嵌入式系统第一讲(2015研) 嵌入式系统概述资料

1、ARM介绍：介绍：体系结构体系结构编程模型编程模型ARM汇编汇编 (基于基于Android网络资源网络资源http:/ 开放源代码，用于移植制作手机http:/ 应用程序市场第一部分第一部分 嵌入式系统概述嵌入式系统概述存储器及外围电路嵌入式处理器嵌入式操作系统应用软件nARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C+及汇编程序。nMetrowerks CodeWarrior for ARM ADS v1.2ARM汇编及C程序的编辑、编译AXD调试由于嵌入式系统的

2、可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。嵌入式应用软件通过宿主机上的交叉编译器，完成交叉编译和连接后下载到目标机。 宿主机：进行嵌入式软件开发的主机目标机：将要开发的目标板ROM Monitor方式（或方式（或Angel方式）方式）ICE仿真仿真JTAG调试与仿真调试与仿真模拟开发调试方式模拟开发调试不需开发板硬件，一台PC即可纯软件模拟嵌入式处理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模拟器。它虽然简单可行，但是缺乏在线调试和实时仿真功能。ROM Monitor调试方式（一）调试方式（一）ROM Monitor方式（或方式（或Angel方式）方式）ROM Mo

3、nitor（或Angel）是运行在目标机的Flash或ROM的一段程序，它主要负责监控目标机上被调试程序的运行情况。通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试。它是目前低廉有效的一种调试方式。之前课程使用Metrowerks公司的CodeWarrior进行开发调试时要用到的Metro-TRK就属于这类软件。ROM Monitor调试方式（二）调试方式（二）逻辑连接应用软件Angel硬件硬件操作系统调试器物理连接宿主机目标机n在线仿真在线仿真(In Circuit Emulator)传统硬件级仿真调试模式取下目标板MPU；在线仿真器可以完全仿真MPU的行为；通过卡座等连接到目标板。它支持单步执行、

4、断点、反汇编、源程序级调试。优点：功能非常强大，软硬件均可做到完全实时在线调试缺点：适合于简单的MPU一般滞后MPU几个月价格昂贵宿主机目标板仿真器硬件连接示意图nJTAG初始主要用于芯片内部测试，可对初始主要用于芯片内部测试，可对具有具有JTAG接口的芯片的硬件电路进行边接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测界扫描和故障检测n后用于调试：在芯片内部定义后用于调试：在芯片内部定义TAP（Test Access Port)，可以访问寄存器和挂在总线，可以访问寄存器和挂在总线上的设备上的设备nJTAG仿真器仿真器 ARM处理器为了方便调试，内含Embeded ICE 宏单元，并留有JTAG调试

5、接口，支持在线仿真。它无需目标存储器，不占用目标系统的端口。 使用集成开发环境配合JTAG仿真器是目前最常用的一种调试方式。宿主机目标板仿真器硬件连接示意图nARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C+及汇编程序。nMulti 2000Multi 2000是Green Hills软件公司（）开发的集成开发环境。它支持C/C+/Ada 95/Fortran编程语言，可运行与Windows和UNIX平台。嵌入式Linux工具链 交叉编译器GCCarm-linux-

6、gcc项目管理工具MAKE调试工具GDBbreak设置断点Run执行程序Step单步跟踪进入Next单步不进入函数Print, Display 显示变量值QuitARM体系结构的发展体系结构的发展2012年11月，ARM公司宣布推出ARM v8架构的cortex-A50系列处理器。ARM版本概览版本概览ARM处理器系列处理器系列ARM v7Cortex分为分为A，R，M三个系列三个系列A系列（适用复杂软件系统）系列（适用复杂软件系统）使用使用MMU，支持虚拟内存。，支持虚拟内存。A5、A7、A8、A9、A15全系列产品的支持。全系列产品的支持。R系列（实时处理器）系列（实时处理器）实时处理器，

7、实时处理器，具有严格的实时响应限制 。使用。使用MPU（memory protection unit），只能运行在内存），只能运行在内存保护模式。保护模式。M系列（成本和功耗出色）系列（成本和功耗出色）不支持原不支持原ARM指令，使用指令，使用Thumb-2指令集。指令集。加入NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），提供更快的中断处理、还有负责CPU在深层睡眠时的中断处理WIC（Wake-up Interrupt Controller）。Cortex-A系列核心系列核心ARM v8n2012年年11月，月，ARM宣布推出宣布推出ARMv8架构ARM

8、 Cortex-A50处理器系列产品 。该系列率先推出的是Cortex-A53与Cortex-A57处理器以及最新节能64位处理技术与现有32位处理技术的扩展升级。nARMv8是一个真正意义上的64位，同时这个64位的架构当中加入了或者说提供了32位的支持。 nCortex-A57是ARM最先进、性能最高的应用处理器，而Cortex-A53不仅是功耗效率最高的ARM应用处理器，也是全球最小的64位处理器。 ARM v8nCortex-A 57，是为智能手机和超级手机功耗级别提供最新的性能，超级手机指的是三星的Glaxay3或者是苹果的iPhone5手机这级别的手机。nCortex-A53在性能

9、方面大概和Cortex-A9是相当的，但是它的尺寸小得多。在32纳米的制程上能减少40%的尺寸，如果到了20纳米的话可能只有目前主流CPU1/4的尺寸。所以说A53可能对于低功耗的这样一个智能手机是一个很好的选择。上述两款ARM v8产品预计2014年上市。 n2012年后，高通处理器占据手机处理器王者地位。n2015年预计正式发布的几款手机来看，ARM v8ARM v7 v8性能功耗对比性能功耗对比ARM处理器共支持7种运行模式，分别为：用户（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态；系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务； 快速中断（fiq）：用于高速数据传输或通道处理；外部中断（

10、irq）：用于通用的中断处理；管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式；中止(abt)：当数据或指令访问中止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；未定义(und)：当未定义指令执行时进入该模式，可用于硬件协处理器的软件仿真。ARM处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个状态寄存器。ARM状态下的寄存器组织未分组寄存器R0R7分组寄存器R8R14程序计数器R15（PC）当前程序状态寄存器 (CPSR)备份的程序状态寄存器(SPSR)Thumb状态下的寄存器组织通用寄存器R0R7程序计数器PC堆栈指针SP(R13)连接寄存器LRCPSP和SPSRSPSR_undR0CPSRP

11、CLRSPR7R6R5R4R3R2R1R0CPSRPCLR_fiqSP_fiqR7R6R5R4R3R2R1R0CPSRPCLR_svcSP_svcR7R6R5R4R3R2R1R0CPSRPCLR_abtSP_abtR7R6R5R4R3R2R1R0CPSRPCLR_irqSP_irqR7R6R5R4R3R2R1R0CPSRPCLR_undSP_undR7R6R5R4R3R2R1SPSR_abtSPSR_svcSPSR_fiqSPSR_irq用户&系统 快中断管理中止中断未定义v 当前程序状态寄存器CPSR N：补码形式的有符号数运算时，1为负，0为正；Z：1表示结果为零；C：加减法的进位

12、或借位，以及非加减法的最后移位；V：1表示补码形式的有符号数加减运算时符号位溢出；Q：v5以上版本才有，描述增强DSP运算指令是否发生溢出；I、F：中断禁止位，1表示中断禁止；T：指示处理器处于ARM或Thumb工作状态；M4:0：表示处理器的运行模式 0b10000User 0b10001FIQ 0b10010IRQ 0b10011Supervisor 0b10111Abort 0b11011Undefined 0b11111System异常是指正常的程序执行流程发生暂时的停止或改变，例如在复位、有中断请求及指令预取中止时； ARM处理器支持7种类型的异常。 复位（复位（RESET)RESE

13、T)：当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行。 未定义指令未定义指令( (UDEF)UDEF)：当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。 软件中断软件中断( (SWI)SWI)：该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。使用该异常机制可以实现系统功能调用。指令预取中止指令预取中止( (PABT)PABT)：若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，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常。数据中止数据中止( (DABT)DAB

14、T)：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。IRQIRQ（外部中断请求）：外部中断请求）：当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。FIQFIQ（快速中断请求）：快速中断请求）：当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。异常类型模式正常向量地址高向量地址复位管理0 x000000000 xFFFF0000未定义指令未定义0 x000000040 xFFFF0004软件中断管理0 x000000080 xFFFF0008指令预取中止中止0 x000000

15、0C0 xFFFF000C数据中止中止0 x000000100 xFFFF0010IRQIRQ0 x000000180 xFFFF0018FIQFIQ0 x0000001C0 xFFFF001C异常优先级异常类型1（最高）复位2数据中止3FIQ4IRQ5预取中止6未定义指令，SWIv 对异常的响应：将下一条指令的地址存入相应异常类型的连接寄存器LR_mode；将CPSR复制到相应异常类型的SPSR_mode中；设置CPSR的M4:0,强制改变到相应的运行模式；禁止正常中断，如果异常类型为快速中断或复位，同时禁止快中断；强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处

16、。v 异常返回 从堆栈中恢复用户寄存器 将SPSR_mode复制回CPSR中 复制LR_modePC进入异常进入异常：R14_und=产生异常的下一条指令地址SPSR_und=CPSRCPSR4:0=0b11011/*进入未定义运行模式*/CPSR5=0/*进入ARM工作状态*/CPSR7=1/*禁止正常中断*/如果设置了高向量模式，则PC=0 xFFFF0004 否则PC=0 x00000004退出异常退出异常：MOVS PC R14 恢复PC（从R14_und）和CPSR（从SPSR_und），并返回到该未定义指令的下一条指令处异常类型R14（ARM）R14（Thumb）返回指令BLPC+

17、4PC+2MOV PC, R14SWIPC+4PC+2MOVS PC, R14UDEFPC+4PC+2MOVS PC, R14FIQPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4IRQPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4PABTPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4DABTPC+8PC+8SUBS PC,R14,#8RESET-v 例如：0 x8000 mov .0 x8004 add .0 x8008 SWI .0 x800C mov .0 x8010 add .当程序执行SWI异常时，PC指向0 x8010，在跳转到异常向量的之前，ARM会把R14调整到0 x800C 字（字（

18、WordWord）：）：在ARM体系结构中，字的长度为32位，而在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位，请注意区分。 半字（半字（Half-WordHalf-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位，与8位/16位处理器体系结构中字的长度一致。 字节（字节（ByteByte）：）：在ARM体系结构和8位/16位处理器体系结构中，字节的长度均为8位。ByteA+3ByteA+2ByteA+1ByteABit31 bit0从编程的角度看，ARM处理器有2种工作状态并可自由切换：ARM状态：处理器执行32位的、字对准ARM指令；Thumb状态：处理器执行16位、半字对准的Th

19、umb指令。指令名指令含义操作ADD相加Rd=Rn+op2SUB相减Rd=Rn-op2RSB反向相减Rd=op2-RnADC带进位加Rd=Rn+op2+CSBC带借位减Rd=Rn-op2+C-1RSC反向带借位减Rd=op2-Rn+C-1AND位与Rd=Rn AND op2ORR位或Rd=Rn OR op2EOR位异或Rd=Rn EOR op2BIC位清零Rd=Rn AND NOT op2MOV传送Rd=op2MVN传送非Rd=NOT op2CMP比较Rn-op2CMN负向比较Rd=op2-RnTST测试Rn AND op2TEQ测试相等Rn EOR op2指令名指令含义操作MUL乘法Rd=R

20、m*RsMLA乘加Rd=Rm*Rs+RnUMULL无符号数乘法RdH: RdL = Rm*RsUMLAL无符号数乘加RdH: RdL += Rm*RsSMULL有符号数乘RdH: RdL = Rm*RsSMLAL有符号数乘加RdH: RdL += Rm*Rs多寄存器加载/存储指令（一）该指令完成多个通用寄存器与存储单元之间的数据传送。 LDM|STM cond 寻址方式 Rn !,通用寄存器组 符号的含义：寻址方式为：IA、IB、DA、DB、FD、ED、FA、EA；Rn： 基址寄存器，不允许为R15 （PC）；！：指令执行后，刷新基址寄存器Rn“ ”：当寄存器列表包含PC且为LDM指令时，同时

21、将SPSR拷贝到CPSR，用于异常返回；当寄存器列表不包含PC，指示指令中所有的寄存器为用户模式下的寄存器IAr1地址地址增加增加r4r0r1r4r0r1r4r0r1r4r0r10IBDADBLDMxx r10, r0,r1,r4STMxx r10, r0,r1,r4基址寄存器基址寄存器 (Rb)存储器增加存储器增加r13r14r12多寄存器加载/存储指令（二）例如：STMFD R13!, R0, R4-R7, LR ；寄存器进栈LDMFD R13!, R0, R4-R7, PC ；寄存器返回注：基址寄存器可以出现在寄存器列表中，但要避免和写回操作“！”同时使用。R15可以出现在LDM指令的寄存器列表中；但要避免出现在STM指令的寄存器列表中，此时，可以使用R14(用以保存返回地址)。 LDMFD sp!,r4-r7,pc100FF1234AOBE80341010123484209753r41r5 14544r60r712pc9020r4100100FFr5FF1234r61234A0BEr7A0BE8034pc8034r4100r5FFr61234r7A0BElr8034ABCD8765102E16FFFF1010123484209753存储器顶存储器顶SPSP1