第5章 嵌入式系统原理

第5章嵌入式系统原理5.1计算机组成原理5.2嵌入式系统概述5.3ARM微处理器5.1计算机组成原理5.1.1计算机系统计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。硬件包括中央处理机、存储器和外部设备等，软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统具有接收和存储信息，按程序快速计算和判断并输出处理结果等功能，其内核是硬件系统，是进行信息处理的物理装置。最外层是使用计算机的人，即用户。人与硬件系统之间的接口界面是软件系统，它大致可分为系统软件、支援软件和应用软件三层。5.1计算机组成原理5.1计算机组成原理1.硬件硬件系统主要由中央处理器、存储器、输入输出控制系统和各种外部设备组成。中央处理器是对信息进行高速运算处理的主要部件，其处理速度最高可达每秒几亿次操作。2.软件软件系统的最内层是系统软件，它由操作系统、实用程序、编译程序等组成：操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制；实用程序是为方便用户所设，如文本编辑等；编译程序的功能是把用户用汇编语言或某种高级语言所编写的程序，翻译成机器可执行的机器语言程序。5.1计算机组成原理5.1.2系统总线1.系统总线概述系统总线，又称内总线或板级总线，是用来连接微机各功能部件来构成完整微机系统的。系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（DataBus）、地址总线AB（AddressBus）和控制总线CB（ControlBus）5.1计算机组成原理2.工作原理CPU通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过总线，实现将CPU内数据写入外设，或由外设读入CPU。3.功能分类（1）数据总线DB。用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。（2）地址总线AB。是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或输入输出端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。（3）控制总线CB。用来传送控制信号和时序信号。5.1计算机组成原理5.1.3CPU1.CPU定义中央处理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。2.工作原理CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。3.基本结构CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。5.1计算机组成原理（1）运算逻辑部件，可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。（2）寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。（3）控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。5.1.4存储系统1.存储器概述存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。5.1计算机组成原理2.存储器的构成构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。3.存储器用途根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。5.1计算机组成原理高速缓冲存储器Cache：高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小。主存储器：内存存放计算机运行期间的大量程序和数据，存取速度较快，存储容量不大。外存储器：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库，存储容量大，位成本低。按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。5.1计算机组成原理4.常用存储器1）硬盘：硬盘（HardDiscDrive）是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。2）光盘：光盘以光信息做为存储物的载体，用来存储数据，采用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息。3）U盘：U盘，全称“USB闪存盘”，英文名“USBflashdisk”。4）ROM：ROM是只读内存（Read-OnlyMemory）的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。5）RAM：RAM（随机存取存储器）RAM-randomaccessmemory随机存储器。5.1计算机组成原理5.1.5输入/输出系统1.输入输出系统控制方式1）程序查询方式这种方式通过在程序控制下CPU与外设之间交换数据来实现。程序查询方式是一种程序直接控制方式,这是主机与外设间进行信息交换的最简单的方式,输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。5.1计算机组成原理2）中断方式中断是主机在执行程序过程中，遇到突发事件而中断程序的正常执行，转去处理突发事件，待处理完成后返回原程序继续执行的过程。中断过程如下：中断请求，中断响应，中断处理和中断返回。中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。缺点是对系统的性能要求较高。5.1计算机组成原理3）直接存储器访问方式（DMA）DMA方式指高速外设与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU并且CPU不参加数据交换的控制。工作过程如下：外设发出DMA请求，CPU响应DMA请求，把总线让给DMA控制器，在DMA控制器的控制下通过总线实现外设与内存之间的数据交换。见图5-5。DMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。5.1计算机组成原理2.输入输出设备1)输入设备常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。（1）键盘的分类。（2）鼠标的分类。（3）扫描仪。2）输出设备常用的输出设备有显示器、打印机等。（1）显示器（2）打印机3）其它输入输出设备数码相机DC，数码摄像机DV，手写笔，投影机，扫描仪，绘图仪等5.1计算机组成原理3.I/O接口1）接口的功能使主机和外设能够按照各自的形式传输信息。2）几种接口（1）显示卡：主机与显示器之间的接口。（2）硬盘接口：IDE接口，EIDE接口，ULTRA接口和SCSI接口等。（3）串行接口：COM端口，也称串行通信接口。（4）并行接口：是一种打印机并行接口标准。5.2嵌入式系统概述5.2.1嵌入式系统的基本概念1.定义IEEE的定义是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。国内普遍认同的定义是：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。5.2嵌入式系统概述可从几方面来理解嵌入式系统：（1）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更具有优势。（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术，电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3）嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。5.2嵌入式系统概述2.历史20世纪60年代，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”。20世纪70年代出现微处理器。20世纪80年代，总线技术飞速发展，把微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微控制器，也俗称单片机。20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。21世纪进入全面的网络时代，使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。5.2嵌入式系统概述3.特点1）内核小。2）专用性强。3）系统精简。4）高实时性。5）多任务。6）需开发环境。5.2嵌入式系统概述5.2.2嵌入式系统的分类根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下四类：1.单个微处理器2.不带计时功能的微处理器装置3.带计时功能的组件4.在制造或过程控制中使用的计算机系统

5.2嵌入式系统概述5.2.3嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器，目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。（1）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用计算机中的CPU演变而来的（2）嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)，也称微控制器，其典型代表是单片机。5.2嵌入式系统概述（3）嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。（4）嵌入式片上系统(SystemOnChip，SoC)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。5.2.4嵌入式系统的组成作为一个“专用计算机系统”的嵌入式系统由软件系统和硬件系统两大部分组成。1．嵌入式系统硬件部分嵌入式系统硬件部分的核心部件就是嵌入式处理器。ARM处理器是一个典型的嵌入式处理器，现在全世界嵌入式处理器的品种已经超过1000多种，流行的体系结构多达30多个。5.2嵌入式系统概述嵌入式系统硬件部分除了嵌入式处理器核心部分外，还包括丰富的外围接口。也正是基于这些丰富的外围接口，才带来嵌入式系统越来越丰富的应用。2．嵌入式系统软件部分嵌入式系统软件部分一般是由嵌入式操作系统和应用软件两部分组成。嵌入式系统软件可以分成启动代码（BootLoader）、操作系统内核与驱动（Kernel&Driver）、文件系统与应用程序（FileSystem&Application）等几部分。文件系统则可以让嵌入式软件工程师灵活方便地管理系统。应用程序才是真正针对需求的，才有可能是嵌入式软件工程师完全自主开发的。5.2嵌入式系统概述5.2.5嵌入式系统的应用（1）工业控制。（2）交通管理。（3）信息家电。（4）家庭智能管理系统。（5）POS网络及电子商务。（6）环境工程与自然。（7）机器人。（8）机电产品方面应用。5.3ARM微处理器5.3.1ARM微处理器概述1.ARM处理器简介ARM（Advanced

RISC

Machines）是一类嵌入式微处理器，同时也是一个公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英国剑桥，它是一家专门从事16/32位RISC微处理器知识产权设计的供应商。ARM公司从成立至今，在短短几十年的时间就占据了75%的市场份额，如今，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。5.3ARM微处理器2.ARM处理器特点（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；（6）指令长度固定。3.应用到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：（1）工业控制领域（2）无线通讯领域（3）应用（4）消费类电子产品（5）成像和安全产品5.3ARM微处理器5.3.2ARM微处理器结构1.体系结构1）CISC（Complex

Instruction

SetComputer，复杂指令集计算机）在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。2）RISC（Reduced

Instruction

Set

Computer，精简指令集计算机）RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑