ARM和嵌入式系统设计1

1、基于ARM的嵌入式系统设计主要内容主要内容ARM体系结构体系结构 嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识ARM汇编指令汇编指令 嵌入式系统软件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统无处不在v经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速v嵌入式系统无处不在 嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。现实中的嵌入式系统什么是嵌入式系统？v嵌入式系统的定义“用于控制、监视

2、或者辅助操作机器和设备的装置”v嵌入式系统是软件和硬件的综合体，下面给出两种比较合理定义：从技术的角度定义：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从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统 嵌入式系统：是指由嵌入式系统：是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。 (4) 片上系统（片上系统（System On

3、 ChipSOC）。）。 其中其中: :嵌入式处理器嵌入式处理器主要包括主要包括(1) 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit)； (2) 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit) ，即单片机，即单片机 ；(3) 嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器(Embedded Digital Signal Processor)；其中其中: :相关支撑器件相关支撑器件主要包括主要包括定时器、序列发生器、控制器、各种传感器、定时器、序列发生器、控制器、各种传感器、显示设备显示设备(LCD、LED等等)、

4、通讯设备通讯设备(Modem，GPS，GSM，GPRS，CDMA，IrDA/Fast IrDA, Bluetooth等等)、接口设备（接口设备（R232，IEEEl394 ，USB， PC卡，卡，Smart卡，卡，EthernetFast Ethernet，Parallel等等)。 嵌入式系统：是指由嵌入式系统：是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。 其中其中: :存储器存储器主要包括主要包括(1) 只读存储器（只读存储器（Read

5、 Only MemoryROM）;(2) 随机存储器（随机存储器（Read Random MemoryRAM） ;(3) 闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFLASH） ;(4) 电子硬盘（电子硬盘（Electronic Hard Disk EHD）. 嵌入式系统：是指由嵌入式系统：是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。 其中其中: :嵌入式软件系统嵌入式软件系统主要包括主要包括(1) 与与硬件相关的底层支持软件；硬件

6、相关的底层支持软件；(2) 嵌入式操作系统；嵌入式操作系统；(3) 图形用户界面图形用户界面（Graphics User InterfaceGUI）；）；(4) 嵌入式数据库系统嵌入式数据库系统 ；(5) 各种嵌入式控制与应用软件各种嵌入式控制与应用软件 。 嵌入式系统：是指由嵌入式系统：是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。 主要特点主要特点：系统结构和功能都相对单一，处理效率系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，

7、几乎没有用户接口。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、价格很低，以由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。控制和新兴的信息家电等领域的需求。 第一阶段：第一阶段：以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。嵌入式系统的发展历史第二阶段：

8、第二阶段：以嵌入式以嵌入式CPUCPU为基础、以简单操作系统为核心的为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。嵌入式系统。主要特点：主要特点：CPUCPU种类繁多，通用性比较弱；系统开种类繁多，通用性比较弱；系统开销小销小, , 效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展效率高；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的运行。要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。第三阶段：第三阶段：以片上系统（以片上系统（SOCSOC）和嵌入式操作系统为标志的）和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。嵌

9、入式系统。 主要特点：主要特点：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型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窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（口（APIAPI），开发应用程序简单；嵌入式应用软件），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。丰富。 第四阶段：第四阶段：以基于以基于Inter

10、netInternet为标志的嵌入式系统，这是一个为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段正在迅速发展的阶段 目前大多数嵌入式系统还孤立于目前大多数嵌入式系统还孤立于InternetInternet之外，之外，但随着但随着InternetInternet的发展以及的发展以及InternetInternet技术与信息家技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与InternetInternet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 嵌入式系统的几个重要特征v 系统内核小 应用于小型电子装置的，系统资源

11、相对有限v 专用性强 个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植v 系统精简 一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂v 高实时性操作系统 软件要求固态存储，以提高速度 软件代码要求高质量和高可靠性、实时性v 嵌入式软件开发走向标准化v 嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势v微处理器：精简系统内核，优化关键算法，降低微处理器：精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。功耗和软硬件成本。vLinuxLinux、Windows CEWindows CE、Palm OSPalm OS等嵌入式操

12、作等嵌入式操作系统：嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于系统：嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能够在短时间内支持高、网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多的微处理器更多的微处理器典型嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设典型嵌入式系统基本组成软件处理器处理器存储器存储器输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构需要理解的几

13、个概念体系结构CISCRISC处理器类型信息存储 流水线流水线嵌入式系统嵌入式系统体系结构体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据2指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构 哈佛体系结构哈佛体系结构二者的特点冯冯诺依曼体系结构特点诺

14、依曼体系结构特点数据与指令都存储在存储器中数据与指令都存储在存储器中被大多数计算机所采用被大多数计算机所采用数据和程序存储器是共享数据总线的数据和程序存储器是共享数据总线的哈佛体系结构特点哈佛体系结构特点程序存储器与数据存储器分开程序存储器与数据存储器分开提供了较大的数存储器带宽提供了较大的数存储器带宽适合于数字信号处理适合于数字信号处理大多数大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构CISC和和RISCCISC(Complex Instruction Set Computer) (复杂指令集计算机复杂指令集计算机)RISC(Reduced Instruction Set Computer) (精简

15、指令集计算机精简指令集计算机)当前当前CPU的两种架构的两种架构区别在于不同的区别在于不同的CPU设计理念和方法设计理念和方法两种指令集的特点两种指令集的特点p具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式p8/2原则：原则：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令p大多数程序只使用大多数程序只使用少量少量的指令就能够运行。的指令就能够运行。p指令复杂化、编译复杂化，运行时间长，部件效率指令复杂化、编译复杂化，运行时间长，部件效率不高，不利于并行处理和不高，不利于并行处理和VLSI的实现的实现p在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令p确保数据通道快速执行每一条指令确保数

16、据通道快速执行每一条指令p使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单p将频率最高的操作作为指令系统的基本操作将频率最高的操作作为指令系统的基本操作p代码密度不高代码密度不高 p适于适于VLSI、并行处理的发展趋势、并行处理的发展趋势 CISC RISCRISC在在RISC架构的架构的CPU上，要求软件来指上，要求软件来指定各个操作步骤。定各个操作步骤。将将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作都必器，相乘和将结果写回内存的操作都必须由软件来实现，比如：须由软件来实现，比如：MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; M

17、UL A, B; STR ADDRA, A。这种架构可以降低这种架构可以降低CPU的复杂性以及的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的强大的CPU，但对于编译器的设计有更，但对于编译器的设计有更高的要求。高的要求。 举例对比举例对比 举例：乘法运算CISC在在CISC架构的架构的CPU上，一条指令：上，一条指令：MUL ADDRA, ADDRB就可以将就可以将ADDRA和和ADDRB中的数相乘并将结中的数相乘并将结果储存在果储存在ADDRA中。中。将将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作存器，相乘和将

18、结果写回内存的操作全部依赖于全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。中设计的逻辑来实现。这种架构会增加这种架构会增加CPU结构的复杂性和结构的复杂性和对对CPU工艺的要求，但对于编译器的工艺的要求，但对于编译器的开发十分有利。开发十分有利。vCISC复杂指令并不等于有利于缩短程序的执行时间。在VLSI制造工艺中要求CPU控制逻辑具有规整性，而CISC为了实现大量复杂的指令，控制逻辑极不规整，给VLSI工艺造成很大困难.vRISC的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算效率。大部分指令控制在一个或小于一个机器周期内完成；以硬布线控制逻辑为主，

19、不用或少用微码控制CISC与与RISC的数据通道的数据通道IFIDALUMEMREG微操作通道微操作通道开始开始退出退出IFIDREGALUMEM开始开始退出退出单通数据通道单通数据通道流水线技术流水线技术流水线的基本概念流水线的基本概念流水线技术的基本思想：是将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。流水线结构的类型众多，按完成的功能分类可分为单功能流水线和多功能流水线，按同一时间内各段之间的连接方式分类可静态流水线和动态流水线，按数据表示分类可分为标量流水线处理器和向量流水线处理器。例如把指令的执行过程细分为取指令、指令译码、取操作数

20、和执行4个子过程。西安电子科技大学电子对抗研究所取指令（Instruction Fetch)：TF指令译码（Instruction Decode）：TD执行指令（Instruction Execute）：TE存储（Storage）：TS 每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS 流水线技术流水线技术：几个指令可以并行执行：几个指令可以并行执行 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp信息存储信息存储 v1 大端和小端存储法大端和小端存储法 对于一个多字节类型的数

21、据，在存储器中存放。 小端字节顺序存储法：低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处； 大端字节顺序存储法：高字节数据存放在低地址处，低字节数据存放在高地址处。v2 可移植性问题：可移植性问题：当在不同存储顺序的微处理器间进行程序移植时，要特别注意存储模式的影响。在多台不同存储顺序的主机之间共享信息可以有两种方式：单一存储方式共享数据、允许主机以不同的存储方式共享数据。3通信中的存储顺序问题：通信中的存储顺序问题：在网络通信中，Internet协议（即IP协议）定义了标准的网络字节顺序。该字节顺序被用于所有设计使用在IP协议上的数据包、高级协议和文件格式上。很多网络设备也存在存

22、储顺序问题.即字节中的位采用大端法（最重要的位优先）或小端法（最不重要的位优先）发送4数据格式的存储顺序：数据格式的存储顺序：一个典型的例子就是日期表示方法，不同的国家采用不同的表示方法嵌入式微控制器嵌入式微控制器v嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称为单片机：芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器具有单片化、体积小、功耗和成本低，可靠性高等特点，约占嵌入式系统市场份额的70。嵌入式微控制器品种和数量很多，

23、典型产品有8051、MCS-51、MCS-96/196/296、 C166/167、68K系列，TI公司的MSP430系列，以及C540、C541，并且有支持I2C、CAN-BUS、 LCD及众多专用嵌入式微控制器和兼容系列。西安电子科技大学电子对抗研究所嵌入式微处理器嵌入式微处理器v嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）由通用计算机中的由通用计算机中的CPU发展而来发展而来，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功

24、耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一个芯片上。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列等。v 目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。嵌入式嵌入式DSP处理器处理器v嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor，DSP）是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输

25、的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的CPU还快1050倍.嵌入式片上系统嵌入式片上系统v嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）：v在单芯片上集成微控制器、数字信号处理器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。是90年代中期出现的一个概念，成为现代集成电路设计的发展方向。最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，而且具有极高的综合性，用户只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标

26、准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产，设计生产效率高。IP核（核（Intellectual Property Core，知识产，知识产权核）权核）IP核：核：是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。IP核分为：核分为： IP软核及软核及IP硬核。硬核。IP软核以源代码的形式提供的，IP知识产权不易保护；IP硬核易于实现IP保护，缺点是灵活性和可移植性差。多核处理器多核处理器v将两个或多个CPU核封装在一个芯片内部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还能显著提高处理器的性能。另外，由于多核处理器对外的“界

27、面”是统一的，用户不会在主板、硬件体系方面做大的改变，从兼容性和系统升级成本方面来考虑有诸多的优势。v实现两个或多个内核协调工作通常采用：对称（Symmetric）多处理技术和非对称多处理（Asymmetric）两种方式。例如IBM Power 4处理器采用对称多处理技术，将两颗完全一样的处理器封装在一个芯片内，达到双倍或接近双倍的处理性能，由于共享了缓存和系统总线，因此这种做法的优点是能节省运算资源。例如TI公司的OMAP5910双核处理器采用一种非对称多处理的工作方式，即两个处理内核彼此不同，各自处理和执行特定的功能，在软件的协调下分担不同的计算任务，比如一个执行加密，而另一个执行TCP/

28、IP协议处理。 嵌入式系统嵌入式系统广泛应用于工业、广泛应用于工业、农业、商业、金融、科研、国防、农业、商业、金融、科研、国防、医疗、运输等一系列关系国民经医疗、运输等一系列关系国民经济的各个领域。济的各个领域。嵌入式系统的应用领域1)1)自动化控制领域自动化控制领域 （1 1）自动化制造设备；）自动化制造设备； （2 2）发电厂；）发电厂； （3 3）化工过程自动化相关设备；）化工过程自动化相关设备； （4 4）电网系统；）电网系统； （5 5）工业用自动仪表与检测设备；）工业用自动仪表与检测设备； （6 6）供水及污水处理设备；）供水及污水处理设备； （7 7）装瓶设备；）装瓶设备； （8

29、 8）模拟仪器；）模拟仪器； （9 9）CADCAD系统等。系统等。 （1 1）飞行控制器；）飞行控制器； （2 2）导弹控制器；）导弹控制器； （3 3）卫星控制器；）卫星控制器； （4 4）火箭控制器；）火箭控制器； （5 5）航天器姿态控制器；）航天器姿态控制器； （6 6）航天器定位控制器；）航天器定位控制器； （7 7）宇航服飞行控制器；）宇航服飞行控制器； （8 8）月球车控制器；）月球车控制器； （9 9）火星车控制器等。）火星车控制器等。 2)2)航空航天领域航空航天领域 （1 1）工业用生产线机械臂；）工业用生产线机械臂；（2 2）勘探类机器人；）勘探类机器人；（3 3）家用

30、机器人；）家用机器人；（4 4）表面修整机器人；）表面修整机器人；（5 5）混凝土喷射机器人；）混凝土喷射机器人；（6 6）隧道工程机器人；）隧道工程机器人；（7 7）挖掘用机器人；）挖掘用机器人；（8 8）组装机器人；）组装机器人；（9 9）检测用机器人等。）检测用机器人等。4)4)机器人领域机器人领域 西安电子科技大学电子对抗研究所（1 1）供电系统（供电、监测、控制、保护）；）供电系统（供电、监测、控制、保护）；（2 2）备用照明及发电机；）备用照明及发电机；（3 3）消防控制系统；）消防控制系统；（4 4）供热及通风系统；）供热及通风系统；（5 5）电梯、升降设备；）电梯、升降设备；（

31、6 6）安全及监视系统；）安全及监视系统；（7 7）保险柜防盗系统；）保险柜防盗系统；（8 8）门禁系统；）门禁系统；（9 9）自动售货机等。）自动售货机等。 5)5)楼宇设施楼宇设施 （1 1）电话交换机；）电话交换机；（2 2）卫星全球定位系统（）卫星全球定位系统（GPSGPS）；）；（3 3）数据交换设备；）数据交换设备；（4 4）电话；）电话；（5 5）移动电话；）移动电话；（6 6）具有无线通讯功能的）具有无线通讯功能的HPCHPC等。等。6)6)通信领域通信领域 （1 1）复印机；）复印机；（2 2）传真机；）传真机；（3 3）时间记录系统；）时间记录系统；（4 4）移动电话；）移

32、动电话；（5 5）摄像机；）摄像机；（6 6）录像机；）录像机；（7 7）数字照相机；）数字照相机；（8 8）空调机等。）空调机等。 7)7)办公设施办公设施 （1 1）自动柜员机（）自动柜员机（ATMATM）；）；（2 2）信用卡系统；）信用卡系统；（3 3）刷卡机；）刷卡机；（4 4）POSPOS系统；系统；（5 5）验钞机；）验钞机；（6 6）服务台监控系统等。）服务台监控系统等。 8)8)银行、金融和商业领域银行、金融和商业领域（1 1）心脏起搏器；）心脏起搏器；（2 2）病人信息及监控系统；）病人信息及监控系统；（3 3）电磁成像系统（）电磁成像系统（CTCT）；）；（4 4）步行监

33、视器；）步行监视器；（5 5）药剂控制及配药系统；）药剂控制及配药系统；（6 6）心电图及脑电图设备；）心电图及脑电图设备；（7 7）X X光设备光设备; ; (8) (8) 远程心脏监护仪远程心脏监护仪; ; (9) (9) 远程血压监护仪等。远程血压监护仪等。 9)9)医疗设备医疗设备 （1 1）能源测量器；）能源测量器；（2 2）雷达测速器；）雷达测速器；（3 3）环境监测设备；）环境监测设备；（4 4）各种监控系统等。）各种监控系统等。 10)10)测试、监视设备测试、监视设备 （1 1）数字电视；）数字电视；（2 2）智能冰箱；）智能冰箱；（3 3）全自动洗衣机；）全自动洗衣机；（4