武漢科技大學嵌入式復習要點

1、嵌入式系統(tǒng)的概念從技術(shù)的角度定義： 以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng) 對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的一般由以下幾部分組成嵌入式微處理器外圍硬件設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)應用程序嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計可以分成三個階段：分析、設(shè)計和實現(xiàn)U盤；MP3播放器；手機 藍牙耳機（2分）；GPS導航儀（2特點：嵌入性，專用性，內(nèi)含計算機嵌入式處理器可以

2、分為以下幾大類：嵌入式微處理器（EMPU）；嵌入式微控制器（MCU）；嵌入式DSP處理器（DSP）；嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。實時操作系統(tǒng)的特點異步的事件響應切換時間和中斷延遲時間確定優(yōu)先級中斷和調(diào)度搶占式調(diào)度內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步實時操作系統(tǒng) 是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)作出響應。它強調(diào)的是實時性、可靠性和靈活性。5、實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點：（1）優(yōu)點：在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應用程序使程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，使應用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、

3、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。（2） 缺點：但是，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM 開銷，25%的 CPU額外負荷，以及內(nèi)核的費用。常見的嵌入式操作系統(tǒng)1. uCIi nux2. Wi ndows CE3. VxWorks4卩 C/OS-IIRISC是精簡指令集計算機的縮寫，其目標是設(shè)計出在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡單而有 效的指令集。ARM內(nèi)核采用RISC體系結(jié)構(gòu)，因此具有 RISC的結(jié)構(gòu)特點：（1）具有大量的通用存儲器；（2）獨特的裝載/保存（load-store）結(jié)構(gòu)；（3 ）簡單的尋址模式；（4 ）統(tǒng)一和固定長度的指令格式

4、。ARM7TDMI-S 的含義基于ARM體系結(jié)構(gòu)V4版本的低端ARM核，由ARM6發(fā)展而來，并能夠穩(wěn)定的在低于 5V 的電源電壓下工作T:支持高密度16位的Thumb指令集；D:支持片上調(diào)試；M:支持64位乘法；I:支持EmbededICE觀察硬件；S:ARM7TDMI的可綜合（synthesizable）版本（軟核），對應用工程師來說其編程模型與ARM7TDMI 一致；常用的ARM處理器系列1. Cortex-M32. Cortex-R43. Cortex-R4F4. Cortex-A85. ARM7 馮諾依曼結(jié)構(gòu)6. ARM9 哈佛結(jié)構(gòu)7. ARM108. ARM119. XScale A

5、RM公司Arm5TE版內(nèi)核和指令集字和半字：從偶數(shù)地址開始的連續(xù) 2個字節(jié)構(gòu)成一個半字；以能被4整除的地址開始的連續(xù) 4個字節(jié)構(gòu)成一個 字；ARM指令的長度剛好是一個字，Thumb指令的長度剛好是一個半字。如果一個數(shù)據(jù)是從偶地址開始的連續(xù)存儲，那么它就是半字對齊，否則就是非半字對齊；如果一個數(shù)據(jù)是以能被 4整除的地址開始的連續(xù)存儲，那么它就是字對齊，否則就是非字對齊。流水線RM處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度，這樣可使幾個操作同時進行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供0.9MIPS/MHZ的指令執(zhí)行速度pc取指:從寄存器裝載一條指令Pc-4譯碼：識別將要被執(zhí)行的指令Pc-8執(zhí)行：處

6、理指令并將結(jié)果寫回寄存器在第1個周期，PC指向指令1，此時指令1進入三級流水線的取指階段。在第2個周期，PC指向指令2,此時指令1進入三級流水線的譯碼階段，同時取出指令2。在第3個周期，PC指向指令3,此時指令1進入三級流水線的執(zhí)行階段，指令2進入譯碼階段，取出指令3。在第4個周期，指令1執(zhí)行完成，指令2和指令3流水線推進一級，同時開始指令4的取指 處理。PC指向0x4008地址，執(zhí)行 ADD指令，所以指令執(zhí)行的結(jié)果為 ：PC=PC+4 = 0x4008 + 4 = 0x400C。程序計數(shù)器R15(PC)總是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在執(zhí)行”的指令或“正 在譯碼”的指令。一般來說，

7、人們習慣性約定將“正在執(zhí)行”的指令作為參考點，則：ARM狀態(tài)：PC值=當前程序執(zhí)行位置+8Thumb狀態(tài)：PC值=當前程序執(zhí)行位置+4注：ARM狀態(tài)時，每條指令為 4字節(jié)長指令集ARM指令集高效快速，具有較低密度，Thumb指令集小巧靈活，保持 ARM的大多數(shù)性能上的有事，是ARM指令集的子集ARM狀態(tài)：32位，處理器執(zhí)行字方式的ARM指令，處理器默認為此狀態(tài)；Thumb狀態(tài)：16位，處理器執(zhí)行半字方式的Thumb指令。Cpsr的控制位T=0，處理器處于 ARM狀態(tài)，執(zhí)行 ARM指令，T=1，處理器處于Thumb狀 態(tài)，執(zhí)行Thumb指令。使用BX指令將ARM內(nèi)核的操作狀態(tài)在 ARM狀態(tài)和Th

8、umb狀態(tài) 進行切換。Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)代碼CODE16LDR R0, =LableBX R0CODE32Lable MOV R1, #10CODE32LDR R0, =Lable+1BX R0CODE16Lable MOV R1, #12注意：兩個狀態(tài)之間的切換并不影響處理器模式或寄存器內(nèi)容。模式七個模式，用戶，系統(tǒng)，管理，中止，快中斷，中斷，未定義，管理模式：只有在系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時，才進入此模式何時進入異常模式，具體規(guī)定如下：處理器復位之后進入管理模式，操作系統(tǒng)內(nèi)核通常處于管理模式；當處理器訪問存儲器失敗時，進入數(shù)據(jù)訪問中止模式；當處理器遇到?jīng)]有定義或不支持的指令時，進

9、入未定義模式；中斷模式與快速中斷模式分別對ARM處理器2種不同級別的中斷作出響應。處理器模式說明備注用戶(usr)正常程序運行的工作模式不能直接從用戶模式切換到其它模式特 權(quán) 模 式系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務等與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它 模式等特權(quán)異 常 模 式快中斷(fiq)快速中斷請求處理只有在FIQ異常響應時，才進入此模式中斷(irq)中斷請求處理只有在IRQ異常響應時，才進入此模式管理(SVC)供操作系統(tǒng)使用的一種保護模式只有在系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時，才進入此 模式中止(abt)用于虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護在ARM7內(nèi)核中沒有多大用處未定義(und)支持軟

10、件仿真的硬件協(xié)處理器只有在未定義指令異常響應時，才進入此模式在ARM處理器內(nèi)部共有 37個用戶可訪問的寄存器，分別為 31個通用32位寄存器和6個 狀態(tài)寄存器。Cpsr,SPSR_SVC,SPSR_abt,SPSR_ un d,SPSR_irq,SPSR_fiqARM處理器共有7種不同的處理器模式，每種模式都有一組相應的寄存器組，最多可以18個活動的寄存器。R0和R7為未分組的通用寄存器，可以在任何處理器模式都對應與相同的32為物理寄存器R8-R12有兩個分組的物理寄存器，一個用于除FIQ模式之外的所有寄存器，另一個用于FIQ模式R13堆棧指針SP,用于保存待使用的寄存器的內(nèi)容R14鏈接指針L

11、R，在結(jié)構(gòu)上有兩個功能：當使用BL指令調(diào)用子程序時，返回地址將自動存入R14中，子程序結(jié)束是，R14復制到PC中即可實現(xiàn)子程序返回當發(fā)生異常是，保張異常處理程序不會破壞LR，LR保存異常程序，將異常模處理程序的返回地址保存到 LR對應的異常模式寄存器中R15程序計數(shù)器，指向正在取值的指令CPSR和SPSR之間的關(guān)系SPSR，然后當一個特定的異常發(fā)生中斷時，將CSPR的當前值保存到相應異常模式下的條件代碼標志保留控制位45設(shè)置CPSR為相應的異常模式SPSR中的值來回復CPSR從異常中斷程序退出并且返回時候，可以通道保存在ARM內(nèi)核包含1個CPSR和5個僅供異常處理程序使用的SPSR°

12、CPSR反映當前處理器的狀態(tài)，其包含：4個條件代碼標志（負標志N、零標志Z、進位標志C和溢出標志 V ）；2個中斷禁止位（IRQ禁止與FIQ禁止）；5個對當前處理器模式進行編碼的位（M4:0）;1個用于指示當前執(zhí)行指令的位（ARM指令還是Thumb指令）。程序狀態(tài)寄存器（CPSR）的格式31負標志N :運算結(jié)果的第 31位值，記錄標志設(shè)置操作的結(jié)果；30零標志Z:如果標志設(shè)置的操作為0，則置位；29進位標志C:記錄無符號加法溢出，減法無借位，循環(huán)移位；28溢出標志V :記錄標志設(shè)置操作的有符號溢出。條件代碼標志：31-N:負或小于30-Z:零29-C:進位、借位或擴展28-V:溢出控制位：7-

13、控制位I置位時:IRQ中斷被禁止6-控制位F置位時:FIQ禁止5-T:狀態(tài)位T置位時，在 Thumb狀態(tài)下運行，為 0時在ARM狀態(tài)下運行40-M4 .MO :模式位只要正常的程序流被暫時中止，處理器就進入異常模式。進入異常：1將異常處理程序的返回地址保存到相應異常模式下的LR，異常處理程序完成后的返回可通過將LR的值減去偏移量后寫入 PC;（ LR）2將CPSR的當前值保存到相應異常模式下的SPSR,異常處理程序完成后的返回可通過保存在SPSR中的值來恢復 CPSR；（ CPSR->SPSR）3設(shè)置CPSR為相應的異常模式；（設(shè)置為異常模式）4設(shè)置PC為相應異常處理程序的終端入口向量地

14、址，跳轉(zhuǎn)到相應的異常中斷處理程序執(zhí)行。（異常入口）退出異常：1返回到發(fā)生異常中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行，將LR中的值減去偏移量后移入 PC，偏移量根據(jù)異常的類型而有所不同；（LR-s -> PC）2將 SPSR 的值復制回 CPSR；（ SPSR->CPSR）3在入口處置位的中斷禁止控制位清零。（入口處置位的中斷禁止控制位清零）地址異常進入時的模式進入時1的狀態(tài)進入時F的狀態(tài)0x00000000復位管理禁止禁止0x00000004未定義指令未定義IF0x00000008軟件中斷異常管理禁止F0x0000000C中止（預?。┲兄笽F0x00000010中止（數(shù)據(jù)）中止IF0x000

15、00014保留保留0x00000018IRQ中斷禁止F0x0000001CFIQ快速中斷禁止禁止注：表中的I和F表示不對該位有影響，保留原來的值。優(yōu)先級由高到低優(yōu)先級異常1復位2數(shù)據(jù)中止'3 'FIQ4IRQ5預取指中止6未定義指令中止6軟件中斷異常I_ J I I 4 *'、八 r 4 J復位異常當nRESET信號被拉低時，ARM處理器放棄正在執(zhí)行的指令，等到nRESET信號再次變高時，處理器執(zhí)行一下操作：強制M4:0變?yōu)閎10011,系統(tǒng)進入管理模式；將CPSR中的標志位I和F置位，IRQ與FIQ中斷被禁止；將CPSR中的標志位T清零，處理器處于 ARM狀態(tài)；強制P

16、C從地址0x00開始對下一條指令進行取指；返回到ARM狀態(tài)并恢復執(zhí)行。ARM存儲結(jié)構(gòu)ARM結(jié)構(gòu)使用單個平面的 232個8位字節(jié)地址空間。地址空間可以看作是包含230個32位字，或231個16位半字。如果地址向上或向下溢出地址空間，通常會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。地址空間的規(guī)則要求字地址A :位于地址A的字包含的字節(jié)位于地址A,A+1,A+2和A+3 ；位于地址A的半字包含的字節(jié)位于地址A和A+1 ；位于地址A+2的半字包含的字節(jié)位于地址A+2和A+3 ；位于地址A的字包含的半字位于地址A和A+2 ；存儲器系統(tǒng)有兩種映射機制：小端存儲器系統(tǒng)：在小端格式中，數(shù)據(jù)的高字節(jié)存放在高地址中。大端存儲器系統(tǒng)：在大端格式中

17、，數(shù)據(jù)的高字節(jié)存放在低地址中。ARM處理器尋址方式是根據(jù)指令中給出的地址碼字段來實現(xiàn)尋找真實操作數(shù)地址的方式。具有8種基本尋址方式。1寄存器尋址；2立即尋址;3寄存器移位尋址；4寄存器間接尋址;5.基址尋址；6.多寄存器尋址；7.堆棧尋址；8.相對尋址。操作數(shù)的值在寄存器中，指令中的地址碼字段指出的是寄存器編號，指令執(zhí)行時直接取出寄存器值來操作。寄存器尋址指令舉例如下：MOV R1,R2;將R2的值存入 R1SUB R0,R1,R2;將R1的值減去R2的值，結(jié)果保存到 R0立即尋址 指令中的操作碼字段后面的地址碼部分即是操作數(shù)本身，也就是說，數(shù)據(jù)就包含在指令當中，取出指令也就取出了可以立即使用

18、的操作數(shù)（這樣的數(shù)稱為立即數(shù)）。立即尋址指令舉例如下：SUBS R0,R0,#1;R0減1,結(jié)果放入 R0，并且影響標志位MOV R0,#0xFF000;將立即數(shù)OxFFOOO裝入R0寄存器寄存器移位尋址是ARM指令集特有的尋址方式。當?shù)?個操作數(shù)是寄存器移位方式時，第2個寄存器操作數(shù)在與第1個操作數(shù)結(jié)合之前，選擇進行移位操作。寄存器移位尋址指令舉例如下：MOV R0,R2,LSL #3;R2的值左移 3位，結(jié)果放入 R0,;即是R0=R2 X 8ANDS R1,R1,R2,LSL R3 ;R2的值左移R3位，然后和R1相與”操作，結(jié)果放入 R1寄存器間接尋址 指令中的地址碼給出的是一個通用寄

19、存器的編號，所需的操作數(shù)保存在寄存器指定地址的存儲單元中，即寄存器為操作數(shù)的地址指針。寄存器間接尋址指令舉例如下：LDR R1,R2;將R2指向的存儲單元的數(shù)據(jù)讀出；保存在R1中SWP R1,R1,R2；將寄存器 R1的值和R2指定的存儲單元的內(nèi)容交換基址尋址就是將基址寄存器的內(nèi)容與指令中給出的偏移量相加，形成操作數(shù)的有效地址。 基址尋址用于訪問基址附近的存儲單元，常用于查表、數(shù)組操作、功能部件寄存器訪問等。 基址尋址指令舉例如下：LDR R2,R3,#0x0C;讀取R3+0x0C地址上的存儲單元的內(nèi)容，放入R2STR R1,R0,#-4!;先R0=R0-4，然后把R1的值寄存到保存到 R0指

20、定的存儲單元多寄存器尋址 一次可傳送幾個寄存器值，允許一條指令傳送16個寄存器的任何子集或所有寄存器。多寄存器尋址指令舉例如下：LDMIA R1!,R2-R7,R12;將R1指向的單元中的數(shù)據(jù)讀出到 R2R7、R12中（R1自動加1） STMIA R0!,R2-R7,R12 ;將寄存器 R2R7、R12的值保存到 R0指向的存儲；單元中（R0 自動加1）堆棧是一個按特定順序進行存取的存儲區(qū)，操作順序為“后進先出”。堆棧尋址是隱含的，它使用一個專門的寄存器（堆棧指針）指向一塊存儲區(qū)域（堆棧），指針所指向的存儲單元即是 堆棧的棧頂。存儲器堆?？煞譃閮煞N：向上生長：向高地址方向生長，稱為遞增堆棧向下

21、生長：向低地址方向生長，稱為遞減堆棧堆棧指針指向最后壓入的堆棧的有效數(shù)據(jù)項，稱為滿堆棧；堆棧指針指向下一個待壓入數(shù)據(jù)的空位置，稱為空堆棧。所以可以組合出四種類型的堆棧方式：滿遞增:等;空遞增: 等;滿遞減: 等;堆棧向上增長,堆棧向上增長,堆棧向下增長,堆棧指針指向內(nèi)含有效數(shù)據(jù)項的最高地址。堆棧指針指向堆棧上的第一個空位置。指令如堆棧指針指向內(nèi)含有效數(shù)據(jù)項的最低地址。空遞減：堆棧向下增長，堆棧指針向堆棧下的第一個空位置。指令如指令如 LDMFA、STMFALDMEA、STMEA指令女口 LDMFD、STMFDLDMED、STMED 等。3、ARM指令格式：vopcode> vcond&g

22、t; S vRd> ,<Rn>,voperand2>其中，opcode:指令助記符；cond:執(zhí)行條件；S:是否影響CPSR寄存器的值；Rd :目標寄存器；Rn：第1個操作數(shù)的寄存器；operand2 :第2個操作數(shù)；靈活的使用第2個操作數(shù)"operand2”能夠提高代碼效率。它有如下的形式：#immed_8r常數(shù)表達式；Rm寄存器方式；Rm,shift寄存器移位方式；4、ARM指令種類：（1）存儲器訪問指令（2）數(shù)據(jù)處理指令（3）乘法指令（4） ARM分支指令（5）協(xié)處理 器指令（6）雜項指令（7 ）偽指令。5、雜項指令：在ARM指令集中雜項指令共有 3條，

23、它們非常重要，特別是與操作系統(tǒng)的使用息息相關(guān)：1. 軟件中斷產(chǎn)生指令:SWI2. 程序狀態(tài)寄存器讀指令：MRS3. 程序狀態(tài)寄存器寫指令：MSR6、軟中斷:SWI指令用于產(chǎn)生軟中斷，主要用于用戶程序調(diào)用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)服務。執(zhí)行該指令后，處理器將完成以下動作：（1）切換到管理模式（2）將CPSR備份到管理模式下的 SPSR寄 存器（3.）程序跳轉(zhuǎn)到軟件中斷入口。7、軟中斷作用：（1） 使用操作系統(tǒng)后，為了防止出錯的任務影響其它任務的執(zhí)行，通常將任務放在用戶模 式執(zhí)行，以限制其權(quán)限；（2） 對于一些重要的操作，如中斷的開關(guān)，必須由操作系統(tǒng)完成。使用軟件中斷指令即可 完成系統(tǒng)功能調(diào)用；8、軟中斷參數(shù)的傳遞：SWI指令傳遞參數(shù)有以下兩種方法，（1）指令中的24位立即數(shù)指定了用戶請求的服務類型，參數(shù)通過通用寄存器傳遞。MOV R0,#34；設(shè)置子功能號為 34SWI 12;調(diào)用12號軟中斷（2） 指令中的24位立即數(shù)被忽略，用戶請求的服務類型由寄存器R0的值決定，參數(shù)通過其它的通用寄存器傳遞。MOVR0,#12;調(diào)用12號軟中斷MOVR1,#34;設(shè)置子功能號為34SWI09、軟中斷的處理:在SWI異常中斷處理程序中，取出SWI指令中立即數(shù)的步驟為：（1） 首先確定引