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1、中国矿业大学嵌入式课件中国矿业大学嵌入式课件1 1授课主教材介绍ARM9嵌入式系统设计基础教程黄智伟 邓月明 王彦北京航空航天大学出版社2实验教材介绍ARM9嵌入式技术及Linux高级实践教程陈赜 秦贵和 徐华中 王磊 等北京航空航天大学出版社华中科技大学武汉创维特信息技术有限公司3主要参考书嵌入式系统开发与应用田泽编著北京航空航天大学出版社ISBN:7-81077-541-32005年1月第1版简评：主要介绍嵌入式基本概念、ARM体系结构、ARM嵌入式程序设计、uCOS-II操作系统、设备驱动、uCLinux操作系统。借用为宜。4参考书：参考书：嵌入式系统方面：嵌入式系统设计原理及应用，符意
2、德主编 北京：清华大学出版社，2004嵌入式计算机系统设计原理，computers as components,principles of embedded computing system design,wayne wolf,机械工业出版社，2002嵌入式系统开发圣经，探矽工作室，中国青年出版社，2002 中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院5ARM方面：ARM Architecture Reference M：ARM System-on-Chip ArchitectureARM SoC体系结构 田泽译 北航出版社，20
3、02ARM嵌入式系统开发软件设计与优化 沈建华译 北航出版社，2005ARM体系结构与编程，杜春雷 编著 清华大学出版社，2003ARM嵌入式处理器结构与应用基础，马忠梅等，北航出版社，2002 中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院6前导课程知识基础课程计算机组成原理，微机原理与接口软件专业课程操作系统汇编语言，ANSI C（标准 C），JAVA硬件专业课程电子线路，数字电路，集成电路设计7教学安排教学安排课程安排：理论（24学时）实验（8学时）考核方式：期末考试（60）课后作业（10）上机实验（20）平时出勤（10）中国
4、中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院8课程地位嵌入式，逐步成为技术型基础课程技术型基础课程无线传感器网络（wireless sensor networks)物联网（Internet of Things）智能交通、智能家居、智能医疗等计算机、电子、通信、控制、信号处理等专业工业、农业、交通、医疗、军事等行业9教学主要内容嵌入式系统基础知识(4)嵌入式系统的开发与调试(2)ARM体系结构和指令集(6)ARM汇编语言程序设计基础（2）ARM9硬件设计(2)嵌入式系统接口技术(4)嵌入式操作系统概论(2)10第一章 嵌入式系统基础知识
5、1.1 嵌入系统的定义和组成嵌入式系统的定义嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的组成RTOS1.2 嵌入微处理器体系结构1.3 嵌入式微处理器的结构和类型1.4 嵌入式系统的开发与调试111 1 嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识 在在应应用用数数量量上上，嵌嵌入入式式系系统统远远远远超超过过了了通通用用计算机系统计算机系统 平均每个家庭使用平均每个家庭使用40个嵌入式处理器个嵌入式处理器 平均每个汽车需要平均每个汽车需要35 个嵌入式处理器个嵌入式处理器 嵌入式处理器占据了嵌入式处理器占据了94%处理器市场处理器市场 Intel Pentium、Motorola PowerPC等通用处理等通用
6、处理器，仅占器，仅占6%的处理器市场的处理器市场中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院12嵌入式系统与你我我们现实生活中已经无法离开嵌入式我们现实生活中已经无法离开嵌入式系统了！系统了！食：食：每天使用食堂的刷卡机付款每天使用食堂的刷卡机付款行：行：乘坐公共汽车、汽车等出行乘坐公共汽车、汽车等出行随身携带数码相机、摄像机随身携带数码相机、摄像机住：住：洗衣机、电冰箱等洗衣机、电冰箱等你你我我身身边边嵌嵌入入式式系系统统无无处处不不在在中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工
7、程学院气工程学院13嵌入式系统与你我娱乐：娱乐：mp3、mp5、CD机、机、DVD等等学习：学习：移动硬盘、移动硬盘、U盘、学习机等盘、学习机等通信：通信：手机等手机等。你你我我身身边边嵌嵌入入式式系系统统无无处处不不在在中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院14嵌入式系统的应用范围消费电子消费电子嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备工业工业军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络中国中国中国中国矿
8、业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院151.11.1嵌入式系统的定义和组成嵌入式系统的定义和组成IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）（国际电气和电子工程师协会）的定义：的定义：嵌嵌入入式式系系统统是是“用用于于控控制制、监监视视或或者者辅辅助助操操作作机机器器和和设设备备的的装装置置”（原原文文为为devices devices used used to to control,control,monitor,monitor,or or assist assist the the operation operation of of e
9、quipment,equipment,machinery machinery or or plantsplants）。）。中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院161.1 1.1 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统国内普遍被认同的定义：国内普遍被认同的定义：嵌嵌入入式式系系统统是是以以应应用用为为中中心心，以以计计算算机机技技术术为为基基础础，软软、硬硬件件可可裁裁剪剪，适适应应应应用用系系统统对对功功能能、可可靠靠性性、成成本本、体体积积、功耗等严格要求的功耗等严格要求的专用计算机系统。专用计算机系统。中国中国中国中国矿业矿
10、业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院17嵌入性嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性专用性：软、硬件按对象要求裁减：软、硬件按对象要求裁减计算机计算机：实现对象的智能化功能：实现对象的智能化功能q就是嵌入到对象体中的专用计算机系统就是嵌入到对象体中的专用计算机系统q三要素：三要素：嵌入、专用、计算机嵌入、专用、计算机q嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点:由三要素引出由三要素引出中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院1.1 1.1 什么是
11、嵌入式系统什么是嵌入式系统181.2嵌入式系统的发展史嵌入式系统设计的嵌入式系统设计的核心部件核心部件是各种类型的是各种类型的嵌入式嵌入式处理器处理器。中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院(1)无操作系统阶段无操作系统阶段以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。（一般（一般没有操作系统的支持，通过汇编语言直接控制。）没有操作系统的支持，通过汇编语言直接控制。）二十世纪七十年代二十世纪七十年代 19711971年年1111月，世界上第一片微处理器月，世界上第一片微处理器Intel 40
12、04Intel 4004 嵌入式应用发展最重要的嵌入式应用发展最重要的里程碑里程碑。其后相继推出了许多其后相继推出了许多8 8位、位、1616位的微处理器位的微处理器Intel 8080/8085、8086Motorola 6800、68000Zilog Z80、Z8000系列化、模块化的单板计算机系列化、模块化的单板计算机第第一一阶阶段段19中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院(2)以嵌入式以嵌入式CPU为基础，以简单操作系统为核心为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。的嵌入式系统。（有简单操作系统的支持，但通用性较
13、弱。）（有简单操作系统的支持，但通用性较弱。）1.2嵌入式系统的发展史二十世纪八十年代二十世纪八十年代 8080年代初年代初IntelIntel进一步完善了进一步完善了80488048，在它的基础上研制成功了，在它的基础上研制成功了80518051单片机单片机其后发展的其后发展的 DSP DSP 产品更快地提升了嵌入式系统的技术水产品更快地提升了嵌入式系统的技术水平平 19811981年，第年，第1 1个商业嵌入式实时内核个商业嵌入式实时内核(VTRX32)(VTRX32)随后，出现了一些嵌入式操作系统随后，出现了一些嵌入式操作系统内核精巧且效率高内核精巧且效率高第第二二阶阶段段20中国中国中
14、国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院(3)以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。（兼容性佳。）（兼容性佳。）(4)以以Internet为标志的嵌入式系统。为标志的嵌入式系统。（与（与Internet相结合。）相结合。）1.2嵌入式系统的发展史二十世纪九十年代至今二十世纪九十年代至今 硬件方面硬件方面，尤其是芯片方面的尤其是芯片方面的发展表现出发展表现出三个特点三个特点软件方面软件方面,嵌入式操作系统出现了进一步的分化嵌入式操作系统出现了进一步的分化，诞生了诞生了一些嵌入式操作系统家族。一些嵌入式操作
15、系统家族。跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入式设备跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入式设备上上第第三三阶阶段段第第四四阶阶段段21嵌入式系统的发展趋势硬件：精简系统内核、降低功耗软件：嵌入式操作系统便于移植源代码开放内核小执行效率高网络结构完整开发平台强大的硬件开发工具软件支持包22IP核（Intellectual Property Core,知识产权核）SOC（Sytem On Chip,片上系统）现代集成电路设计的发展方向SOC概念：在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。23IP核（
16、Intellectual Property Core,知识产权核）核库文件是集成电路的布图设计，属于知识产权的范畴，于是核库中各种核文件以及它们的集合称为知识产权（Intellectual Property），简称IP；又由于单个知识产权是不可再分解的，所以核文件也称为知识产权核或者IP核（IP Core：Intellectual Property Core）。特别地，人们把处理器的核库文件称为处理器核（Processor Core）。24IP核分类及特征分类：软IP固IP硬IP特征：第三方使用；按照复用原则设计；可读性强；完备的可测性；端口定义标准化。251.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入
17、式系统的组成中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设计备、嵌入式操作系统及用户应用程序4部分组成。261.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院软软件件嵌入式嵌入式处处理器理器接接口口接接口口存存储储器器板板级级支持包支持包嵌入式操作系嵌入式操作系统统应应用程序用程序输输入入输输出出硬硬硬硬件件件件软软软软件件件件27（1 1）硬件层）硬件层 硬硬件件层层是是由由嵌嵌入入式
18、式微微处处理理器器、存存储储器器系系统统、通通用用设设备备接接口口和和I/OI/O接口（接口（A/D A/D、D/AD/A、I/OI/O等）等）组成。组成。在在一一片片嵌嵌入入式式微微处处理理器器基基础础上上增增加加电电源源电电路路、时时钟钟电电路路和和存存储储器器电电路路（ROM ROM 和和SDRAMSDRAM等等），就就构构成成了了一一个个嵌嵌入入式式核核心心控控制制模模块块。其其中中操操作作系系统统和和应应用用程程序序都都可可以以固固化化在在ROMROM中。中。MP3随声听的硬件组成 28嵌入式系统的硬件组成嵌入式微处理器嵌入式微处理器核心核心存储器（存储器（ROM、RAM、Flash
19、 ROM）时钟电路时钟电路电源模块电源模块复位复位中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院与与普普通通计计算算机机硬硬件件不不同同之之处处嵌入式系统之最小系统嵌入式系统之最小系统嵌入式系统之接口模块嵌入式系统之接口模块USB模块模块LCD模块模块键盘模块键盘模块硬硬硬硬件件件件可可可可裁裁裁裁剪剪剪剪29嵌入式系统的软件组成应用软件层应用软件层-应用程序应用程序中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院中间层中间层-板级支持包（板级支持包（BSP）（与硬件相关的
20、底层驱动软件）（与硬件相关的底层驱动软件）系统软件层系统软件层-嵌入式操作系统嵌入式操作系统（是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的出现出现,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。解决了嵌入式软件开发标准化的难题。通用性强、可靠性强）通用性强、可靠性强）30（2 2）中间层中间层中 间 层 也 称 为 硬 件 抽 象 层（Hardware Abstract Layer,HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。nBSP具有以下两个特点：n1)
21、操作系统相关性 n2)硬件相关性 n设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：n嵌入式系统的初始化:片级初始化、板级初始化和系统级初始化 n设计硬件相关的设备驱动。31（3 3）软件层软件层软件层由实时多任务操作系统（RTOS）、文件系统、图形用户接口（GUI）、网络系统及通用组件模块组成。nRTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。RTOS实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在RTOS之上。nRTOS是一个标准的内核，它将CPU时钟、中断、I/O、定时器等资源都封装起来，留给用户的是一个标准的API函数接口。32（4 4）应用层）
22、应用层-功能层与执行装置功能层与执行装置功功能能层层：由由基基于于RTOSRTOS开开发发的的应应用用程程序序组组成成，用用来来完完成成对对被被控控对对象象的的控控制制功功能能。功功能能层层是是面面向向被被控控对对象象和和用用户户的的，为为方方便便用用户户操操作作，往往往往需需要要提提供供一一个个友好的友好的人机界面人机界面。执执行行装装置置：是是指指那那些些可可以以接接受受嵌嵌入入式式计计算算机机系系统统发发出出的的控控制制命命令令，执执行行所所规规定定的的操操作作或或任任务务的的设设备备和装置。和装置。在在不不同同的的应应用用领领域域中中，嵌嵌入入式式系系统统的的执执行行装装置置一一般般是
23、是不不同同的的，应应该该根根据据具具体体的的应应用用场场合合和和系系统统所所要要求求实实现现的功能选择不同的设备和执行装置。的功能选择不同的设备和执行装置。332 2 嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构冯冯诺依曼体系结构与哈佛结构诺依曼体系结构与哈佛结构精简指令集计算机精简指令集计算机流水线技术流水线技术信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序34冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构2 2 嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构哈佛体系结构哈佛体系结构35冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存
24、储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据2中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院361）数据与指令都存储在存储器中）数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用）被大多数计算机所采用冯冯诺依曼体系结构的特点诺依曼体系结构的特点ARM7冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院37指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序
25、存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据哈佛体系结构哈佛体系结构中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院381）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的存储器带宽）提供了较大的存储器带宽3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理4）大多数）大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构ARM9哈佛体系结构哈佛体系结构哈佛体系结构的特点哈佛体系结构的特点中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气
26、工程学院气工程学院气工程学院气工程学院39CISC：复杂指令集计算机（复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式2/8规律规律大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集计算机（精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单 2.2CISC 2.2C
27、ISC和和RISCRISC技术技术中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院40RISC体系结构特点：体系结构特点：指令集中的大多数指令只需要执行简单和基本的功能；减少指令数和寻址方式减少存储器访问指令；芯片逻辑采用硬布线逻辑；指令译码简化。41典型的高性能典型的高性能RISC处理器处理器MIPS公司的SGI:MIPS(1986)SUN公司的SPARC(1987)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的Alpha AXP 中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息
28、与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院42CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器进行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序 中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气
29、工程学院气工程学院气工程学院气工程学院43取指令取指令 3执行指令执行指令 3二级流水二级流水串行执行串行执行取指令取指令 取指令单元取指令单元 完成完成总有一个部件总有一个部件 空闲空闲指令预取指令预取若若 取指取指 和和 执行执行 阶段时间上阶段时间上 完全重叠完全重叠指令周期指令周期 减半减半 速度提高速度提高 1 倍倍执行指令执行指令 执行指令单元执行指令单元 完成完成取指令取指令 1执行执行指令指令 1取取指令指令 2执行执行指令指令 2取取指令指令 3执行指令执行指令 3取指令取指令 2执行指令执行指令 2取指令取指令 1执行指令执行指令 12.3 2.3 流水线技术流水线技术中国
30、中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院442.3 2.3 流水线技术流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行技术：几个指令可以并行执行 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动流水线流水线(pipeline)是是 Intel首次在首次在486芯片中开始使用的。芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。45InstructionFetch Shift+ALUMemoryA
31、ccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM or ThumbInst DecodeReg SelectRegReadShiftALURegWriteThumbARMdecompressARM decodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMI三级流水线三级流水线五级流水线五级流水线2.3 2.3 指令流水线指令流水线中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院46指令指令取指取指 移位移位+
32、ALU寄存器寄存器写写寄存器寄存器读读寄存器寄存器译码译码FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM 或或 Thumb指令解码指令解码ARM10指令地址 生成移位移位+ALU数据数据 Cache 接口接口寄存寄存器器写写FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITE寄存器寄存器读读+结果结果 前向迁移前向迁移+记分板记分板乘法乘法乘乘 加加协处理器协处理器 数据接口数据接口分支预测指令取指ISSUE寄存器寄存器访问访问数据数据+分支地址分支地址生成生成ARM 或或 Thumb指令解码指令解码协处理器协处理器 指令发出指令发出五级流水线五级流水线
33、2.3 2.3 指令流水线指令流水线六级流水线六级流水线中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院47中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院超标量执行超标量执行超标量技术：超标量技术：通过重复设置多套指令执行部件，通过重复设置多套指令执行部件，同时处理并完成多条指令，实现并行操作来达同时处理并完成多条指令，实现并行操作来达到提高处理速度的目的。到提高处理速度的目的。控制控制指令指令1寄存器寄存器指令单元指令单元指令单元指令单元指令指令248ARM体系中的存储空
34、间体系中的存储空间中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院2.4 2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序ARM体系使用单一的平板地址空间。体系使用单一的平板地址空间。地址空间大小地址空间大小 个个8位的字节。位的字节。其单元地址为无符号的其单元地址为无符号的32位数，范围为位数，范围为0ARM体系的也可视为地址空间大小体系的也可视为地址空间大小 个个32位位的字。的字。其其单元地址为无符号的单元地址为无符号的30位位数，范围为数，范围为0地址为地址为A的字数据包括的字数据包括A，A+1，A+2，A+3中的中的4字节内容字
35、节内容ARM体系的也可视为地址空间大小体系的也可视为地址空间大小 个个16位位的半字。的半字。其其单元地址为无符号的单元地址为无符号的31位位数，范围为数，范围为0地址为地址为A的字数据包括的字数据包括A，A+1中的中的2字节内容字节内容49处理器将存储器看作是一个从处理器将存储器看作是一个从0 0开始的线性递增的开始的线性递增的字节集合：字节集合：字节字节0 0到到3 3保存第保存第1 1个存储的字个存储的字字节字节4 4到到7 7保存第保存第2 2个存储的字个存储的字字节字节8 8到到11 11保存第保存第3 3个存储的字个存储的字依此类推依此类推 字节字节字节字节字节字节字节字节地址地址
36、AA+1A+2A+3字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节字节0482.4 2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序50存储器格式地址空间的规则：地址空间的规则：位位于于地地址址A A的的字字包包含含的的字字节节位位于于地地址址A,A+1,A+2A,A+1,A+2和和A+3A+3；位于地址位于地址A A的半字包含的字节位于地址的半字包含的字节位于地址A A和和A+1A+1；位位于于地地址址A+2A+2的的半半字字包包含含的的字字节节位位于于地地址址A+2A+2和和A+3A+3；位于地址位于地址A A的字包含的半字位于地址的字包含的半字位
37、于地址A A和和A+2A+2；字节字节字节字节字节字节字节字节地址地址AA+1A+2A+3半字半字半字半字字字2.4 2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序51存储器系统有两种映射机制：存储器系统有两种映射机制：小端存储器系统：小端存储器系统：在在小小端端格格式式中中，高高位位数数字字存存放放在在高高位位字字节节中中。因因此此存存储储器器系系统统字字节节0 0连连接接到到数数据据线线7 70(0(低低位位对对齐齐)。大端存储器系统：大端存储器系统：在在大大端端格格式式中中，高高位位数数字字存存放放在在低低位位字字节节中中。因因此此存存储储器器系系统统字字节节0 0连连接接到到数数据据线线
38、313124(24(高高位位对对齐齐)。0 x12345678字数据的大小端存储方式字数据的大小端存储方式存储器格式0 x12高位地址高位地址低位地址低位地址0 x340 x560 x78大端模式大端模式0 x78高位地址高位地址低位地址低位地址0 x560 x340 x12小端模式小端模式2.4 2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序52一一个个基基于于ARMARM内内核核的的芯芯片片可可以以只只支支持持大大端端模模式式或或小小端端模模式式，也也可可以以两两者者都都支支持持。通通常常，小小端端模模式式是是ARMARM处理器的默认形式。处理器的默认形式。在在ARMARM指指令令集集中中不
39、不包包含含任任何何直直接接选选择择大大小小端端的的指指令令，但但是是一一个个同同时时支支持持大大小小端端模模式式的的ARMARM芯芯片片可可以以通通过过硬硬件件配配置置（一一般般使使用用芯芯片片的的引引脚脚来来配配置置）来来匹匹配配存存储器系统所使用的规则。储器系统所使用的规则。存储器格式注注意意：如如果果实实际际的的存存储储器器格格式式与与芯芯片片的的存存储储器器格格式式不不符符时时，只只有有以以字字为为单单位位的的数数据据存存取取才才正正确确，否否则则将出现不可预期的结果。将出现不可预期的结果。2.4 2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序533 3 嵌入式处理器的结构和类型嵌入式处
40、理器的结构和类型中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院分类：分类：嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（Micro Controller Unit）嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit)嵌入式嵌入式DSP处理器处理器EDSP(Embedded Digital Signal Processor)嵌入式片上系统嵌入式片上系统SoC(System on Chip)多核处理器多核处理器54嵌入式微控制器就是将嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯
41、片集成到一块芯片中中芯片内部集成芯片内部集成ROM/EPROM,RAM,总线总线,总线逻辑总线逻辑,定时定时/计数器计数器,Watchdog,I/O,串行口等各种必要功能串行口等各种必要功能和外设和外设.特点：特点：一个系列的微控制器具有多种衍生产品一个系列的微控制器具有多种衍生产品;单片化单片化,体积大大减小体积大大减小,功耗和成本降低功耗和成本降低,可靠性提高可靠性提高;是目前嵌入式工业的主流是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统约占嵌入式系统70%的份额的份额;多是多是8位和位和16位处理器位处理器流行的嵌入式微控制器流行的嵌入式微控制器通用系列通用系列:8051,MCS251,MCS-
42、96/196/296半通用系列半通用系列:支持支持I2C,CAN BUS及众多专用及众多专用MCU和兼容系和兼容系列列嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（MCUMCU）中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院55嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（MPUMPU）嵌入式微处理器就是和通用计算机的处理器对应的嵌入式微处理器就是和通用计算机的处理器对应的CPU。可以认为是。可以认为是“增强型增强型”通用微处理器。通用微处理器。特点特点:功能和微处理器基本一样功能和微处理器基本一样,是具有是具有32位以上的处理器位以上的处理器,具有具有较高的
43、性能较高的性能.具有体积小具有体积小,功耗少功耗少,成本低成本低,可靠性高的特点可靠性高的特点.有的可提供工业级应用有的可提供工业级应用.流行的嵌入式微处理器流行的嵌入式微处理器:ARM/Strong ARM(ARM公司公司)PowerPC(MOTOROLA公司公司)MIPS(MIPS公司公司)中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院56中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院57嵌入式嵌入式DSP是专门用于是专门用于信号处理方面信号处理方面的处理器，的处理器
44、，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，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执行速度。具有很高的编译效率和指令执行速度。应用领域：应用领域：数字滤波数字滤波频谱分析频谱分析FFT流行的嵌入式流行的嵌入式DSPTMS320C2000系列（系列（TI）MCS-296（Intel）嵌入式嵌入式DSPDSP中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院58嵌入式片上系统SoCSoC，System on chipSystem on chip，或者，或者 System on a chip System on a
45、 chip。基本定义是：以基本定义是：以知识产权核知识产权核为设计基础，在单为设计基础，在单个芯片上集成处理器、存储器、各种接口等部个芯片上集成处理器、存储器、各种接口等部件，件，组成一个部分完整的计算机系统组成一个部分完整的计算机系统，可以完，可以完成特定的应用功能。成特定的应用功能。目前，大多数目前，大多数3232位的嵌入式处理器芯片都是位的嵌入式处理器芯片都是SoCSoC。59嵌入式嵌入式SoC是追求产品系统最大包容的集成器件。是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。特点：特点：结构简洁结构简洁体积小、功耗小体积小、功
46、耗小可靠性高可靠性高设计生产效率高设计生产效率高流行的流行的SoCSmart XA（Philips）嵌入式SoC中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院60嵌入式嵌入式SoPC是用可编程逻辑技术把整个系统是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上放到一块硅片上。它是片上系统（它是片上系统（SoC），即由单个芯片完成整个系），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；统的主要逻辑功能；它是它是可编程系统可编程系统。特点：特点：采用超深亚微米工艺技术采用超深亚微米工艺技术使用一个以上的嵌入式处理器使用一个以上的嵌入式处理器/DSP设计方式灵活设计方式灵活可裁减、可扩充、可升级可裁减、可扩充、可升级软硬件在系统可编程的功能。软硬件在系统可编程的功能。嵌入式SoPC中国中国中国中国矿业矿业大学信息与大学信息与大学信息与大学信息与电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院61多核处理器将两个或多个CPU核封装在一个芯片内部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还能显著提高处理器的性能。实现两个或多个内核协调工作：对称（Symmetric）多处理技术非对称多处理（Asymmetric）62GTS1011芯片63作业嵌入式系统的组成及每个层次的功能64结束结束