嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師考試-嵌入式微處理器篇

1、嵌入式微處理器嵌入式微處理器基本結(jié)構(gòu)嵌入式硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲器和輸入/輸出部分組成嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器控制單元：主要負責取指、譯碼和取操作數(shù)等基本動作，并發(fā)送主要的控制指令；算術(shù)邏輯單元：分兩部分，一部分是算術(shù)運算單元，處理數(shù)值型數(shù)據(jù)；另一部分是邏輯運算單元，主要處理邏輯運算工作。寄存器：用來存儲暫時性數(shù)據(jù)嵌入式微處理器分類按字長分類：A、16位及以下，嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller）B、32位以上，嵌入式微處理器按系統(tǒng)集成度劃分：一般用途型微處理器，內(nèi)部僅包含單純的中央處理

2、單元單芯片微控制器（Single Chip Microcontroller），集成CPU,ROM,RAM,及I/O等部件按用途劃分：嵌入式微控制器（MCU，Micro Controller Unit），又稱為單片機，片上的外設(shè)資源比較豐富，適合于控制。最大的特點是單片化，體積大大減小，功耗與成本下降，市場70%份額；嵌入式微處理器（EMPU, Embedded Micro Processing Unit）,又稱為單板機，由通用計算機中的CPU發(fā)展而來，特征是32位以上，性能高，通常把CPU,ROM,RAM及I/O做同一芯片上；嵌入式DSP處理器（DSP, Digital Signal Proc

3、essor）,專用于信號處理方面，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法進行了特殊設(shè)計，處理速度比CPU快1050倍，在數(shù)字濾波，F(xiàn)FT，頻譜分析等方面大量應(yīng)用；嵌入式片上系統(tǒng)（SOC, System On Chip）,最求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。典型8位微處理器的結(jié)構(gòu)與特點8位處理器是指使用8位數(shù)據(jù)總線的微處理器，大部分8位微處理器有16位的地址總，能訪問216=64KB的地址空間，而8位的數(shù)據(jù)總線可以通過多重內(nèi)存存取的方式來處理更多的數(shù)據(jù)?？梢詤⒖?051典型16位微處理器的結(jié)構(gòu)與特點內(nèi)部總線寬度為16的微處理器，可以參考MS

4、P430典型32位微處理器的結(jié)構(gòu)與特點采用32位的地址和數(shù)據(jù)總線，其地址空間達到了232 = 4GB，ARM,MIPS,PowerPC等DSP處理器的結(jié)構(gòu)與特點DSP與一般處理器不同，主要是總線與內(nèi)存上體系結(jié)構(gòu)的差異，一般的處理器大多采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)（Von Neumann Architecture），DSP采用的是哈弗體系結(jié)構(gòu)（Harvard Architecture）,即擁有不同的指令與運算數(shù)據(jù)總線。最基本的運算功能是乘法和加法運算。多核處理器的結(jié)構(gòu)與特點雙核處理器即基于單個半導(dǎo)體的一個處理器上擁有兩個一樣功能的處理器核心。通常采用兩種方式實現(xiàn)兩個或多個內(nèi)核協(xié)調(diào)工作：一種采用對稱（Sy

5、mmetric）多處理技術(shù)，另一種是采用非對稱多處理技術(shù)（Asymmetric）單片機系統(tǒng)的基本概念單片機組成：中央處理器（CPU），存儲器（ROM/RAM）,I/O設(shè)備CPU，整個單片機核心，負責控制，指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能；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，用于充當設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)；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)掉電保存；RAM（隨機存儲器）：用于暫存程序和數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果，或用于堆棧，掉電丟失； = 4 * ALPHABETIC D、I/O端口：單片機與外界聯(lián)系的通

6、道，它可以對各類外部信號（開關(guān)量、模擬量、頻率信號）進行檢測、判斷、處理，并可以控制各類外部設(shè)備?，F(xiàn)在的單片機I/O端口已經(jīng)拓展和復(fù)用，例如外部中斷、ADC、PWM輸出等；輸出電平：高電平電壓（輸出1）和低電平電壓（輸出0）TTL電平：正為5V，負為0V，如單片機輸出等；RS232電平：邏輯正：-3 -15V，邏輯負： +3 +15V，轉(zhuǎn)換是需要MAX232進行電平轉(zhuǎn)換堆棧、堆棧特性：后進先出（LIFO）堆棧指針：棧頂?shù)牡刂?，當發(fā)生壓棧或者出棧操作時，導(dǎo)致棧頂位置變化，則堆棧指針也變化；堆棧操作：壓棧操作（PUSH）和出棧操作（POP）堆棧類型：“向上生長”型堆棧，每次壓棧時堆棧指針加1；“向

7、下生長”型，每次壓棧時堆棧指針減1堆棧應(yīng)用：調(diào)用子程序、響應(yīng)中斷時，堆棧用于保護現(xiàn)場；還可以做臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；使用注意：堆棧溢出問題，壓棧與出棧匹配問題定時器/計數(shù)器實質(zhì)上都是計數(shù)器，用作定時器時是對單片機內(nèi)部的時鐘脈沖進行技術(shù)，用作計數(shù)器時是對單片機外部的輸入脈沖進行計數(shù)，作用如下：計時，定時或延時控制；脈沖計數(shù)；測量脈沖寬度或頻率（捕獲功能）中斷優(yōu)先級更高的事件發(fā)生，打斷優(yōu)先級低的時間進程。引起中斷的事件稱為中斷源。一個單片機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)工作需要的，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求屏蔽那些不需要的中斷源。中斷嵌套：當一個低級中斷

8、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，等處理完高級中斷后再回過來處理低級中斷服務(wù)程序；中斷響應(yīng)時間是指從發(fā)出中斷請求道進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；中斷響應(yīng)過程： = 1 * GB3 保護現(xiàn)場：將當前地址、累加器ACC、狀態(tài)寄存器保存到堆棧中； = 2 * GB3 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； = 3 * GB3 執(zhí)行終端服務(wù)處理程序; = 4 * GB3 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)； = 5 * GB3 中斷返回：從中斷處返回到主程序，

9、繼續(xù)執(zhí)行； d） 中斷入口地址：單片機為每個中斷源分配了不同的中斷入口地址，也稱中斷向量。復(fù)位：通過外部電路給單片機的復(fù)位引進一個復(fù)位信號，讓系統(tǒng)重新開始運行復(fù)位發(fā)送時的動作： = 1 * GB3 PC指針從起始位置開始執(zhí)行（大多數(shù)單片機是0 x0000處） = 2 * GB3 I/O口設(shè)置為缺省狀態(tài)（高阻態(tài)、或者輸出低電平）； = 3 * GB3 部分專用控制寄存器SFR恢復(fù)到缺省狀態(tài)； = 4 * GB3 普通RAM不變（如果上電復(fù)位，則是隨機數(shù)）兩種不同的復(fù)位啟動方式： = 1 * GB3 冷啟動：也叫上電復(fù)位，指在斷電狀態(tài)下給系統(tǒng)加點，讓系統(tǒng)正常運行； = 2 * GB3 熱啟動：在不

10、斷電狀態(tài)下，給單片機復(fù)位引進一個復(fù)位信號，讓系統(tǒng)重新開始；兩種類型的復(fù)位電路：高電平復(fù)位與低電平復(fù)位注意事項： = 1 * GB3 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； = 2 * GB3 注意避免復(fù)位信號抖動時鐘電路：單片機是一種時序電路，必須提供脈沖電路才能正常工作。時鐘電路相當于單片機心臟，每一次跳動（振動節(jié)拍）都控制著單片機的工作節(jié)奏。振蕩慢時，系統(tǒng)工作速度慢，振蕩快，系統(tǒng)速度快（功耗大）a）振蕩周期：振蕩源的振蕩節(jié)拍b）機器周期：單片機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器周期，不同指令需要機器周期不同ARM系統(tǒng)的基本概念A(yù)RM：A

11、dvanced RISC MachineRISC的英文全稱是Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機ARM體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集與Thumb指令集；ARM內(nèi)核中有T、D、M、I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JTAG；c）M模塊：表示8位乘法器；d）I模塊：表示EmbeddedICE Logic，用于實時斷點觀測及變量觀測的邏輯電路部分；ARM處理器有7中運行模式：用戶模式（User）：正常程序執(zhí)行模式，用于用于

12、程序；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；外部中斷模式（IRQ）：用于通用的中斷處理；管理模式（SVE）：供操作系統(tǒng)使用的一種保護模式；數(shù)據(jù)訪問中止模式（Abort）：用于虛擬存儲及存儲保護；未定義指令中止模式（Undefined）：當未定義指令執(zhí)行時進入該模式；系統(tǒng)模式（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它6種處理器模式成為特權(quán)模式，在這些模式下，程序可以方位所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進行處理器模式切換，其中，除了系統(tǒng)模式外，其它5種又稱為異常模式；處理器模式可以通過軟件控制進行切換，也可以通過外部中斷或異常處理進行切換，大多數(shù)

13、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)保護的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進行處理器模式切換。當需要進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； 當應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進入相應(yīng)的異常處理。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證進入異常模式，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入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器，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，也可以直接進行處理器模式切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。ARM

14、處理器共有37個寄存器：31個通用寄存器和6個狀態(tài)寄存器通用寄存器包括R0R7,可以分為3類：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；備份寄存器R8R14：對于R8R12來說，每個寄存器對應(yīng)2個不同的物理寄存器，他們每次訪問的物理寄存器都與當前的處理器運行模式有關(guān)。對于R13、R14來說，每個寄存器對應(yīng)6個不同物理寄存器，其中一個是用戶模式和系統(tǒng)模式共用。R13在ARM指令中常用作堆棧指針，由于處理器的每種運行模式都有自己獨立的物理寄存器R13，所有在用戶程序中的初始化部分，一般要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的棧空間。R14又稱為連接寄

15、存器（LR），在ARM體系中具有下面2種特殊作用：在通過BL或BLX指令調(diào)用子程序時，存放當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。程序計數(shù)器R15（PC）由于ARM采用流水線機制，在三井流水線中，當正確讀取了PC的值時，該值為當前指令地址家8個字節(jié)，也就是說，PC指向當前指令的下兩條指令的地址。在ARM指令狀態(tài)下，PC的0和1位是0，在Thumb指令狀態(tài)下，PC的0位是0程序狀態(tài)寄存器ARM體系結(jié)構(gòu)中包含1個當前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）和5個備份的程序狀態(tài)寄存器（SPSR），使用MSR和MRS指令來設(shè)置和讀取這些寄存器；當前程序狀態(tài)寄存器CPSR：保存當前處理器狀

16、態(tài)的信息，可以在任何處理器模式下被訪問；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，當特定的異常中斷發(fā)送時，這個寄存器用于存放當前程序狀態(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)CPSR；由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒有SPSR，當在這兩種模式下訪問SPSR是，結(jié)果是未知的。ARM指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理地址的方式。目前ARM處理器支持9種尋址方式，分別是立即數(shù)尋址、寄存器尋址、寄存器偏移尋址、寄存器間接尋址、基址變址尋址、多寄存器尋址、相對尋址、堆棧尋址和塊拷貝尋址。立即

17、尋址：操作數(shù)本身就在指令中指出，只要取出指令也就取到了操作數(shù)MOV R0,#64; R064ADD R0,R0,#1;R0R0+1SUB R0,R0,#0X3D;R0 R0-0X3D在立即數(shù)尋址中，要求立即數(shù)以“#”為前綴，對于以十六進制表示的立即數(shù)，還要求在“#”后加上“0X”或“&”或”0 x“。寄存器尋址：利用寄存器中的數(shù)值作為操作數(shù)，也稱為寄存器直接尋址。ADD R0，R1， R2 ；R0 R1 + R2寄存器間接尋址：把寄存器中的值作為地址，再通過這地址去取得操作數(shù)，操作數(shù)本身存放在存儲器中。LDR R0，R1；R0 R1，以寄存器R1的值作為操作數(shù)的地址，把取得操作數(shù)傳送到R0中A

18、DD R0，R1，R2；R0 R1 + R2，以寄存器R2的值作為操作數(shù)的地址，取得操作數(shù)后與R1相加，結(jié)果存入寄存器R0中?；纷冎穼ぶ罚核窃诩拇嫫鏖g接尋址的基礎(chǔ)上擴展來的。它將寄存器（該寄存器一般稱作基址寄存器）中的值與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到一個地址，通過這個地址取得操作數(shù)。LDR R0，R1，#4；R0 R1 + 4，將R1的內(nèi)容加上4形成操作數(shù)的地址，取得的操作數(shù)存入寄存器R0中。LDR R0，R1，#4??；R0 R1 + 4、R1 R1 + 4，將R1的內(nèi)容加上4形成操作數(shù)的地址，取得的操作數(shù)存入寄存器R0中，然后，R1的內(nèi)容自增4個字節(jié)。其中！表示指令執(zhí)行完畢把最后

19、的數(shù)據(jù)地址寫到R1。LDR R0，R1，R2；R0 R1 + R2，將寄存器R1的內(nèi)容加上寄存器R2的內(nèi)容形成操作數(shù)的地址，取得的操作數(shù)存入寄存器R0中。STR R0， R1，#4；R0R1 4，將R1中的數(shù)值減4作為地址，把R0中的數(shù)據(jù)存放到這個地址中。LDR R0，R1，#4；R0R1、R1R1+4多寄存器尋址：可以一次完成多個寄存器值的傳送LDMIA R0，R1，R2，R3，R4LDMIA R0，R1R4 ；相對尋址：BL NEXT ；next;堆棧尋址：堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按先進后出（First In Last Out，F(xiàn)ILO）的方式工作，使用堆棧指針（Stack Pointer,

20、SP）指示當前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。l遞增堆棧：向堆棧寫入數(shù)據(jù)時，堆棧由低地址向高地址生長。l遞減堆棧：向堆棧寫入數(shù)據(jù)時，堆棧由高地址向低地址生長。同時，根據(jù)堆棧指針（SP）指向的位置，又可以把堆棧分為滿堆棧（Full Stack）和空堆棧（Empty Stack）兩種類型。l滿堆棧（Full Stack）：堆棧指針指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)。滿堆棧在向堆棧存放數(shù)據(jù)時的操作是先移動SP指針，然后存放數(shù)據(jù)。在從堆棧取數(shù)據(jù)時，先取出數(shù)據(jù)，隨后移動SP指針。這樣保證了SP一直指向有效的數(shù)據(jù)。l空堆棧（Empty Stack）：堆棧指針SP指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置?？斩褩Ｔ谙蚨褩４娣艛?shù)據(jù)

21、時的操作是先放數(shù)據(jù)，然后移動SP指針。在從堆棧取數(shù)據(jù)時，是先移動指針，再取數(shù)據(jù)。這種操作方式保證了堆棧指針一直指向一個空地址（沒有有效數(shù)據(jù)的地址）。上述兩種堆棧類型的組合，可以得到四種基本的堆棧類型，即：滿遞增堆棧（FA）：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。滿遞減堆棧（FD）：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?？者f增堆棧（EA）：堆棧指針指向下一個將要壓入數(shù)據(jù)的地址，且由低地址向高地址生長。空遞減堆棧（ED）：堆棧指針指向下一個將要壓入數(shù)據(jù)的地址，且由高地址向低地址生長。寄存器偏移尋址這是ARM指令集特有的尋址方式，它是在寄存器尋址得到操作數(shù)后再進行移位操作

22、，得到最終的操作數(shù)。例如：MOV R0，R2，LSL #3 ；R0 R2 * 8 ，R2的值左移3位，結(jié)果賦給R0。MOV R0，R2，LSL R1 ；R2的值左移R1位，結(jié)果放入R0?？刹捎玫囊莆徊僮魅缦拢篖SL：邏輯左移（Logical Shift Left），寄存器中字的低端空出的位補0。LSR：邏輯右移（Logical Shift Right），寄存器中字的高端空出的位補0。ASL：算術(shù)左移（Arithmetic Shift Left），和邏輯左移LSL相同。ASR：算術(shù)右移（Arithmetic Shift Right），移位過程中符號位不變，即如果源操作數(shù)是正數(shù)，則字的高端空出的位

23、補0，否則補。ROR：循環(huán)右移（Rotate Right），由字的低端移出的位填入字的高端空出的位。RRX：帶擴展的循環(huán)右移（Rotate Right eXtended），操作數(shù)右移一位，高端空出的位用進位標志C的值來填充，低端移出的位填入進位標志位。塊拷貝尋址塊拷貝尋址用于寄存器數(shù)據(jù)的批量復(fù)制，它實現(xiàn)從由基址寄存器所指示的一片連續(xù)存儲器到寄存器列表所指示的多個寄存器傳送數(shù)據(jù)。塊拷貝尋址與堆棧尋址有所類似。兩者的區(qū)別在于：堆棧尋址中數(shù)據(jù)的存取是面向堆棧的，塊拷貝尋址中數(shù)據(jù)的存取是面向寄存器指向的存儲單元的。在塊拷貝尋址方式中，基址寄存器傳送一個數(shù)據(jù)后有4種增長方式，即：IA：每次傳送后地址增加

24、4；（Increment After Operating）IB：每次傳送前的地址增加4；（Increment Before Operating）DA：每次傳送后地址減少4；（Decrement After Operating）DB：每次傳送前地址減少4。（Decrement Before Operating）對于32位的ARM指令，每次地址的增加和減少的單位都是4 個字節(jié)單位。例如：STMIA R0！，R1R7；將R1R7的數(shù)據(jù)保存到R0指向的存儲器中，存儲器指針在保存第一個值之后增加4，向上增長。R0作為基址寄存器。STMIB R0！，R1R7；將R1R7的數(shù)據(jù)保存到存儲器中，存儲器指針在保

25、存第一個值之前增加4，向上增長。R0作為基址寄存器。STMDA R0！，R1R7；將R1R7的數(shù)據(jù)保存到R0指向的存儲器中，存儲器指針在保存第一個值之后減少4，向下減少。R0作為基址寄存器。STMDB R0！，R1R7；將R1R7的數(shù)據(jù)保存到存儲器中，存儲器指針在保存第一個值之前減少4，向下減少。R0作為基址寄存器。！，為可選后綴，若選用該后綴，則當數(shù)據(jù)傳送完畢之后，將最后的地址寫入基址寄存器，否則基址寄存器的內(nèi)容不改變?；芳拇嫫鞑辉试S為R15,寄存器列表可以為R0R15的任意組合。為可選后綴，當指令為LDM且寄存器列表中包含R15，選用該后綴時表示：除了正常的數(shù)據(jù)傳送之外，還將SPSR復(fù)制到CPSR。同時，該后綴還表示傳入或傳出的是用戶模式下的寄存器，而不是當前模式下的寄存器。LDMIA R0，R1，R2，R3，R4與LDMIA R0！，R1，R2，R3，R4的區(qū)別？前一條指令，執(zhí)行完畢之后，R0的值保持不變；后一條指令執(zhí)行完畢之后，R0的值發(fā)生了變化。ARM的存儲方法大端模式：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；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