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【期末复习资料】嵌入式系统及应用
第一章 嵌入式系统导论
嵌入式系统概述
嵌入式系统的定义
嵌入式系统是嵌入式计算机系统的简称。顾名思义，它是一种嵌入在设备（或系统）内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。
嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成，且软件与硬件是紧密集成在一起的。硬件以嵌入式微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备。软件包括初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。
嵌入式系统的分类
嵌入式实时系统系统根据实时性强弱可进一步分类
硬实时系统
系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统相应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。 软实时系统
系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃。
【填空】按嵌入式系统软件结构分类
循环轮询系统前后台系统（又称中断驱动系统）单处理器多任务系统多处理器多任务系统
第二章 嵌入式硬件组成
嵌入式硬件系统的基本组成
嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器为核心的SoC，总线，存储器，输入/输出接口和设备组成。
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器基本组成
片内存储器
部分嵌入式微处理器 外部存储器的控制器
外设接口（串口、并口） LCD控制器
面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器
DMA控制器、协处理器 定时器
A/D、D/A转换器 多媒体加速器
当高级图形功能需要时 总线其他标准接口或外设
嵌入式微处理器体系结构
传统的微处理器采用的冯·诺依曼结构将指令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。哈佛结构主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。 
嵌入式微处理器指令系统
精简指令集系统RISC和复杂指令集系统CISC 流水线技术是现代微处理器普遍采用的一种技术，它可以使得几条指令并行执行，因此可以大大提高处理器的运行效率。 取指：从程序存储器中读取指令，放入流水线中。译码：操作码译码，决定执行什么功能。执行：执行已译码的指令。 数据宽度（类型） 字节型数据 数据宽度为8bits 半字数据类型 数据宽度为16bits，存取时必须以2字节对齐的方式 字数据类型 数据宽度为32bits，存取时必须以4字节对齐的方式 工作状态和工作模式ARM处理器有七种基本的工作模式，每一种工作模式只能访问自己的栈空间和不同的寄存器子集，有一些操作只能在特权模式下执行 用户模式（User）系统模式（System）异常模式 FIQ ---- 快速中断处理。用于处理高速数据传送或通道处理。IRQ ---- 用于一般中断处理。Supervisor ---- 特权模式。用于系统初始化或操作系统功能。Abort ---- 存储器保护异常处理Undefined ---- 未定义指令异常处理。
通用寄存器
通用寄存器是R0~R15，可以分为3类 没有对应影子寄存器的寄存器R0~R7 所有模式下，R0~R7对应的物理寄存器都是相同的，这8个寄存器是真正意义上的通用寄存器。 有对应影子寄存器的寄存器R8~R14 R8~R12只在FIQ模式下才有影子寄存器，各有2个物理寄存器：FIQ模式和非FIQ模式。R13、R14在FIQ、IRQ、Supervisor、Abort、Undefined模式下都有影子寄存器，各有6个物理寄存器，用户模式和系统模式共用，其他5个用于各异常模式。R13（SP指针）被用作栈指针，通常在系统初始化时需要对所有模式下的SP赋值，CPU会自动切换成相应模式下的值。R14（LR，链接寄存器）主要用于保存子程序返回地址或异常返回地址。 程序计数器R15（PC） 中断与异常 中断与异常的定义 ARM处理器把外部中断、程序引起的软件中断以及CPU内部的异常事件都以异常模式来处理。 外部中断：由于CPU外部的原因而改变程序执行流程的过程，属于异步事件，又称为硬件中断，可被屏蔽。软件中断（自陷）：通过处理器拥有的软件指令，可预期地使处理器正在运行的程序的执行流程发生改变，以执行特定的程序。异常：由CPU内部的原因（如遇到非法指令）或外部的原因（如访存的错误引起的事件。 ARM CPU将引起异常的原因分为7种，分别利用5种异常模式来对应，并使用中断向量表的方式进行异常响应
有些异常会同时发生，异常被赋以了优先级，据此决定被响应的顺序 在AMBA总线规范中，定义了3种总线 AHB(Advanced High-performance Bus)：高级高性能总线。用于高性能系统模块的连接，可以连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作。ASB(Advanced System Bus)：高级系统总线。用于高性能系统模块的连接，已被AHB总线替代。APB(Advanced Peripheral Bus)：高级外设总线。用于较低性能外设的简单连接，一般是接在AHB或ASB系统总线上的第二级总线。 串行总线 UART：通用异步串行收发器。可以实现全双工传输。RS-232用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。I2C：同步串行半双工串行通信接口。是IC器件之间互联的两线制总线规范。SPI：全双工同步串行接口。可用于单主控器同标准外设芯片的通信，也可用于组建多主同步网络。USB：通用串行总线。由差分数据线D+、D-和电源VCC、地GND四根信号线组成，D+，D-用于传送数据，VCC和GND用于向从机提供电源。 嵌入式系统存储器 主存 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。特点是速度快。ROM类：NorFlash、EPROM、E2PROM、PROM等。RAM类：SRAM、DRAM、SDRAM等。 外存 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存取用户的各种信息。常用的电子盘：NandFlash、DOC、DOM、CF、SM、SD、MMC 第三章 ARM汇编程序设计 ARM嵌入式微处理器指令集 ARM指令集概述 ARM属于RISC指令集，通过一系列简单的指令实现复杂的功能。ARM处理器主要实现两种指令集： 32位的ARM指令集16位的Thumb指令集 ARM指令集常用举例 数据处理指令 算术运算指令 ADD：加法指令ADC：带进位加法指令SUB：减法指令SBC：带错位减法指令RSB：逆向减法指令RSC：带错位逆向减法指令 逻辑运算指令 AND：逻辑与指令ORR：逻辑或指令EOR：异或指令BIC：位清零指令 比较运算指令 CMP：比较指令CMN：比较反值指令TST：位测试指令TEQ：相等测试指令 数据传送指令 MOV：数据传送指令MVN：数据取反传送指令 加载/存储指令 LDR：存储器到寄存器的数据传送指令 分支指令 B：跳转指令BL：带返回的跳转指令 状态寄存器访问指令 MRS：CPSR或SPSR到通用寄存器的数据传送指令MSR：通用寄存器到CPSR或SPSR的数据传送指令 协处理器指令 LDC：存储器到协处理器的数据传送指令STC：协处理器寄存器到存储器的数据传送指令 异常处理指令 SWI：软件中断指令
ARM指令所使用的的条件后缀
后缀含义标志EQ相等Z置位NE不相等Z清零CS/HS无符号大于或等于C置位CC/LO无符号小于C清零MI负数N置位PL正数或零N清零VS溢出V置位VC无溢出V清零HI无符号大于C置位Z清零LS无符号小于或等于C清零Z置位GE大于或等于N等于VLT小于N不等与VGT大于Z清零且N等于VLE大于或等于Z置位或N不等与VAL总是无条件执行
ARM处理器基本寻址方式
立即寻址
; 第二个源操作数即为立即数，要求以"#"为前缀，对于十六进制表示的立即数，还要求在"#"后加上"0x"，不加"0x"表示十进制数
MOV R0,#0x11 ;R0 = 0x11
ADC R0,R0,#99 ;R0 ← R0+99+C
寄存器寻址
; 利用寄存器中的数值作为操作数
ADD R0,R1,R2 ;R0 ← R1+R2
寄存器间接寻址
; 以寄存器中的值作为操作数地址，而操作数本身放在存储器中。用于间接寻址的寄存器必须用"[]"括起来
LDR R5,[R4] ;R5 ← [R4],间接寻址的寄存器是R4
STR R1,[R2] ;[R2] ← R1,间接寻址的寄存器是R2
寄存器移位寻址
; LSL：（逻辑左移），相当于无符号数x2
; ASR： （算术右移），相当于带符号的数除2
; LSR： （逻辑右移），相当于无符号数除2
; ROR：（循环右移），相当于位轮换
; RRX：（带扩展的循环右移），位轮换，从CF到MSB都参与
ADD R0，R1，R2，LSL #2 ;R0 = R1 + R2 |
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