称为随机存储器，其保存信息在通电情况下是不会丢失的，主要用来存储正在运行的程序和数据

SRAM读/写速度比DRAM读/写速度快
SRAM比DRAM的功耗大
DRAM的集成度可以做得更高，其存储器容量也可以更大
DRAM需要周期性的刷新，而SRAM不需要

NOR Flash和NAND Flash

比较特点：

NOR的读速度比NAND稍快一些
NAND的写入速度比NOR快很多
NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快
大多数写入操作需要先进行擦除操作
NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少

存储器接口方式

SRAM型的全地址/数据总线接口
DRAM型动态存储器接口
串行存储器接口

存储管理单元（MMU）

主要用来完成虚实地址之间的转换
MMU实现的主要功能有：

将主存地址从虚拟存储空间映射到物理空间
存储器访问权限控制
设置虚拟存储空间的缓冲特性等

定时器工作原理

主要用作定时功能或计数功能
当定时器输入条件满足计时要求时开始计时，设定值寄存器存储设定时间值不变，当前值寄存器存储当前时间值随时间发生变化，一旦当前时间值增加到与设定时间值相同，定时器发生动作，常开触点接通而常闭触电断开，并通过程序作用于被控制对象，以达到控制时间的目的

DMA

DMA方式与中断方式传输数据比较特点：

中断方式下，CPU需要执行多条指令，占用一定的时间；而DMA传送1字节只占用CPU的一个总线周期，占用CPU的时间少
DMA的响应速度比中断快
对于快速的I/O设备，中断方式传输速度已经无法满足要求

DMA传送过程

申请阶段
响应阶段
数据传送阶段
传送结束阶段

DMA方式传送的工作过程

外设可通过baiDMA控制器向CPU发出DMA请求
CPU响应DMA请求，系统转变为DMA工作方式，并把总线控制权交给DMA控制器
由DMA控制器发送存储器地址，并决定传送数据块的长度
执行DMA传送
DMA操作结束，并把总线控制权交还CPU

S3C2410 DMA

有4个独立通道的DMA控制器处理情况：

源设备和目的设备都在内部系统总线上
源设备和目的设备都在外部系统总线上
源设备在内部系统总线上，目的设备在外部总线上
源设备在外部系统总线上，目的设备在内部总线上