第5章 嵌入式系統(tǒng)原理

第5章嵌入式系統(tǒng)原理5.1計算機(jī)組成原理5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.3ARM微處理器5.1計算機(jī)組成原理5.1.1計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)由計算機(jī)硬件和軟件兩部分組成。硬件包括中央處理機(jī)、存儲器和外部設(shè)備等，軟件是計算機(jī)的運(yùn)行程序和相應(yīng)的文檔。計算機(jī)系統(tǒng)具有接收和存儲信息，按程序快速計算和判斷并輸出處理結(jié)果等功能，其內(nèi)核是硬件系統(tǒng)，是進(jìn)行信息處理的物理裝置。最外層是使用計算機(jī)的人，即用戶。人與硬件系統(tǒng)之間的接口界面是軟件系統(tǒng)，它大致可分為系統(tǒng)軟件、支援軟件和應(yīng)用軟件三層。5.1計算機(jī)組成原理5.1計算機(jī)組成原理1.硬件硬件系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出控制系統(tǒng)和各種外部設(shè)備組成。中央處理器是對信息進(jìn)行高速運(yùn)算處理的主要部件，其處理速度最高可達(dá)每秒幾億次操作。2.軟件軟件系統(tǒng)的最內(nèi)層是系統(tǒng)軟件，它由操作系統(tǒng)、實用程序、編譯程序等組成：操作系統(tǒng)實施對各種軟硬件資源的管理控制；實用程序是為方便用戶所設(shè)，如文本編輯等；編譯程序的功能是把用戶用匯編語言或某種高級語言所編寫的程序，翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的機(jī)器語言程序。5.1計算機(jī)組成原理5.1.2系統(tǒng)總線1.系統(tǒng)總線概述系統(tǒng)總線，又稱內(nèi)總線或板級總線，是用來連接微機(jī)各功能部件來構(gòu)成完整微機(jī)系統(tǒng)的。系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，因此，系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）、地址總線AB（AddressBus）和控制總線CB（ControlBus）5.1計算機(jī)組成原理2.工作原理CPU通過系統(tǒng)總線對存儲器的內(nèi)容進(jìn)行讀寫，同樣通過總線，實現(xiàn)將CPU內(nèi)數(shù)據(jù)寫入外設(shè)，或由外設(shè)讀入CPU。3.功能分類（1）數(shù)據(jù)總線DB。用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。（2）地址總線AB。是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或輸入輸出端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。（3）控制總線CB。用來傳送控制信號和時序信號。5.1計算機(jī)組成原理5.1.3CPU1.CPU定義中央處理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一臺計算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設(shè)備是電子計算機(jī)三大核心部件。其功能主要是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。2.工作原理CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼。3.基本結(jié)構(gòu)CPU包括運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件。5.1計算機(jī)組成原理（1）運(yùn)算邏輯部件，可以執(zhí)行定點或浮點的算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址的運(yùn)算和轉(zhuǎn)換。（2）寄存器部件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。（3）控制部件，主要負(fù)責(zé)對指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個操作的控制信號。5.1.4存儲系統(tǒng)1.存儲器概述存儲器（Memory）是計算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。5.1計算機(jī)組成原理2.存儲器的構(gòu)成構(gòu)成存儲器的存儲介質(zhì)，目前主要采用半導(dǎo)體器件和磁性材料。存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個CMOS晶體管或磁性材料的存儲元，它可存儲一個二進(jìn)制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然后再由許多存儲單元組成一個存儲器。存儲器的主要功能是存儲程序和各種數(shù)據(jù)，并在計算機(jī)運(yùn)行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。3.存儲器用途根據(jù)存儲器在計算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用，可分為主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器、控制存儲器等。5.1計算機(jī)組成原理高速緩沖存儲器Cache：高速存取指令和數(shù)據(jù)存取速度快，但存儲容量小。主存儲器：內(nèi)存存放計算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)，存取速度較快，存儲容量不大。外存儲器：外存存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫，存儲容量大，位成本低。按照與CPU的接近程度，存儲器分為內(nèi)存儲器與外存儲器，簡稱內(nèi)存與外存。5.1計算機(jī)組成原理4.常用存儲器1）硬盤：硬盤（HardDiscDrive）是電腦主要的存儲媒介之一，由一個或者多個鋁制或者玻璃制的碟片組成。這些碟片外覆蓋有鐵磁性材料。絕大多數(shù)硬盤都是固定硬盤，被永久性地密封固定在硬盤驅(qū)動器中。2）光盤：光盤以光信息做為存儲物的載體，用來存儲數(shù)據(jù)，采用聚焦的氫離子激光束處理記錄介質(zhì)的方法存儲和再生信息。3）U盤：U盤，全稱“USB閃存盤”，英文名“USBflashdisk”。4）ROM：ROM是只讀內(nèi)存（Read-OnlyMemory）的簡稱，是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲器。5）RAM：RAM（隨機(jī)存取存儲器）RAM-randomaccessmemory隨機(jī)存儲器。5.1計算機(jī)組成原理5.1.5輸入/輸出系統(tǒng)1.輸入輸出系統(tǒng)控制方式1）程序查詢方式這種方式通過在程序控制下CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。程序查詢方式是一種程序直接控制方式,這是主機(jī)與外設(shè)間進(jìn)行信息交換的最簡單的方式,輸入和輸出完全是通過CPU執(zhí)行程序來完成的。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只需要少量的硬件電路即可，缺點是由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。5.1計算機(jī)組成原理2）中斷方式中斷是主機(jī)在執(zhí)行程序過程中，遇到突發(fā)事件而中斷程序的正常執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理突發(fā)事件，待處理完成后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。中斷過程如下：中斷請求，中斷響應(yīng)，中斷處理和中斷返回。中斷處理方式的優(yōu)點是顯而易見的，它不但為CPU省去了查詢外設(shè)狀態(tài)和等待外設(shè)就緒所花費(fèi)的時間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實時要求。缺點是對系統(tǒng)的性能要求較高。5.1計算機(jī)組成原理3）直接存儲器訪問方式（DMA）DMA方式指高速外設(shè)與內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不通過CPU并且CPU不參加數(shù)據(jù)交換的控制。工作過程如下：外設(shè)發(fā)出DMA請求，CPU響應(yīng)DMA請求，把總線讓給DMA控制器，在DMA控制器的控制下通過總線實現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。見圖5-5。DMA最明顯的一個特點是它不是用軟件而是采用一個專門的控制器來控制內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交流，無須CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。5.1計算機(jī)組成原理2.輸入輸出設(shè)備1)輸入設(shè)備常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。（1）鍵盤的分類。（2）鼠標(biāo)的分類。（3）掃描儀。2）輸出設(shè)備常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)等。（1）顯示器（2）打印機(jī)3）其它輸入輸出設(shè)備數(shù)碼相機(jī)DC，數(shù)碼攝像機(jī)DV，手寫筆，投影機(jī)，掃描儀，繪圖儀等5.1計算機(jī)組成原理3.I/O接口1）接口的功能使主機(jī)和外設(shè)能夠按照各自的形式傳輸信息。2）幾種接口（1）顯示卡：主機(jī)與顯示器之間的接口。（2）硬盤接口：IDE接口，EIDE接口，ULTRA接口和SCSI接口等。（3）串行接口：COM端口，也稱串行通信接口。（4）并行接口：是一種打印機(jī)并行接口標(biāo)準(zhǔn)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.定義IEEE的定義是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。國內(nèi)普遍認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能，可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述可從幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)：（1）嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力，才更具有優(yōu)勢。（2）嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)，電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。（3）嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。5.2嵌入式系統(tǒng)概述2.歷史20世紀(jì)60年代，嵌入式這個概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于電子機(jī)械電話交換的控制，當(dāng)時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)微處理器。20世紀(jì)80年代，總線技術(shù)飛速發(fā)展，把微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計的微控制器，也俗稱單片機(jī)。20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。21世紀(jì)進(jìn)入全面的網(wǎng)絡(luò)時代，使嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中去也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。5.2嵌入式系統(tǒng)概述3.特點1）內(nèi)核小。2）專用性強(qiáng)。3）系統(tǒng)精簡。4）高實時性。5）多任務(wù)。6）需開發(fā)環(huán)境。5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.2嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將嵌入式系統(tǒng)分為以下四類：1.單個微處理器2.不帶計時功能的微處理器裝置3.帶計時功能的組件4.在制造或過程控制中使用的計算機(jī)系統(tǒng)

5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.3嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的４位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的８位單片機(jī)，到最新受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。（1）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用計算機(jī)中的CPU演變而來的（2）嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)，也稱微控制器，其典型代表是單片機(jī)。5.2嵌入式系統(tǒng)概述（3）嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。（4）嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SoC)最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。5.2.4嵌入式系統(tǒng)的組成作為一個“專用計算機(jī)系統(tǒng)”的嵌入式系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩大部分組成。1．嵌入式系統(tǒng)硬件部分嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心部件就是嵌入式處理器。ARM處理器是一個典型的嵌入式處理器，現(xiàn)在全世界嵌入式處理器的品種已經(jīng)超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)多達(dá)30多個。5.2嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)硬件部分除了嵌入式處理器核心部分外，還包括豐富的外圍接口。也正是基于這些豐富的外圍接口，才帶來嵌入式系統(tǒng)越來越豐富的應(yīng)用。2．嵌入式系統(tǒng)軟件部分嵌入式系統(tǒng)軟件部分一般是由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分組成。嵌入式系統(tǒng)軟件可以分成啟動代碼（BootLoader）、操作系統(tǒng)內(nèi)核與驅(qū)動（Kernel&Driver）、文件系統(tǒng)與應(yīng)用程序（FileSystem&Application）等幾部分。文件系統(tǒng)則可以讓嵌入式軟件工程師靈活方便地管理系統(tǒng)。應(yīng)用程序才是真正針對需求的，才有可能是嵌入式軟件工程師完全自主開發(fā)的。5.2嵌入式系統(tǒng)概述5.2.5嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用（1）工業(yè)控制。（2）交通管理。（3）信息家電。（4）家庭智能管理系統(tǒng)。（5）POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)。（6）環(huán)境工程與自然。（7）機(jī)器人。（8）機(jī)電產(chǎn)品方面應(yīng)用。5.3ARM微處理器5.3.1ARM微處理器概述1.ARM處理器簡介ARM（Advanced

RISC

Machines）是一類嵌入式微處理器，同時也是一個公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英國劍橋，它是一家專門從事16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計的供應(yīng)商。ARM公司從成立至今，在短短幾十年的時間就占據(jù)了75%的市場份額，如今，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域。5.3ARM微處理器2.ARM處理器特點（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；（5）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；（6）指令長度固定。3.應(yīng)用到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域：（1）工業(yè)控制領(lǐng)域（2）無線通訊領(lǐng)域（3）應(yīng)用（4）消費(fèi)類電子產(chǎn)品（5）成像和安全產(chǎn)品5.3ARM微處理器5.3.2ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.體系結(jié)構(gòu)1）CISC（Complex

Instruction

SetComputer，復(fù)雜指令集計算機(jī)）在CISC指令集的各種指令中，大約有20%的指令會被反復(fù)使用，占整個程序代碼的80%。而余下的80%的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20%。2）RISC（Reduced

Instruction

Set

Computer，精簡指令集計算機(jī)）RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯