軟考嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師微處理器復(fù)習(xí)筆記

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師考試筆記之嵌入式微處理器一、引言嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心器件，深入理解嵌入式微處理器的工作原理，組成結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)以及軟件編程等方面，無論對嵌入式設(shè)計師考試的準(zhǔn)備還是對嵌入式項目的開發(fā)都有一定的幫助。在目前白花盛放的嵌入式微處理器市場，各種各樣大大小小的嵌入式微處理器就像菜市場里面的青菜一樣。要對各種嵌入式微處理器都有深入的理解幾乎是不可能的。但是萬變不離其中，在總多的嵌入式微處理器中都有著共同的概念、原理與規(guī)律。我們要做的是分析嵌入式微處理器的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、體系結(jié)構(gòu)、市場發(fā)展趨勢、各種微處理器的特點與應(yīng)用場合等等。我個人覺得，面對全國的考試，其考點應(yīng)該是大家

2、都應(yīng)該去掌握的一些共有的基本知識，或者是大家都熟悉，流行程度甚廣的一些微處理器的使用，而不是一些個性化的知識點或者偏門器件的使用。二、復(fù)習(xí)筆記1. 嵌入式微處理器的基本結(jié)構(gòu)（ 1）嵌入式硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲器和輸入/輸出部分組成。（ 2）嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心，通常由控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器3大部分組成：A、控制單元：主要負(fù)責(zé)取指、譯碼和取數(shù)等基本操作并發(fā)送主要的控制指令。R算術(shù)邏輯單元：主要處理數(shù)值型數(shù)據(jù)和進(jìn)行邏輯運算工作。G寄存器：用于暫存臨時性的數(shù)據(jù)。2. 嵌入式微處理器的分類（根據(jù)用途）（ 1）嵌入式微控制器（MCU）：又稱為單片機(jī)，片上外設(shè)資源一般比

3、較豐富，適合于控制。最大的特點是單片化，體積小，功耗和成本低，可靠性高。目前約占70%的市場份額。（ 2）嵌入式微處理器（EMPU：又稱為單板機(jī)，由通用計算機(jī)中的CPU發(fā)展而來，它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能。通常嵌入式微處理器把CPUROMRAM及I/O等模塊做到同一個芯片上。（ 3）嵌入式DSP處理器（DSB：專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其處理速度比最快的CPUS快1050倍，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面獲得了大量的應(yīng)用。（ 4）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）：追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，其最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件的無

4、縫結(jié)合，直接在微處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。3. 典型8位微處理器的結(jié)構(gòu)和特點該部分參考教程8694頁，以8051為重點，徹底搞清楚8位單片機(jī)的工作原理，外設(shè)控制、存儲分布、尋址方式以及典型應(yīng)用。20XX年11月下午的第一道題目就考查了8051的定時器使用、外部時鐘連接、實際應(yīng)用的流程設(shè)計以及典型的尋址方式。這些考點幾乎可以在教程上找到，例如外部時鐘連接那個問題的答案就是教程89頁上面的原圖。4. 典型16位微處理器的結(jié)構(gòu)和特點該部分參考教程9497頁。典型的微處理器可以參考MSP430找一本這方面的書看看關(guān)于MSP430的結(jié)構(gòu)原理以及典型應(yīng)用。5. 典型32位微處理器的結(jié)構(gòu)和特點該部分

5、參考教程97112頁。32位處理器采用32位的地址和數(shù)據(jù)總線，其地址空間達(dá)到了232=4GB目前主流的32位嵌入式處理器系統(tǒng)主要有ARM1（列、MIPS系列、PoewrPC系列等。ARM1處理器體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的32位嵌入式RISC處理器結(jié)構(gòu)。按照目前的發(fā)展形式，ARM/L乎成了嵌入式應(yīng)用的代名詞。按照我個人的意見，作為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師考試，逐漸增加考查ARM體系結(jié)構(gòu)與編程方面的題目是大勢所趨。20XX年沒有一道關(guān)于ARM勺題目，20XX年出了少量題目，可能在20XX年會繼續(xù)增加。在下午題方面，20XX年考查了X86方面的應(yīng)用、20XX年考查了8051方面的應(yīng)用，這個可

6、能是一個過度過程，以目前ARMS嵌入式領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和普及程度，下午題目考查ARM應(yīng)用方面或者32位其他的微處理器方面的應(yīng)用題目可能在不就將來的考試中就會出現(xiàn)。6、單片機(jī)系統(tǒng)的基本概念（1）單片機(jī)組成：中央處理器、存儲器、I/O設(shè)備。（ 2） 存儲器：物理實質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入/輸出和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。A、ROM（只讀存儲器）：一般用于存放固定的程序或數(shù)據(jù)表格等，數(shù)據(jù)在掉電后仍然會保留下來。B、RAM（隨機(jī)存儲器）：用于暫存程序和數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果，或用作堆棧用等，數(shù)據(jù)在掉電后就會丟失。（ 3） I/O端口：單片機(jī)與外界聯(lián)系的通道，它可以對各

7、類外部信號（開關(guān)量、模擬量、頻率信號）進(jìn)行檢測、判斷、處理，并可控制各類外部設(shè)備?，F(xiàn)在的單片機(jī)I/O口已經(jīng)集成了更多的特性和功能，對I/O端口的功能進(jìn)行了拓展和復(fù)用，例如外部中斷、ADC檢測以及PWMt出等等。（4）輸出電平：高電平電壓（輸出“1”時）和低電平電壓（輸出“0”時）A、TTL電平：正邏輯，5V為邏輯正，0V為邏輯負(fù)，例如單片機(jī)的輸出。B、RS232電平：負(fù)邏輯，一12V為邏輯正，+12V為邏輯負(fù)，例如PC的輸出。注：因此在單片機(jī)和PC進(jìn)行通訊的時候需要一個MAX23犯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。（5）堆棧：它是一種線性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一個只有一個進(jìn)出口的一維空間。A、堆棧特性：后進(jìn)先出（LIF

8、O）B、堆棧指針：用于指示棧頂?shù)奈恢茫ǖ刂罚?，?dāng)發(fā)生壓棧或者出棧操作時，導(dǎo)致棧頂位置變化時，堆棧指針會隨之變化。C、堆棧操作：壓棧操作（PUSH和出棧操作（POP。DK堆棧類型：“向上生長”型堆棧，每次壓棧時堆棧指針加1;“向下生長”型堆棧，每次壓棧堆棧時指針減1。E、堆棧應(yīng)用：調(diào)用子程序、響應(yīng)中斷時，堆棧用于保護(hù)現(xiàn)場；還可以用作臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來使用。F、使用注意：堆棧溢出問題，壓棧和出棧的匹配問題。（6）定時/計數(shù)器：實質(zhì)都是計數(shù)器。用作定時器時是對單片機(jī)內(nèi)部的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，而在用作計數(shù)器時是對單片機(jī)外部的輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)，其作用如下：A、計時、定時或延時控制；B、脈沖技術(shù)；C、測量脈沖

9、寬度或頻率（捕獲功能）（7）中斷：優(yōu)先級更高的事件發(fā)生，打斷優(yōu)先級低的時間進(jìn)程。引起中斷的事件稱為中斷源。一個單片機(jī)可能支持多個中斷源，這些中斷源可以分為可屏蔽中斷和非可屏蔽中斷，而這些中斷源并不都是系統(tǒng)工作所需的，我們可以根據(jù)系統(tǒng)需求屏蔽那些不需要的中斷源。A、中斷嵌套：當(dāng)一個低級中斷尚未執(zhí)行完畢，又發(fā)生了一個高級優(yōu)先級的中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行高級中斷服務(wù)程序，待處理完高級中斷后再回過頭來執(zhí)行低級中斷服務(wù)程序。B、中斷響應(yīng)時間是指從發(fā)出中斷請求到進(jìn)入中斷處理所用的時間；中斷處理時間是指中斷處理開始到中斷處理結(jié)束的時間。C、中斷響應(yīng)過程：a、保護(hù)現(xiàn)場：將當(dāng)前地址、累加器ACC狀態(tài)寄存器保存到堆棧中

10、。b、切換PC指針：根據(jù)不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷，切換到相應(yīng)的入口地址。c、執(zhí)行中斷服務(wù)處理程序。d、恢復(fù)現(xiàn)場：將保存在堆棧中的主程序地址、累加器ACC狀態(tài)寄存器恢復(fù)。e、中斷返回：從中斷處返回到主程序，繼續(xù)執(zhí)行。H中斷入口地址：單片機(jī)為每個中斷源分配了不同的中斷入口地址，也稱為中斷向量。（8）復(fù)位：通過外部電路給單片機(jī)的復(fù)位引進(jìn)一個復(fù)位信號，讓系統(tǒng)重新開始運行。A復(fù)位發(fā)生時的動作：a、PC指針從起始位置開始執(zhí)行（大多數(shù)單片機(jī)都時從0x0000處開始執(zhí)行）。b、I/O端口設(shè)置成缺省狀態(tài)（高阻態(tài)、或者輸出低電平）。c、部分專用控制寄存器SFR恢復(fù)到缺省狀態(tài)。d、普通RA所變（如果時上電復(fù)位，則是

11、隨即數(shù)）。B、兩種不同的復(fù)位啟動方式：a、冷啟動：也叫上電復(fù)位，指在斷電狀態(tài)下給系統(tǒng)加電，讓系統(tǒng)開始正常運行。b、熱啟動：在不斷電的狀態(tài)下，給單片機(jī)復(fù)位引進(jìn)一個復(fù)位信號，讓系統(tǒng)重新開始。C、兩種類型的復(fù)位電路：高電平復(fù)位和低電平復(fù)位。D注意事項：a、注意復(fù)位信號的電平狀態(tài)及持續(xù)時間必須滿足系統(tǒng)要求。b、注意避免復(fù)位信號抖動。（9）時鐘電路：單片機(jī)是一種時序電路，必須提供脈沖電路才能正常工作。時鐘電路相當(dāng)于單片機(jī)的心臟，它的每一次跳動（振動節(jié)拍）都控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。振蕩得慢時，系統(tǒng)工作速度就慢，振蕩得快時，系統(tǒng)工作速度就快（功耗也增大）。A、振蕩周期：振蕩源的振蕩節(jié)拍。B、機(jī)器周期：單片機(jī)

12、完成一個基本操作需要的振蕩周期（節(jié)拍）。C、指令周期：執(zhí)行一條指令需要幾個機(jī)器周期。不同的指令需要的機(jī)器周期數(shù)不同。7、ARM系結(jié)構(gòu)的基本概念（1） 1）ARM：AdvancedRISCMachine。（2） ARMfr系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM旨令集和Thumb指令集。（3） ARMIJ核有T、0MI四個功能模塊：A、T模塊：表示16位Thumb，可以在兼顧性能的同時減少代碼尺寸。B、D模塊：表示Debug,內(nèi)核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構(gòu)，通常為一個邊界掃描鏈JTAGC、M模塊：表示8位乘法器。D、I模塊：表示EmbeddedICELogic，用于實時斷點觀測及變量觀測的邏輯電路部分。（4）

13、 ARMi理器有7種運行模式：A、用戶*II式（User）:正常程序執(zhí)行模式，用于應(yīng)用程序。H快速中斷模式（FIQ）:快速中斷處理，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理。C、外部中斷模式（IRQ）:用于通用的中斷處理。H管理*II式（SVE5：供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式。E、數(shù)據(jù)訪問中止模式（Abort）:用于虛擬存儲及存儲保護(hù)。F、未定義指令中止模式（Undefined）:當(dāng)未定義指令執(zhí)行時進(jìn)入該模式。G系統(tǒng)卞式（System）:用于運行特權(quán)級的操作系統(tǒng)任務(wù)。除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為特權(quán)模式，在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式切換，其中，除了系統(tǒng)模式

14、外，其他的5種特權(quán)模式又稱為異常模式。處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運行在用戶模式下，這時，應(yīng)用程序不能訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式切換時，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理中進(jìn)行處理器模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的資源。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式種都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證進(jìn)入異常模式時，用戶模式下的寄存器不被破壞。系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一

15、樣的寄存器，但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。（5） ARMfe理器共有37個寄存器：31個通用寄存器和6個狀態(tài)寄存器A、通用寄存器包括R0Riq可以分為3類：a、未備份寄存器R0R7在所有的處理器模式下，未備份寄存器都是指向同一個物理寄存器。b、備份寄存器R8R14：對于R8R12來說，每個寄存器對于2個不同的物理寄存器，它們每次所訪問的物理寄存器都與當(dāng)前的處理器運行模式有關(guān)。對于R1aR14來說，每個寄存器對于6個不同的物理寄存器，其中一個是用戶模式和系統(tǒng)模式共用。R13在ARM旨令種常用作堆棧指針。由于處理器的每種運

16、行模式都有自己獨立的物理寄存器R13,所有在用戶應(yīng)用程序的初始化部分，一般要初始化每種模式下的R13,使其指向該運行模式的?？臻g。R14又稱為連接寄存器（LR）,在ARM系種具有下面兩種特殊作用：在通過BL或BLX指令調(diào)用子程序時，存放當(dāng)前子程序的返回地址；在異常中斷發(fā)生時，存放異常模式將要返回的地址。c、程序計數(shù)器R15（PQ。由于ARM采用了流水線機(jī)制，在三級流水線中，當(dāng)正確讀取了PC的值時，該值為當(dāng)前指令地址值加8個字節(jié)。也就是說，PC指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址。在ARM旨令狀態(tài)下，PC的0和1位是0,在Thumb指令狀態(tài)下，PC的0位是0。B、程序狀態(tài)寄存器a、ARM系結(jié)本包含1個

17、當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR和5個備份的程序狀態(tài)寄存器（SPSR,使用MSRF口MRS旨令來設(shè)置和讀取這些寄存器。b、當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR保存當(dāng)前處理器狀態(tài)的信息，可以在任何處理器模式下被訪問。c、備份程序狀態(tài)寄存器SPSR每一種異常處理器模式下都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時，這個寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，在異常中斷程序退出時，可以用SPSR中保存的值來恢復(fù)CPSRd、由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒有SPSR當(dāng)在這兩種卞II式下訪問SPSR時，結(jié)果是未知的。（6） ARM旨令的尋址方式所謂尋址方式就是處理器根據(jù)指令中給出的地址信息來尋找物

18、理地址的方式。A、 立即尋址：操作數(shù)本身就在指令中給出，只要取出指令也就取到了操作數(shù)。ADDR0,R0,#1;R0R0+1B、 寄存器尋址：利用寄存器中的數(shù)值作為操作數(shù)。ADDR0,R1,R2;R0R1+R2C、 寄存器間接尋址：以寄存器中的值作為操作數(shù)地址，而操作數(shù)本身存放在存儲器中。;R0 R1+R2;R0 R1ADDR0,R1,R2LDRR0,R1STRR0,R1;R1R0DK基址變址尋址：將寄存器（該寄存器一般稱作基址寄存器）的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加,從而得到一個操作數(shù)的有效地址。LDR R0, R1, #4LDR R0, R1, #4!LDR R0, R1, #4LDR R

19、0, R1, R2!;R0R1+4;R0R1+4R1R1+4;R0R1R1R1+4;R0R1+R2E、多寄存器尋址：一條指令可以完成多個寄存器值的傳送。LDMIA R0, R1, R2, R3;R1R0R2R0+4R3R0+8F、相對尋址：以程序計數(shù)器PC的當(dāng)前值作為基地址，指令中的地址標(biāo)號作為偏移量，兩者相加之后得到操作數(shù)的有效地址。BLNEXT；跳轉(zhuǎn)到子程序NEXT#執(zhí)行NEXT; 從子程序返回MOVPC,LRG堆棧尋址：支持4種類型的堆棧工作方式:a 、滿遞增堆棧：堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生長。b 、滿遞減堆棧：堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生長。堆

20、棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生長。堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生長。c、空遞增堆棧：堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生長。d、空遞減堆棧：堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生長。(7) ARM勺存儲方法A、大端模式：數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，低字節(jié)存儲在高地址中。B、小端模式：數(shù)據(jù)的低字節(jié)存儲在低地址中，高字節(jié)存儲在高地址中。(8) ARMh斷與異常A、ARM內(nèi)核支持7種中斷，不同的中斷處于不同的處理模式，具有不同的優(yōu)先級，而且每個中斷都有固定的中斷地址入口。當(dāng)一個中斷發(fā)生是，相應(yīng)的R14(LR)存儲中斷返回

21、地址，SPSR存儲當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR勺值。B、由于AR岫核支持流水線工作，LR寄存器存儲的地址可能是發(fā)生中斷后面指令的地址，所以不同的中斷處理完成后，必須將LR寄存器值經(jīng)過處理后再寫入P15(PQ寄存器。C、ARM#常的具體含義：a、復(fù)位：當(dāng)處理器的復(fù)位電平有效時，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到異常復(fù)位異常處理程序處執(zhí)行。b、未定義的指令：當(dāng)ARMfe理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時，產(chǎn)生未定義指令異常?？梢允褂迷摦惓C(jī)制進(jìn)行軟件仿真。c、軟件中斷：該異常由執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，可用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作指令?？墒褂迷摦惓C(jī)制實現(xiàn)操作系統(tǒng)調(diào)用功能。d、指令預(yù)取中止：如果處理器預(yù)取指令

22、的地址不存在或該地址不允許當(dāng)前指令訪問，存儲器向處理器發(fā)出中止信號，但當(dāng)預(yù)取的指令被執(zhí)行時，才會產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常。e、數(shù)據(jù)訪問中止：如果處理器數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常。f、外部中斷請求：當(dāng)ARM部中斷請求管腳有效，而且CPS印白I位為0時，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可以通過該異常請求中斷服務(wù)。g、快速中斷請求：當(dāng)ARMfe速中斷請求管腳有效，而且CPSR勺F位為0時，產(chǎn)生FIQ異常。D、ARM處理器對異常中斷的響應(yīng)過程a、將下一條指令的地址存入相應(yīng)的連接寄存器LR中。b、將CPSRM制到相應(yīng)的SPS珅。c、根據(jù)異常的類型，強制設(shè)

23、置CPSR勺運行模式位。d、強制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序處。E、ARM處理器從異常中斷處理程序中返回a、恢復(fù)中斷的程序的處理器狀態(tài)，將SPSRM制到CPS珅。b、若在進(jìn)入異常處理時設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。c、將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC。F、復(fù)位異常中斷處理程序不需要返回。在復(fù)位異常中斷程序開始整個用戶程序的執(zhí)行。三、真題解析1、20XX年上午49題在ARMfe理器中，（49）寄存器包括全局的中斷禁止位，控制中斷禁止位就可以打開或者關(guān)閉中斷。（49）A.CPSRB.SPSRC.PCD.IR答案：A考查ARM體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，CPS