嵌入式系统基础知识1

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1、第2章嵌入式系统的基本知识2.1嵌入式系统的硬件基础1、ARM的由来1990年，英国一位叫罗宾.沙科斯比的人离开了摩托罗拉与另外12名工程师一起开始了创业之旅，于是就有了现在的ARM公司。公司正式成立于1991年11月，全称是AdvancedRISCMachinesLimited。公司的业务是一个纯粹的知识产权的贩卖者，没有硬件，没有软件，只有图纸上的知识产权。1在当时，IT行业的迅猛发展，Intel、摩托罗拉、TI等上游厂商都有着不同的数字架构，这使得他们的CPU等基础器件各有不同。器件不同，软件就不同，而越来越多不同的指令集、工具和语言，对整个数字技术的发展非常不利。全球工业价值链基本就是

2、大包大揽的大公司的天下，象摩托罗拉这样的公司在测试、制造、系统封装，甚至CPU设计等领域都是一把抓的。直到80年代末，产业链开始出现分工。这样一个更有效的办法就是出现一个更上游的厂商来制定标准，而这个标准的统一，一定是从数字技术的核心CPU开始。于是ARM诞生的时候就选择了CPU体系结构设计这个上游厂商的上游。21）嵌入式处理器具备的特点嵌入式处理器一般具有以下4个特点:（1）大量使用寄存器，对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。结构上采用RISC结构形式。（2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的

3、软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。2、ARM微处理器特点3嵌入式微处理器采用精简指令集系统RISC与复杂指令集系统CISC的比较CISCRISC价格由硬件完成部分软件功能，硬件复杂性增加，芯片成本高由软件完成部分硬件功能，软件复杂性增加，芯片成本低性能减少代码尺寸，增加指令的执行周期数使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸指令集大量的混杂型指令集，有简单快速的指令，也有复杂的多周期指令，符合HLL（highlevellanguage）简单的单周期指令，在汇编指令方面有相应CISC微代码指令高级语言支持软件完成

4、寻址模式复杂的寻址模式，支持内存到内存寻址简单的寻址模式，仅允许LOAD和STORE指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器控制单元微码直接执行寄存器数目寄存器较少寄存器较多硬件完成4（3）可扩展的处理器结构，最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。支持ARM(32位)和Thumb(16位)双指令集,兼容8位/16位器件。（4）小体积、低功耗、成本低、高性能嵌入式处理器功耗很低，用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中,电池供电的嵌入式系统需要功耗只有mW甚至μW级。2）ARM微处理器的技术指标功能、字宽、处理速度、工作温度、功耗、寻址能力、平均无故障工作时间、性能价格比、工

5、艺和电磁兼容性指标52.1.1基于ARM技术的嵌入式系统硬件架构ARM系统架构的微处理器一般是由32位ALU、数十个32位通用寄存器及状态寄存器、32位桶型移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成。如图2.1所示。1）ALU它与常用的ALU逻辑结构基本相同，是由2个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及零检测逻辑构成。6图2.1微处理器原理图7ARM采用了32位的桶形移位寄存器,置于ALU的操作输入口前。这样使左移/右移n位、循环移n位和算术右移n位等都可以在一个周期内完成。所移动的位数可由被指定的暂存器决定。具体由多路选择器、符号控制电路、移位寄存器和写选择电路等构成

6、。可以对累加器中的内容进行算术或逻辑移位，还可以完成对操作数的符号位扩展、对累加器进行归一化处理和多媒体数据压缩解压等功能。3）高速乘法器乘法器一般采用两位乘法并带有加1移位的方法来实现乘法。内部高速乘法器采用32位的结构，这样可以降低集成度，完成32*32位的运算需要5个周期。2）桶形移位寄存器84）浮点部件（协处理器）体系结构设计师们在指令系统层次上提供一种灵活性的设计方法是利用协处理器，它被附接在CPU上并能实现部分指令。例如，通过提供实现浮点指令的芯片，浮点算术运算就能够被引入到嵌入式系统体系结构中。为了支持协处理器，指令系统为协处理器操作在指令系统中保留了一些操作码。因为协处理器要执

7、行指令，它必须被紧紧地连接到CPU上。CPU收到协处理器操作指令时，CPU要激活该协处理器并将有关指令传给它。协处理器的指令能够装入和存储在协处理器的寄存器中或者执行内部操作。CPU可以暂停执行以等待协处理器指令的结束。9当然，CPU也可能会在没有协处理器的情况下收到协处理器命令。那末大部分系统用非法指令陷阱来处理这类问题。ARM体系结构能为多个协处理器提供支持。协处理器能对自己的寄存器进行装入和