第5章 嵌入式系統(tǒng)原理

第5章嵌入式系統(tǒng)原理5.1計(jì)算機(jī)組成原理5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.3ARM微處理器5.1計(jì)算機(jī)組成原理5.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件和軟件兩部分組成。硬件包括中央處理機(jī)、存儲(chǔ)器和外部設(shè)備等，軟件是計(jì)算機(jī)的運(yùn)行程序和相應(yīng)的文檔。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有接收和存儲(chǔ)信息，按程序快速計(jì)算和判斷并輸出處理結(jié)果等功能，其內(nèi)核是硬件系統(tǒng)，是進(jìn)行信息處理的物理裝置。最外層是使用計(jì)算機(jī)的人，即用戶。人與硬件系統(tǒng)之間的接口界面是軟件系統(tǒng)，它大致可分為系統(tǒng)軟件、支援軟件和應(yīng)用軟件三層。5.1計(jì)算機(jī)組成原理5.1計(jì)算機(jī)組成原理1.硬件硬件系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制系統(tǒng)和各種外部設(shè)備組成。中央處理器是對(duì)信息進(jìn)行高速運(yùn)算處理的主要部件，其處理速度最高可達(dá)每秒幾億次操作。2.軟件軟件系統(tǒng)的最內(nèi)層是系統(tǒng)軟件，它由操作系統(tǒng)、實(shí)用程序、編譯程序等組成：操作系統(tǒng)實(shí)施對(duì)各種軟硬件資源的管理控制；實(shí)用程序是為方便用戶所設(shè)，如文本編輯等；編譯程序的功能是把用戶用匯編語(yǔ)言或某種高級(jí)語(yǔ)言所編寫的程序，翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言程序。5.1計(jì)算機(jī)組成原理5.1.2系統(tǒng)總線1.系統(tǒng)總線概述系統(tǒng)總線，又稱內(nèi)總線或板級(jí)總線，是用來(lái)連接微機(jī)各功能部件來(lái)構(gòu)成完整微機(jī)系統(tǒng)的。系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，因此，系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）、地址總線AB（AddressBus）和控制總線CB（ControlBus）5.1計(jì)算機(jī)組成原理2.工作原理CPU通過(guò)系統(tǒng)總線對(duì)存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行讀寫，同樣通過(guò)總線，實(shí)現(xiàn)將CPU內(nèi)數(shù)據(jù)寫入外設(shè)，或由外設(shè)讀入CPU。3.功能分類（1）數(shù)據(jù)總線DB。用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。（2）地址總線AB。是專門用來(lái)傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲(chǔ)器或輸入輸出端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。（3）控制總線CB。用來(lái)傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)。5.1計(jì)算機(jī)組成原理5.1.3CPU1.CPU定義中央處理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。2.工作原理CPU從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中取出指令，放入指令寄存器，并對(duì)指令譯碼。3.基本結(jié)構(gòu)CPU包括運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件。5.1計(jì)算機(jī)組成原理（1）運(yùn)算邏輯部件，可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址的運(yùn)算和轉(zhuǎn)換。（2）寄存器部件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。（3）控制部件，主要負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個(gè)操作的控制信號(hào)。5.1.4存儲(chǔ)系統(tǒng)1.存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器（Memory）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。5.1計(jì)算機(jī)組成原理2.存儲(chǔ)器的構(gòu)成構(gòu)成存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)，目前主要采用半導(dǎo)體器件和磁性材料。存儲(chǔ)器中最小的存儲(chǔ)單位就是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個(gè)CMOS晶體管或磁性材料的存儲(chǔ)元，它可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制代碼。由若干個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元，然后再由許多存儲(chǔ)單元組成一個(gè)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的主要功能是存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中高速、自動(dòng)地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。3.存儲(chǔ)器用途根據(jù)存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用，可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器等。5.1計(jì)算機(jī)組成原理高速緩沖存儲(chǔ)器Cache：高速存取指令和數(shù)據(jù)存取速度快，但存儲(chǔ)容量小。主存儲(chǔ)器：內(nèi)存存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)，存取速度較快，存儲(chǔ)容量不大。外存儲(chǔ)器：外存存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)容量大，位成本低。按照與CPU的接近程度，存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存與外存。5.1計(jì)算機(jī)組成原理4.常用存儲(chǔ)器1）硬盤：硬盤（HardDiscDrive）是電腦主要的存儲(chǔ)媒介之一，由一個(gè)或者多個(gè)鋁制或者玻璃制的碟片組成。這些碟片外覆蓋有鐵磁性材料。絕大多數(shù)硬盤都是固定硬盤，被永久性地密封固定在硬盤驅(qū)動(dòng)器中。2）光盤：光盤以光信息做為存儲(chǔ)物的載體，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用聚焦的氫離子激光束處理記錄介質(zhì)的方法存儲(chǔ)和再生信息。3）U盤：U盤，全稱“USB閃存盤”，英文名“USBflashdisk”。4）ROM：ROM是只讀內(nèi)存（Read-OnlyMemory）的簡(jiǎn)稱，是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。5）RAM：RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）RAM-randomaccessmemory隨機(jī)存儲(chǔ)器。5.1計(jì)算機(jī)組成原理5.1.5輸入/輸出系統(tǒng)1.輸入輸出系統(tǒng)控制方式1）程序查詢方式這種方式通過(guò)在程序控制下CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序查詢方式是一種程序直接控制方式,這是主機(jī)與外設(shè)間進(jìn)行信息交換的最簡(jiǎn)單的方式,輸入和輸出完全是通過(guò)CPU執(zhí)行程序來(lái)完成的。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要少量的硬件電路即可，缺點(diǎn)是由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。5.1計(jì)算機(jī)組成原理2）中斷方式中斷是主機(jī)在執(zhí)行程序過(guò)程中，遇到突發(fā)事件而中斷程序的正常執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理突發(fā)事件，待處理完成后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過(guò)程。中斷過(guò)程如下：中斷請(qǐng)求，中斷響應(yīng)，中斷處理和中斷返回。中斷處理方式的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，它不但為CPU省去了查詢外設(shè)狀態(tài)和等待外設(shè)就緒所花費(fèi)的時(shí)間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的性能要求較高。5.1計(jì)算機(jī)組成原理3）直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式（DMA）DMA方式指高速外設(shè)與內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不通過(guò)CPU并且CPU不參加數(shù)據(jù)交換的控制。工作過(guò)程如下：外設(shè)發(fā)出DMA請(qǐng)求，CPU響應(yīng)DMA請(qǐng)求，把總線讓給DMA控制器，在DMA控制器的控制下通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。見圖5-5。DMA最明顯的一個(gè)特點(diǎn)是它不是用軟件而是采用一個(gè)專門的控制器來(lái)控制內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交流，無(wú)須CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。5.1計(jì)算機(jī)組成原理2.輸入輸出設(shè)備1)輸入設(shè)備常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。（1）鍵盤的分類。（2）鼠標(biāo)的分類。（3）掃描儀。2）輸出設(shè)備常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)等。（1）顯示器（2）打印機(jī)3）其它輸入輸出設(shè)備數(shù)碼相機(jī)DC，數(shù)碼攝像機(jī)DV，手寫筆，投影機(jī)，掃描儀，繪圖儀等5.1計(jì)算機(jī)組成原理3.I/O接口1）接口的功能使主機(jī)和外設(shè)能夠按照各自的形式傳輸信息。2）幾種接口（1）顯示卡：主機(jī)與顯示器之間的接口。（2）硬盤接口：IDE接口，EIDE接口，ULTRA接口和SCSI接口等。（3）串行接口：COM端口，也稱串行通信接口。（4）并行接口：是一種打印機(jī)并行接口標(biāo)準(zhǔn)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.定義IEEE的定義是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能，可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述可從幾方面來(lái)理解嵌入式系統(tǒng)：（1）嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力，才更具有優(yōu)勢(shì)。（2）嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)，電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。（3）嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。5.2嵌入式系統(tǒng)概述2.歷史20世紀(jì)60年代，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于電子機(jī)械電話交換的控制，當(dāng)時(shí)被稱為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)微處理器。20世紀(jì)80年代，總線技術(shù)飛速發(fā)展，把微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器，也俗稱單片機(jī)。20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。21世紀(jì)進(jìn)入全面的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，使嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中去也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。5.2嵌入式系統(tǒng)概述3.特點(diǎn)1）內(nèi)核小。2）專用性強(qiáng)。3）系統(tǒng)精簡(jiǎn)。4）高實(shí)時(shí)性。5）多任務(wù)。6）需開發(fā)環(huán)境。5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.2嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將嵌入式系統(tǒng)分為以下四類：1.單個(gè)微處理器2.不帶計(jì)時(shí)功能的微處理器裝置3.帶計(jì)時(shí)功能的組件4.在制造或過(guò)程控制中使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.3嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的４位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的８位單片機(jī)，到最新受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。（1）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的（2）嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)，也稱微控制器，其典型代表是單片機(jī)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述（3）嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)是專門用于信號(hào)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(jì)，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。（4）嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SoC)最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)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。5.2.4嵌入式系統(tǒng)的組成作為一個(gè)“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的嵌入式系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩大部分組成。1．嵌入式系統(tǒng)硬件部分嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心部件就是嵌入式處理器。ARM處理器是一個(gè)典型的嵌入式處理器，現(xiàn)在全世界嵌入式處理器的品種已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)多達(dá)30多個(gè)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)硬件部分除了嵌入式處理器核心部分外，還包括豐富的外圍接口。也正是基于這些豐富的外圍接口，才帶來(lái)嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越豐富的應(yīng)用。2．嵌入式系統(tǒng)軟件部分嵌入式系統(tǒng)軟件部分一般是由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分組成。嵌入式系統(tǒng)軟件可以分成啟動(dòng)代碼（BootLoader）、操作系統(tǒng)內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)（Kernel&Driver）、文件系統(tǒng)與應(yīng)用程序（FileSystem&Application）等幾部分。文件系統(tǒng)則可以讓嵌入式軟件工程師靈活方便地管理系統(tǒng)。應(yīng)用程序才是真正針對(duì)需求的，才有可能是嵌入式軟件工程師完全自主開發(fā)的。5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.5嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用（1）工業(yè)控制。（2）交通管理。（3）信息家電。（4）家庭智能管理系統(tǒng)。（5）POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)。（6）環(huán)境工程與自然。（7）機(jī)器人。（8）機(jī)電產(chǎn)品方面應(yīng)用。5.3ARM微處理器5.3.1ARM微處理器概述1.ARM處理器簡(jiǎn)介ARM（Advanced

RISC

Machines）是一類嵌入式微處理器，同時(shí)也是一個(gè)公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英國(guó)劍橋，它是一家專門從事16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)的供應(yīng)商。ARM公司從成立至今，在短短幾十年的時(shí)間就占據(jù)了75%的市場(chǎng)份額，如今，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。5.3ARM微處理器2.ARM處理器特點(diǎn)（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；（5）尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；（6）指令長(zhǎng)度固定。3.應(yīng)用到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：（1）工業(yè)控制領(lǐng)域（2）無(wú)線通訊領(lǐng)域（3）應(yīng)用（4）消費(fèi)類電子產(chǎn)品（5）成像和安全產(chǎn)品5.3ARM微處理器5.3.2ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.體系結(jié)構(gòu)1）CISC（Complex

Instruction

SetComputer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）在CISC指令集的各種指令中，大約有20%的指令會(huì)被反復(fù)使用，占整個(gè)程序代碼的80%。而余下的80%的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計(jì)中只占20%。2）RISC（Reduced

Instruction

Set

Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯