【免费】嵌入式系统结构与操作系统教学大纲1资源-CSDN文库

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《嵌入式系统结构与操作系统》课程教学大纲

一、课程的基本情况

课程中文名称：嵌入式系统结构与操作系统

课程英文名称：Embedded System Architecture and Operating System

课程类别：专业课（模块）

课程性质：限选课

总学时：54 讲课学时：54 实验学时：单独开设实践课程

学分：3.5

授课对象：计算机科学与技术

前导课程：操作系统；计算机组成原理

二、教学目的

该课程针对目前最流行的 32 位嵌入式处理器 ARM 体系结构、指令系统及其应用开发方

法进行讲授。通过理论教学和实践教学，使学生掌握嵌入式系统体系结构，嵌入式处理器结

构（ARM 架构为主），异常处理，存储处理，系统控制过程，流水线作业及各种 I/O 接口；

嵌入式系统开发应用方法；嵌入式操作系统，实时多任务操作系统，基于 Android 的系统级

开发方法。

三、教学内容及基本要求

第 1 章 ARM 微处理器概述

本章简要介绍 ARM 微处理器的一些基本概念、特点及应用领域，使读者对 ARM

微处理器及相关技术有一个大致的了解，为后续章节的学习打下基础。

本章主要内容包括：

● ARM 微处理器概述

● ARM 微处理器体系结构

● ARM 微处理器系列

● ARM 微处理器的应用与选型

1.1 ARM 微处理器概述

1.1.1 ARM 公司简介

ARM 于 1990 年 11 月在英国伦敦成立，前身为 Acorn 计算机公司，后改名

Advance RISC Machines Limited 公司（ARM 公司）。ARM 既可以认为是一个公司

的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

1.1.2 ARM 微处理器的特点

本章介绍了采用 RISC 架构的 ARM 微处理器的一般特点。

1.2 ARM 微处理器系统结构

1.2.1 ARM 体系结构的版本

ARM 指令集体系结构，从最初开发至今已有了重大改进，而且将会不断完善

和发展。为了精确表达每个 ARM 实现中所使用的指令集，到目前 ARM 体系结构共

定义了 7 个版本，以版本号 v1～v7 表示。

1.2.2 ARM 体系结构的变种及命名格式

（1）Thumb 指令集（T 变种）

（2）长乘法指令（M 变种）

（3）增强型 DSP 指令（E 变种）

（4）Java 加速器 Jazelle（J 变种）

（5）SIMD 变种（ARM 媒体功能扩展）

1.2.3 ARM 系统结构的命名格式

ARM 体系架构版本号一般命名格式：ARM vN（x）B（x）B …

1.3 ARM 微处理器系列

1.3.1 ARM7 微处理器

ARM7 采用采用 ARMV4T 冯·诺依曼（Von-Neumann）结构，数据存储器和程

序存储器重合在一起。同时，此结构也被大多数计算机所采用。

1.3.2 ARM9 微处理器

ARM9 采用 ARMV4T 哈佛（Harvard）结构，程序存储器与数据存储器分开，

提供了较大的存储器带宽。同时，大多数 DSP 都采用此结构。

1.3.3 ARM9E 微处理器

ARM9E 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制

器、DSP、Java 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程

度。

1.3.4 ARM10E 微处理器

ARM10E 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系

结构（6 级整数流水线，指令执行效率更高），与同等的 ARM9 器件相比较，在

同样的时钟频率下，性能提高了近 50％，同时，ARM10E 系列微处理器采用了两

种先进的节能方式，使其功耗极低。

1.3.5 SecurCore 微处理器

SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的 32 位 RISC

技术的安全解决方案，因此，SecurCore 系列微处理器除了具有 ARM 体系结构的

低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支

持。

1.3.6 StrongARM 微处理器

StrongARM 系列处理器是英特尔旗下的嵌入式处理器，基于 ARMV4T 结构，

旨在支持 WinCE3.0-PocketPC 系统。

1.3.7 Xscale 微处理器

Xscale 处理器是基于 ARMv5TE 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性

价比、低功耗的处理器。它支持 16 位的 Thumb 指令和 DSP 指令集，已使用在数

字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。

1.3.8 ARM Cortex 系列微处理器

基于 ARMv7 版本的 ARM Cortex 系列产品由 A、R、M 三个系列组成，具体分

类延续了一直以来 ARM 面向具体应用设计 CPU 的思路。

1.4 ARM 微处理器的应用与选型

1.4.1 ARM 微处理器的应用领域

到目前为止，ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。

1.4.2 ARM 微处理器的应用选型

鉴于 ARM 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，ARM

微处理器必然会获得广泛的重视和应用。

1.5 本章小结

本章对 ARM 微处理器、ARM 微处理器体系结构等基本概念做了一些简单的介

绍，希望读者通过对本章的阅读，能对 ARM 微处理器、ARM 微处理器的相关技术

及应用有一个总体上的认识。

第 2 章 ARM 微处理器的指令系统

本章介绍 ARM 指令集、Thumb 指令集，以及各类指令对应的寻址方式，通过

对本章的阅读，希望读者能了解 ARM 微处理器所支持的指令集及具体的使用方法。

本章的主要内容包括：

● ARM 指令集、Thumb 指令集概述。

● ARM 指令集的分类与具体应用。

● Thumb 指令集简介及应用场合。

2.1 ARM 微处理器的指令集概述

2.1.1 ARM 微处理器的指令的分类与格式

ARM 微处理器的指令集是加载/存储型的，也即指令集仅能处理寄存器中的

数据，而且处理结果都要放回寄存器中，而对系统存储器的访问则需要通过专门

的加载/存储指令来完成。

2.1.2 指令的条件域

当处理器工作在 ARM 状态时，几乎所有的指令均根据 CPSR 中条件码的状态

和指令的条件域有条件的执行。当指令的执行条件满足时，指令被执行，否则指

令被忽略。

2. 2 ARM 指令的寻址方式

所谓寻址方式就是处理器根据指令中给出的地址信息来寻找物理地址的方

式。

2.2.1 立即寻址

立即寻址也叫立即数寻址，这是一种特殊的寻址方式，操作数本身就在指令

中给出，只要取出指令也就取到了操作数。

2.2.2 寄存器寻址

寄存器寻址就是利用寄存器中的数值作为操作数，这种寻址方式是各类微处

理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式。

2.2.3 寄存器间接寻址

寄存器间接寻址就是以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放

在存储器中。

2.2.4 基址变址寻址

基址变址寻址就是将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令

中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。

2.2.5 多寄存器寻址

采用多寄存器寻址方式，一条指令可以完成多个寄存器值的传送。这种寻址

方式可以用一条指令完成传送最多 16 个通用寄存器的值。

2.2.6 相对寻址

与基址变址寻址方式相类似，相对寻址以程序计数器 PC 的当前值为基地址，

指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。

2.2.7 堆栈寻址

堆栈是一种数据结构，按先进后出（First In Last Out，FILO）的方式工

作，使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置，堆栈指针总是指

向栈顶。

2.3 ARM 指令集

本节对 ARM 指令集的六大类指令进行详细的描述。

2.3.1 跳转指令

跳转指令用于实现程序流程的跳转，在 ARM 程序中有两种方法可以实现程序

流程的跳转：

（1）使用专门的跳转指令。

（2）直接向程序计数器 PC 写入跳转地址值。

2.3.2 数据处理指令

数据处理指令可分为数据传送指令、算术逻辑运算指令和比较指令等。

2.3.3 乘法指令与乘加指令

ARM 微处理器支持的乘法指令与乘加指令共有 6 条，可分为运算结果为 32

位和运算结果为 64 位两类，

2.3.4 程序状态寄存器访问指令

ARM 微处理器支持程序状态寄存器访问指令，用于在程序状态寄存器和通用

寄存器之间传送数据。

2.3.5 加载/存储指令

ARM 微处理器支持加载/存储指令用于在寄存器和存储器之间传送数据，加

载指令用于将存储器中的数据传送到寄存器，存储指令则完成相反的操作。

2.3.6 批量数据加载/存储指令

ARM 微处理器所支持批量数据加载/存储指令可以一次在一片连续的存储器

单元和多个寄存器之间传送数据，批量加载指令用于将一片连续的存储器中的数

据传送到多个寄存器，批量数据存储指令则完成相反的操作。

2.3.7 数据交换指令

ARM 微处理器所支持数据交换指令能在存储器和寄存器之间交换数据。

2.3.8 移位指令（操作）

ARM 微处理器内嵌的桶型移位器（Barrel Shifter），支持数据的各种移位

操作，移位操作在 ARM 指令集中不作为单独的指令使用，它只能作为指令格式中

是一个字段，在汇编语言中表示为指令中的选项。

2.3.9 协处理器指令

ARM 微处理器可支持多达 16 个协处理器，用于各种协处理操作，在程序执

行的过程中，每个协处理器只执行针对自身的协处理指令，忽略 ARM 处理器和其

他协处理器的指令。

2.3.10 异常产生指令

ARM 微处理器所支持的异常指令有如下两条：

● SWI 软件中断指令

● BKPT 断点中断指令

2.4 Thumb 指令及应用

2.5 本章小节

本章系统的介绍了 ARM 指令集中的基本指令，以及各指令的应用场合及方法，

由基本指令还可以派生出一些新的指令，但使用方法与基本指令类似。与常见的

如 X86 体系结构的汇编指令相比较，ARM 指令系统无论是从指令集本身，还是从

寻址方式上，都相对复杂一些。

第 3 章 ARM11 综述

ARM 11 系列微处理器是 ARM 公司近年推出的基于 ARMv6 架构的新一代 RISC

处理器，主要应用在消费类电子、无线设备、网络应用和汽车电子领域。ARM11

处理器软件可以与以前所有 ARM 处理器兼容，井引人了用于媒体处理的 32 位

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