中国矿业大学嵌入式系统开页纸4小页(用这个考试必过高分).docx
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2022-06-12
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第一章定义：带有微处理器的专用软硬件系统称为“嵌入式系
统”； 技术的角度：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。
嵌入式系统特点三要素：嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象
环境要求。专用性：软硬件按对象要求裁减。计算机：实现对象
的智能化功能嵌入式系统发展的四个阶段 （）无操作系统阶
段： 以单芯片为核心的可编程控制器系统。 应用于专业性极强
的工业控制系统 。通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行
结束后清除内存。 系统结构和功能相对单一，效率较低，存储容
量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价
格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但是不能适应现代
化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。（）简单操作系
统阶段 ：以嵌入式 为基础、以阿简单操作系统为核心的嵌
入式系统。主要特点： 种类繁多，通用性比较弱；系统开销
小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较
专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控
应用程序运行。（）实时操作系统阶段 ：以嵌入式操作系统为
标志的嵌入式系统。主要特点：嵌入式操作系统能运行于各种不
同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，
并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支
持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大
量的应用程序接口（），开发应用程序简单；嵌入式应用软
件丰富。（）面向 阶段：是以嵌入式 为标志
随着 的发展以及 技术与信息家电、工业控制
技术等结合日益密切，代表着嵌入式技术的真正未来。
嵌入式系统的发展趋势:硬件：精简系统内核、优化关键算法，
降低功耗软件：嵌入式操作系统便于移植、源代码开放、内核小 、
执行效率高、网络结构完整；开发平台强大的硬件开发工具、软
件支持包
嵌入式系统由嵌入式微处理器、外围硬件设计备、嵌入式操作
系统及用户应用程序
。
中间层也称为 硬件抽象层 或板级支持包 ），包括了
系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。它把系统软件与底层
硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。 BSP
具有以下两个特点：操作系统相关性 硬件相关性 功能：相
关底层硬件初始化、数据的输入输出操作、硬件设备的配置。 设
计一个完整的 BSP 需要完成两部分工作：嵌入式系统的初始
化硬件初始化和软件初始化的过程；而操作系统启动之前的初始
化操作是 的主要功能之一； 初始化过程总可以抽象为三个
主要环境，按照 自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初
始化、板级初始化和系统级初始化。设计硬件相关的设备驱动
自顶向下。RTOS: !"#是指能够
在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或
异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要
的大量数据。
的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生
这个结果的时间。
是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 实际上是一
段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户
的主程序，用户的其他应用程序都建立在 之上。
是一个标准的内核，它将 时钟、中断、、定时器
等资源都封装起来，留给用户的是一个标准的 函数接口。
软件层由$%嵌入式操作系统、文件系统、图形用户接口
（&）、网络系统及通用组件模块组成。
ARM7—冯·诺依曼体系将数据与指令存储在同一存储器中，
统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。
取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 被大多数计
算机采用
ARM9 是哈佛结构:程序存储器与数据存储器分开，是两个相
互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。设置了程序
总线和数据总线，使数据的吞吐率提高了一倍。并行体系结构，
取址和执行能完全重叠运行。适合于数字信号处理。大多数 '
都是哈佛结构
流水线指令：几个指令并行执行： 提高了 的运行效率，
内部信息流要求通畅流动 CISC：复杂指令集;RISC：精简指令
集
嵌入式处理器的结构和类型 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。
一般都具有较高的集成度。((( 多种硬件处理器，分为 )
（微处理器）、 )（控制器）、' 、 （片上系统）
#* +（可编程片上系统）、多核处理器。 核：具有知识产权
的、功能具体的、接口规范的、可在多个集成电路设计中重复使
用的功能模块，是实现 的基本构件。软 核固 核硬 核
典型嵌入式处理器) 处理器,) 处理器,*- 处理器
, 处理器 ,./0 处理器嵌入式系统设计的特点面向特定应用
的系统；硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余；
设计需要交叉开发环境； 程序需要固化； 软件开发难度较大；
还需要提供强大的硬件开发工具和软件包的支持，需要设计者从
速度、功能和成本综合考虑。嵌入式系统的开发通常采用“宿主机
目标机”方式。宿主机（*#）是一台通用的计算机，一般是
机。 它 通过串 口或网络 连接与 目标机进 行通信 。 目标 机
（!）常用在嵌入式系统的开发过程期间。目标机可以是嵌
入式系统的实际运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统 。
首先，利用宿主机上丰富的设备资源以及良好的开发环境来开发
和仿真调试目标机上的软件。通过 接口或 12 接口
将交叉编译生成的目标代码传输并下载到目标机上，并用交叉调
试器在实时内核操作系统或监控程序的支持下进行实时分析和调
试。最后，目标机在特定的环境下运行。开发设计流程：系统
需求分析；规格说明，对需设计的系统功能进行更细致地描述，
这些描述并不涉及系统的组成；系统结构设计，在这一阶段以大
的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分 ；
构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件
电路设计；系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统
集成，构造出所需的完整系统。调试方法：指令集模拟器：利
用 机端的仿真开发软件模拟调试的方法。驻留监控软件：驻
留监控程序运行在目标板上， 机端调试软件可通过并口、串口、
网口与之交互，以完成程序执行、存储器及寄存器读写、断点设
置等任务。在线仿真器：使用仿真头代替目标板上的 ，可以
完全仿真 ) 芯片的行为。但结构较复杂，价格昂贵，通常用
于 ) 硬件开发中。3& 仿真器：通过 ) 芯片的 3& 边界
扫描口与 ) 核进行通信，不占用目标板的资源，是目前使用
最广泛的调试手段。
二章 ) 体系结构
)4 、 5 、 51 、 (1 、 +6* 、 的
7#+、*. 系列
寄存器体系结构特点：支持 268) 双指令集；指令执行
采用 级9 级流水线；带有指令和数据 ++2，大量使用寄存器，
指令执行速度更快；支持大端格式和小端格式两种方法储字数据 ；
支持字节、半字和字 种数据类型；支持七种处理器模式；嵌入
了在线仿真 1: 逻辑；具有片上总线 )；采用存储器映
像 的方式；具有协处理器接口；采用降低电源电压；体积小，
成本低，性能高。
运行模式
除用户模式外，其它模式均为特权模式。) 内部寄存器和一些
片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特权模式下
访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式
不能直接切换到别的模式。
这五种模式称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，
也可以由特定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入相
应的模式。每种异常模式都有一些独立的寄存器，以避免异常退
出时用户模式的状态不可靠。
工作状态：一为 ) 状态，处理器执行 位的字对齐的 )
指令；二种为 268 状态，处理器执行 0 位的、半字对齐的
268 指令。
ARM 与 Thumb 比较：) 处理器是基于精简指令集计算机
;原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单。 ) 体
系结构在 < 版中增加了 0 位 268 指令集。) 指令集效
率高，但是代码密度低268 指令集具有较高的代码密度，却
仍然保持 ) 的大多数性能上的优势，它是 ) 指令集的子集。
进入 Thumb 状态当操作数寄存器的状态位为 时，可以采用执
行 7 指令的方法，使微处理器从 ) 状态切换到 268 状态。
此 外 ， 当 处 理 器 处 于 268 状 态 时 发 生 异 常 （ 如
= 、 >= 、 ?@ 等 ） ， 则 异 常 处 理 返 回 时 ， 自 动 切 换 到
268 状态。 进入 ARM 状态当操作数寄存器的状态位为 ( 时，
执行 7 指令时可以使微处理器从 268 状态切换到 ) 状态。
此外，在处理器进行异常处理时，把 指针放入异常模式链接
寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切
换到 ) 状态。
寄存器组织： ARM 处理器共有 37 个 32 位寄存器寄存器， 31 个
通用寄存器和 6 个状态寄存器。 它们不能在同一使劲同时被访问，
对其的访问取决于处理器状态和处理器模式。 R13：堆栈指针，
用于保存堆栈的出入口处地址、保存待使用寄存器的内容 R14：
连接寄存器，当使用 BL 指令调用子程序时，返回地址将自动存入
14 中；当发生异常时，将 R14 对应的异常模式版本设置为异常返
回地址；其他时作为通用寄存器。 R15：程序寄存器，总是指向
正在“取指”的指令，在 ARM 状态下，R15 的 bit[1：0]是无定义且
必须被忽略的，而 R15 的 bit[31：2]含有程序计数值。在 Thumb
状 态 下 ， R15 的 bit[0] 是 无 定 义 且 必 须 被 忽 略 的 ， 而 R15 的
bit[31：1]含有程序计数值。 CPSR：为程序状态寄存器，在异常
模式中，另外一个寄存器“程序状态保存寄存器（SPSR）”可以被
访问。每种异常都有自己的 SPSR，在进入异常时它保存 CPSR 的
当前值，异常退出时可通过它恢复 CPSR
) 内核包含 个 和 9 个供异常处理程序使用的 。
简 述 各 部 分 的 作 用 。
A
N：运算结果的最高位反映在该标志位。对于有符号二进制补码，
结果为负数时 BC，结果为正数或零时 BC(； Z：指令结果为
( 时 DC（通常表示比较结果“相等”），否则 DC(； C：当进行
加法运算;包括 )B 指令，并且最高位产生进位时 C，否则
C(。当进行减法运算;包括 )A指令，并且最高位产生借位
时 C(，否则 C。对于结合移位操作的非加法减法指令，
为从最高位最后移出的值，其它指令 通常不变； V：当进行加
法减法运算，并且发生有符号溢出时 <C，否则 <C(，其它指
令 < 通常不变。 Q 位：仅 )A913 架构支持指示增强型 '
指令是否溢 出 J 位仅 )A913 架构支持 ， 3C处 理器 处于
3E 状态 中断禁止位包括 和 > 位：当 位置位时，= 中断
被禁止；当 > 位置位时，>= 中断被禁止。T 位反映了正在操作
的状态：当 位为 时，处理器正在 268 状态下运行；当
位清零时，处理器正在 ) 状态下运行。 Mode 位(处理器模
式 位 (8((((A# ， (8(((A>= ， (8(((A
=，(8((A6 F#*，(8(A8*，(8(A?
G?，(8A"#
不同的异常将导致处理器进入不同的工作模式，并执行不同特
定地址的指令
各异常类型具有不同的优先级。
复位——发生时，处理器立即停止当前程序，进入禁止中断的
管理模式，并从地址 (.(((((((( 处开始执行；
0 未定义指令——在 ) 处理器或协处理器认为当前指令未定义
时发生；
软件中断——当用户模式下的程序使用指令 4H 时，处理器便
产生软件中断，进入管理模式，以调用特权操作。
9 指令预取中止——当处理器预取指令的地址不存在，或该地址
不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出中止信号；只有当
预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常。
数据访问中止——若处理器数据访问指令的地址不存在，或该
地址 不允许当前指令访问时，产生数据中止异常；
外部中断请求——当处理器的外部中断请求引脚有效，而且
中的 位为 ( 时，产生 = 异常。系统外设可通过该异常
请求中断服务。
快速 中断请求 ——处 理器的快 速中断 请求引脚 有效， 而且
中的 > 位为 ( 时，产生 >= 异常。
复位：当 11 信号被拉低时（一般外部复位引脚电平的变
化和芯片的其它复位源会改变这个内核信号），处理器放弃正在
执行的指令。
在复位后，除 和 之外的所有寄存器的值都不确定。当
11 信号再次变为高电平时，) 处理器执行下列操作：
强制 中的 )$(%变为 8((（管理模式）；
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