文章目录

• 嵌入式系统概述
• • 基本概念
  • 嵌入式系统的发展
  • 发展历史
  • 发展趋势
  • 组成结构
  • • 设备驱动层
    • • 硬件抽象层HAL
      • 板级支持包BSP
      • 设备驱动程序
    • 实时操作系统RTOS
    • OS的应用程序接口API
    • 应用程序APP
  • 嵌入式处理器
  • • 微处理器
    • 微控制器
    • DSP
    • SOC
  • 典型嵌入式处理器介绍
  • • MIPS处理器
    • Power PC处理器
    • Sparc处理器
    • ARM处理器
• ARM概述
• • 计算机体系结构的分类
  • • 冯洛伊曼结构
    • 哈弗结构
  • ARM技术的发展过程
• ARM内核的特点
• • RISC技术
  • 流水线技术
  • 超标量技术
• 基于ARM的微处理器
• • 基于ARM核的硬件结构
  • ARM核的数据流模型
  • 工作模式
  • 工作状态
• ARM寄存器
• • 通用寄存器
  • • 未分组寄存器
    • 分组寄存器
    • 程序计数器
  • 状态寄存器
  • • 条件码标志
    • 控制位
    • • 中断禁止位
      • T标志位
      • 工作模式位
    • 保留位
  • Thumb寄存器
• ARM的存储系统简介
• • 存储器的层次结构
  • 数据类型与存储器格式
  • • 地址空间
    • 数据类型
    • 存储格式
    • • 大端格式
      • 小端格式
  • 非对齐的存储器访问
  • • 非对齐指令预取操作
    • 非对齐数据访问操作

嵌入式系统概述

基本概念

嵌入式系统：以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统

嵌入式系统的重要特征：

• 系统内核小：因为系统资源有限，内核不能太大
• 专用性强：针对具体应用场景，做软硬件剪裁
• 系统精简：一般没有系统软件和应用软件之分，全部为应用服务
• 多任务操作系统：要保证程序的实时性、可靠性
• 专用的开发工具和环境：需要主机做开发，程序烧到目标板

嵌入式系统的发展

发展历史

70年代的单片机，51单片机，跑操作系统的单片机，RTOS

发展趋势

• 嵌入式开发称为一项系统工程，除了软硬件本身，还需要开发环境支持
• 络化、信息化，产品功能不再单一，产品要适应 络发展
• 精简系统内核、算法，降低功耗和成本
• 友好的人机界面

组成结构

一般分4个部分：处理器、存储器、IO、软件

这个器件可以分为4个部分

• ARM处理器：控制整个器件，包含内核、外围部件
• 控制器：协调系统的重要功能模块，最常见的是中断控制器和存储器控制器
• 外设接口部件：提供芯片与外部的输入输出
• 总线：用在器件不同部件之间进行通信，包含高性能总线AHB，连接高性能的片内外设，外设总线APB连接较慢的片内外设，还有一条总线用于连接片外外设，它需要一个特殊的桥，用于和AHB总线连接

ARM核的数据流模型

load指令，存储器 -> 寄存器
store指令，寄存器 -> 存储器
典型的源寄存器Rn、Rm，目的寄存器Rd

工作模式

• 用户模式（usr）：正常的程序执行状态
• 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（irq）：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
• 终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，用于虚拟存储及存储保护
• 未定义指令模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，用于支持硬件协处理器的软件仿真
• 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务

除用户模式和系统模式，其余5种称为异常模式，常用语处理中断异常或访问受保护的资源

工作状态

ARM状态：执行32位的ARM指令集
Thumb状态：执行16位的Thumb指令集

在开始执行时，只能是ARM状态，执行过程中，可与切换

ARM寄存器

• 分为通用寄存器和状态寄存器，一共37个
• 通用寄存器保存数据和地址，有31个
• 状态寄存器用以标识或设置处理器的工作模式、状态，有6个
• 这37个寄存器不能被同时访问，最多有18个活动的寄存器，16个数据寄存器，2个处理器状态寄存器

通用寄存器

用以保存数据和地址，用字母R为前缀，加该寄存器的序 来标识
例如寄存器0，标识为R0，范围是R0-R15
可以分为三类

未分组寄存器

包括R0 – R7，在所有工作模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器
在中断或异常处理时，因为使用相同的物理寄存器，可能造成数据破坏

分组寄存器

包括R8 – R14，它们每一次访问的物理寄存器与当前的工作模式有关
采用标记来区分不同的物理寄存器，如 R13

条件码标志

N Z C V 均为条件码标志位，他们的内容可以被算术或逻辑运算的结果改变，并且可以决定某条指令是否被执行

• N：Negative，正负标志位，N=1结果为负数，N=1结果为非负数
• Z：Zero，零标志，Z=1结果为0，Z=0结果非零
• C：CarryBorrow，进位、借位标志，加法C=1进位，减法C=0借位
• V：Overflow，V=1溢出，V=0未溢出

控制位

CPSR 的低8位（I，F，T，M[4：0]）称为控制位，当发生异常时，这些位可以被改变

中断禁止位

包括I、F，用来禁止或允许IRQ和FIQ两类中断

• I ：I=1表示禁止IRQ中断
• F ：F=1表示禁止FIQ中断

T标志位

T标志位用来标识/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，该位为1时，程序运行于Thumb状态，该位为0时，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，可以修改T位

工作模式位

M [4：0] 用来标识或设置处理器的工作模式，常用的是系统模式和用户模式

一般情况下，基于ARM的嵌入式系统用到的芯片如下

• ROM：只读存储器，一般情况不再次编程，一般用来放启动代码
• Flash：可读可写，但是速度较慢，因此不适合动态数据，一般用来存放断电后需要保存的数据
• DRAM：在RAM里价格低，但是动态刷新，因此使用前要先设置好DRAM控制器
• SRAM：比DRAM快，而且不需要刷新，价格高容量小，一般用于高速存储器和cache
• SDRAM：使用时钟，频率与CPU总线同步，传输效率较高

数据类型与存储器格式

地址空间

ARM体系结构将存储器看作是零地址开始字节的线性组合
32位处理器支持的最大寻址空间为4gb
每执行一条ARM指令，PC增加4，执行一条Thumb指令，PC增加2

数据类型

ARM处理器的指令长度是32位（ARM指令），也可以是16位（Thumb指令）
支持8位、16位、32位数据

存储格式

大端格式

数据的高字节存储在低地址中，低字节存储在高地址中

例如：0x1234，在如下的地址存放

非对齐的存储器访问

所谓非对齐的存储访问操作，是指：

• 位于ARM状态期间，访问地址的低二位不为00
• 位于Thumb期间，访问地址的最低位不为0
  非对齐的指令预取操作和数据访问操作的约定如下

非对齐指令预取操作

如果写入寄存器PC的值是非对齐的，要么执行结果不可预知，要么地址中响应的位被忽略
是否要忽略，由系统决定

非对齐数据访问操作

对于laod/store操作，如果出现非对齐的数据访问操作，有两种可能

• 执行结果不可预知
• 忽略数据地址的低2位或者最后一位