嵌入式系统第一讲研嵌入式系统介绍.ppt

1、第一讲 嵌入式系统介绍,电信学院崔寅鸣 Email: ,本讲主要内容,嵌入式系统概述 实验室介绍与课程说明 嵌入式系统概要介绍 EELiod270开发系统介绍 Module板、EDR板 Banyan-UE仿真器 ARM处理器简介 体系结构、编程模型、ARM指令系统,嵌入式系统概述,应用于航空航天军事,应用于消费电子产品,嵌入式Internet应用,嵌入式系统的定义（一）,IEEE对嵌入式系统的定义： Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment,

2、 machinery or plant. “控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”,嵌入式系统的定义（二）,一般的定义： 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、实时性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。 简单说，嵌入式系统就是应用软件与系统硬件的一体化。,嵌入式系统的特点,系统内核小：一般应用于小型电子装置。 专用性强：软硬件结合紧密，针对硬件进行系统的移植。 系统精简：系统软件和应用软件紧密融合，部分无明显区别。 实时多任务的操作系统： 合理调度多任务，RTOS开发平台。 专门的开发工具和环境。,实验室条件

3、,深圳亿道公司EELiod270教学开发平台 Intel Xscale270 微处理器，520MHz 完善的硬件平台 支持WinCE和Linux操作系统,课程主要内容,ARM与EEliod270开发系统介绍 嵌入式Linux系统的构建与启动分析 嵌入式Linux下程序开发,课程特点,理论结合实践，通过实验掌握知识、锻炼能力 课程涉及面广，要求软硬件综合能力高 硬件（嵌入式开发板、各种硬件接口） ARM汇编语言编程 C/C+语言编程 Linux操作系统 QT、Java等,课程安排（一）,318周 3-5周理论课 6-18周嵌入式Linux实验 系统构建 驱动程序实验 自选综合实验,评分标准,理论

4、课：10 实验：90,内部网络资源,ftp服务器：，port: 21, user: emb ，pwd: embedded EELiod硬件平台资料 ADS开发系统资料 嵌入式Linux BSP软件包 实验指导书 其他安装软件（虚拟机，Redhat9等）,参考书及资料（一）,ARM嵌入式处理器结构与应用基础，北航出版社，马忠梅等， 2002 嵌入式系统Intel StrongARM结构与开发，北航出版社，陈章龙等， 2002 ARM应用系统开发详解，清华大学出版社，李驹光等， 2003 Redhat Linux 9 从入门与精通，Michael Jang著，邱仲潘等译，

5、电子工业出版社 Linux编程宝典，John Goerzen著，魏永明等译，电子工业出版社,参考书及资料（二）,Alessandro Rubini，魏永明等译，linux设备驱动程序，第二版，中国电力出版社，2002 中国Linux论坛 嵌入式开发网,嵌入式系统的基本构成,嵌入式硬件系统 嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路及电源 接口控制器及接插件 嵌入式软件系统 板级支持包（BSP） 操作系统（OS/RTOS） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application）,嵌入式处理器的分类,嵌入式微处理器（MPU) ARM Drag

6、onball Mc9328 Mx1 Xscale270 嵌入式微控制器(MCU) 8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等 嵌入式DSP处理器 嵌入式片上系统（SOC-System On Chip） 嵌入式可编程片上系统（EPSOC）,ARM嵌入式微处理器,ARM公司成立于1990年，Saxby和12名工程师 ARM=Advanced RISC Machine RISC（精简指令集） 的典型代表 32位处理器技术 嵌入式领域的主力军 ARM处理器有三大特点 体积小、功耗低、成本低，性能高 ARM/Thumb 32/16位双指令系统 全球众多的合作伙伴,ARM,AR

7、M的产品 ARM处理器内核，以知识产权（IP）形式提供给IC生产厂家 硬核：有和特定工艺相连系的物理版图。 软核：用硬件描述语言或C语言写成，用于功能仿真 ARM开发工具、SOC开发工具、评估板等 ARM公司不生产芯片,ARM,赢利模式：专利授权费+版费 目前在通信领域处于统治地位，100%的CDMA手机和85%以上的WCDMA手机 Intel Inside 跳转到下面第二条指令,状态寄存器,状态寄存器: 当前程序状态寄存器 CPSR，可以在任何工作模式下被访问； 程序状态备份寄存器SPSR，只有在异常模式下，才能被访问 ；,CPSR当前程序状态寄存器（一）,当前程序状态寄存器CPSR N：补

8、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；,CPSR当前程序状态寄存器（二）,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；,CPSR当前程序状态寄存器(三),M4:0：表示处理器的运行模式 0b10000User 0b10001FIQ 0b10010IRQ 0b10011Supervisor 0b10111Abort 0b11011Undefined 0b11111Syste

9、m,ARM控制程序执行的方式,正常执行，每执行一条指令 ARM指令PC+4 Thumb指令PC+2 跳转:B、BL、BX、BLX 异常中断 执行完当前指令，跳转到异常中断处理程序 执行完返回到发生中断指令的下一条处 要保护和恢复被中断程序的执行现场,ARM处理器的异常中断（一）,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（RESET)：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(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

10、常机制进行软件仿真。 软件中断(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。,ARM处理器的异常中断（二）,指令预取中止(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(DABT)：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。 IRQ（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。 FIQ（快速中

11、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。,ARM处理器的异常中断（三）,ARM处理器的异常中断（四）,ARM处理器对异常的处理（一）,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； 保存用户寄存器值到堆栈中 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。,ARM处理器对异常的处理（二）,异常返回 从堆栈中恢复用户寄存器 将

12、SPSR_mode复制回CPSR中 复制LR_modePC,未定义异常的操作过程,进入异常： R14_und=产生异常的下一条指令地址 SPSR_und=CPSR CPSR4:0=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： 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,ARM推荐的异常退出指令,例：SWI中断的R14,例如： 0 x8000 m

13、ov . 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,ARM数据类型,字（Word）：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（Half-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（Byte）：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。,存储器组织,以0 x876

14、54321为例 小端方式对应于地址A+3=0 x87,A+2=0 x65,A+1=0 x43,A=0 x21 大端方式对应于地址A=0 x87,A+1=0 x65,A+2=0 x43,A+3=0 x21,字对齐与半字对齐,ARM状态，字地址的低两位bits1:0必须为0b00，半字地址的最低位bit0为0b0 Thumb状态，字地址最地位bit0必须为0b0 如果写入PC的指令地址非对齐 ARMV3及以下，忽略R15的bits1:0 ARMV4及以上，执行结果不可预知 Thumb，忽略R15的bit0,ARM处理器工作状态,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：

15、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Thumb指令。,ARM/Thumb状态的切换,ARM处理器总是从ARM状态开始执行 可用指令实现状态切换 BLX LDR、LDM及POP 当处理器进入异常中断处理程序时，自动切换到ARM状态 如果从Thumb状态进入异常，处理完成退出后仍自动进入Thumb状态,立即数,一条ARM指令32位，可能含12位立即数 immediate=immed_8循环右移(2*rotate_imm) 合法：0 xff,x0104,0 xff0,0 x3f0 非法：0 x101,0 xff1,0 x102(非偶数位) Qu:0 x

16、1fc,ARM指令系统,ARM指令集包括： 跳转指令 数据处理指令 程序状态寄存器处理指令 加载/存储指令 协处理器指令 异常产生指令,ARM指令系统,跳转 B，BL，BLX 移位 ASR,LSL,LSR,ROR,ROX 存储加载 LDR,STR 软中断 SWI,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L

17、DM指令时，同时将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,LDM / STM 操作,语法： Rb!, 四 种寻址操作: LDMIA / STMIAIncrement After（先操作，后增加） LDMIB / STMIBIncrement Before（先增加，后操作） LDMDA / STMDADecrement After （先操作，后递减） LDMDB / STMDBDecrement Before （先递减，后操作）,IA,r1,地址 增加,r4,r0,r1,r4,r0,r1,r4,r0,r1,r4,r0,r10,I

18、B,DA,DB,LDMxx r10, r0,r1,r4 STMxx r10, r0,r1,r4,基址寄存器 (Rb),存储器块拷贝,可选项“ ! ”将导致LDM / STM 指令去自动更新基址寄存器 后缀为IA, IB时，加上4 乘以 用于传送的寄存器的数目的值 后缀为DA, DB时，减去4乘以用于传送的寄存器的数目的值 示例: ; r12指向源数据起始地址 ; r14指向源数据尾地址 ; r13指向目的数据起始地址 loopLDMIAr12!, r0-r11; 装载48 bytes STMIAr13!, r0-r11;存储them CMPr12, r14; check for the end BNEloop;loop until done 此循环传送 48 bytes占用了31周期 时钟为33 MHz时传输速率超过50 Mbytes/sec,存储器增加,r13,r14,r12,多寄存器加载/存储指令（二）,例如： STMFD R13!, R0, R4-R7, LR