第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用1.3嵌入式系統(tǒng)的總體組成1.4常用的嵌入式處理器1.5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1.6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)1.8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討習(xí)題第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)概述

本章概括地闡述了嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法等，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、發(fā)展應(yīng)用、總體組成、常用的嵌入式處理器、常用的嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討等內(nèi)容。

1．1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點(diǎn)

1．1．1嵌入式系統(tǒng)的定義

IEEE的定義：嵌入式系統(tǒng)是用來(lái)控制、監(jiān)控或者輔助操作機(jī)器、裝置、工廠(chǎng)等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。我國(guó)通常定義：嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）就是嵌入到目標(biāo)體系中的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專(zhuān)用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)基本要素。具體地講，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1．1．2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1．嵌入式系統(tǒng)是專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2．嵌入式系統(tǒng)須滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的要求3．嵌入式系統(tǒng)需滿(mǎn)足對(duì)象系統(tǒng)的控制要求4．嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)集成應(yīng)用系統(tǒng)5．嵌入式系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的應(yīng)用生命周期6．嵌入式系統(tǒng)軟件固化在非易失性存儲(chǔ)器中7．多數(shù)嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性要求8．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具1．2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用1．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個(gè)階段

1）以單片機(jī)為核心的低級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能單一，處理效率不高，存儲(chǔ)容量較小，用戶(hù)接口簡(jiǎn)單或沒(méi)有用戶(hù)接口，但它使用簡(jiǎn)單，成本低廉。

2）以嵌入式微處理器為基礎(chǔ)的初級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是處理器種類(lèi)多，通用性較弱；系統(tǒng)效率高，成本低；操作系統(tǒng)具有兼容性、擴(kuò)展性，但用戶(hù)界面簡(jiǎn)單。

3）以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的中級(jí)嵌入式系統(tǒng)主要特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同嵌入式處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且可任意裁剪；具有文件和目錄管理、多任務(wù)功能，支持網(wǎng)絡(luò)、具有圖形窗口以及良好的用戶(hù)界面；具有大量的應(yīng)用程序接口，嵌入式應(yīng)用軟件豐富。1．2．1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展4）以Internet為標(biāo)志的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)大多孤立于Intemet，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，隨著信息家電的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用必將與Internet有機(jī)結(jié)合在一起，成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)?；?2位/64位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①芯片內(nèi)外資源豐富，硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單；②可運(yùn)行各種操作系統(tǒng)，降低了復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的難度；可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)難度降低，系統(tǒng)人機(jī)界面友好；③系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，控制精度高；④有成熟的開(kāi)發(fā)工具，豐富的開(kāi)發(fā)資源和資料；⑤32位/64位的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人群不斷增多，有助于降低企業(yè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本、保持開(kāi)發(fā)的連續(xù)性。2．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1）嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，硬件向集成化發(fā)展，軟件將逐漸PC化

2）嵌入式系統(tǒng)的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、微功耗和低成本

3）不斷改善人機(jī)交互的手段，提供精巧的多媒體人機(jī)界面

4）云計(jì)算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)

5）嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)可升級(jí)，代碼可復(fù)用將更受重視其中：云計(jì)算（Cloud）是將計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，這樣我們只需要一個(gè)終端，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的計(jì)算任務(wù)，甚至是超級(jí)計(jì)算任務(wù)。可重構(gòu)性是指在一個(gè)系統(tǒng)中，其硬件模塊或（和）軟件模塊均能根據(jù)變化的數(shù)據(jù)流或控制流對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或算法進(jìn)行重新配置（或重新設(shè)置）。虛擬化是指計(jì)算機(jī)軟件在一個(gè)虛擬的平臺(tái)上而不是一個(gè)真實(shí)的硬件上運(yùn)行。

嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、提升多領(lǐng)域技術(shù)水平的有力主具，可以說(shuō)嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能產(chǎn)品（智能儀表、智能和信息家電）、工業(yè)自動(dòng)化（測(cè)控裝置、數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)采集與處理）、辦公自動(dòng)化（通用計(jì)算機(jī)中的智能接口）、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備檢測(cè)、石油化工、商業(yè)應(yīng)用（電子秤，POS機(jī)，條碼識(shí)別機(jī)）、安全防范（防火、防盜、防泄漏等報(bào)警系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)通信（路由器、網(wǎng)關(guān)、手機(jī)、PDA、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)）、汽車(chē)電子與航空航天（汽車(chē)防盜報(bào)警器、汽車(chē)和飛行器黑匣子）以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域，如圖1．1所示。1．2．2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用圖1．1嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1．3嵌入式系統(tǒng)的總體組成圖1．2基于控制領(lǐng)域的典型嵌入式系統(tǒng)1．3．1嵌入式系統(tǒng)的硬件圖1．3典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成1．中間層程序中間層程序主要為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口，它包括硬件抽象層（HardwareAbstractionLayer，HAL）、板級(jí)支持包（BoardSupportPackage，BSP）以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

1）硬件抽象層硬件抽象層就是通過(guò)程序來(lái)控制處理器、I/O接口以及存儲(chǔ)器等所有硬件的操作，這樣使系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，提高了系統(tǒng)中的移植性。它包括相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置等操作。

2）板級(jí)支持包板級(jí)支持包主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪(fǎng)問(wèn)硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。BSP實(shí)現(xiàn)的功能主要有：①系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)硬件初始化；②為驅(qū)動(dòng)程序提供訪(fǎng)問(wèn)硬件的手段，BootLoader便屬于此類(lèi)。1．3．2嵌入式系統(tǒng)的軟件3）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈榆浖峁┱{(diào)用的操作接口。驅(qū)動(dòng)程序除了實(shí)現(xiàn)本的功能函數(shù)外（初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等），還具備完善的錯(cuò)誤處理函數(shù)。

2．嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，有了嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)程管理、進(jìn)程間的通信、內(nèi)存管理、文件管理、驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方可實(shí)現(xiàn)。

3．應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件是在嵌入式操作系統(tǒng)支持下通過(guò)調(diào)用API函數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用編制的用戶(hù)軟件。如抄表系統(tǒng)的軟件、掌上信息查詢(xún)軟件等。

嵌入式微處理器（EmbeddedMicrocomputerUnit，EMPU）、嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMCU）嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）嵌入式可編程片上系統(tǒng)（SystemOnaProgrammableChip，SOPC)。1．4常用的嵌入式處理器1．4．1嵌入式處理器的種類(lèi)

1．嵌入式微處理器嵌入式微處理器是由PC中的CPU演變而來(lái)的，與通用PC的微處理器不同的是，它只保留了與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件。典型的EMPU有PowerPC、MIPS、MC68000、i386EX、AMDK62E以及ARM等，其中ARM是應(yīng)用最廣、最具代表性的嵌入式微處理器。

2．嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，其內(nèi)部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí)器、看門(mén)狗、I/O接口等各種必要的功能部件。典型的EMCU有51系列、MC68系列、PIC系列、MSP430系列等。

3．嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，因而具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。典型的EDSP有TMS32010系列、TMS32020系列等。

4．嵌入式片上系統(tǒng)

SOC是一個(gè)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，它一般將一個(gè)完整的產(chǎn)品的各功能集成在一個(gè)芯片上或芯片組上，其中可能包括處理器CPU、存儲(chǔ)器、硬件加速單元、與外圍設(shè)備的接口I/F，模數(shù)混合放大電路，甚至延伸到傳感器、微機(jī)電和微光電單元。

SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器的片內(nèi)嵌入了操作系統(tǒng)。由于片上系統(tǒng)絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

5．嵌入式可編程片上系統(tǒng)可編程片上系統(tǒng)SOPC是一種基于FPGA的可重構(gòu)SOC，它集成了硬IP核或軟IP核CPU、DSP、存儲(chǔ)器、外圍I/O及可編程邏輯，是更加靈活、高效的SOC解決方案。SOC與SOPC的區(qū)別：SOC是專(zhuān)用集成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本高，SOPC是基于FPGA的可重構(gòu)SOC，是一種通用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低。

英國(guó)ARM（AdvancedRISCMachines）公司成立于1990年。在1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生（在美國(guó)VLSI公司制造）。目前，ARM架構(gòu)處理器已在高性能、低功耗、低成本應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先地位。

ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供了ARM處理器內(nèi)核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等）和ARM處理器宏核（ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等），由各半導(dǎo)體公司（ARM公司合作伙伴）在上述處理器內(nèi)核或處理器宏核基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種嵌入式微處理器（EMPU）或嵌入式微控制器（EMCU）。1．4．2典型ARM微處理器系列ARM處理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。

ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E為4個(gè)通用嵌入式微處理器系列，每個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，有多個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)；SecurCore系列則是專(zhuān)門(mén)為安全性要求較高的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的；StrongARM是Intel公司生產(chǎn)的用于便攜式通信產(chǎn)品和消費(fèi)電子產(chǎn)品的理想嵌入式微處理器，應(yīng)用于多家掌上電腦系列產(chǎn)品；Xscale是Intel公司推出的基于A(yíng)RMv5TE體系結(jié)構(gòu)的全性能、高性?xún)r(jià)比、低功耗的嵌入式微處理器，應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Cortex-A8處理器是第一款基于下一代ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來(lái)更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?-2技術(shù)。圖1.4基于A(yíng)RM核的典型嵌入式處理器系列1．4．3典型ARM微處理器簡(jiǎn)介

1．S3C44B0X微處理器簡(jiǎn)介

S3C44B0X是三星公司專(zhuān)為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提高的高性?xún)r(jià)比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微處理器。它使用ARM7TDMI核，工作在75MHz。S3C44B0X采用0．25um制造工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器，它耗能低、精簡(jiǎn)及出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)非常適用于對(duì)成本和功耗要求較高的場(chǎng)合。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了若干部件，主要包括8KBCache（數(shù)據(jù)/指令）、內(nèi)部SRAM、外部?jī)?chǔ)存器控制器、LCD（LiquidCrystalDisplay）控制器、4個(gè)DMA通道、帶自動(dòng)握手的2通道UART、一個(gè)多主I2C（InterIntegrateCircuit）總線(xiàn)控制器、1個(gè)I2S（InterIntegrateCircuitSoundBus）總線(xiàn)控制器、5通道PWM定時(shí)器、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、71個(gè)通用I/O口、8個(gè)外部中斷源、具有日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、8通道10位A/D轉(zhuǎn)化器、1個(gè)SIO接口以及PLL（鎖相環(huán)）時(shí)鐘發(fā)生器。

S3C44B0X采用新型的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，即三星ARMCPU嵌入式微處理器總線(xiàn)結(jié)構(gòu)SAMBAII。2．S3C2410X/S3C2440X微處理器簡(jiǎn)介

S3C2410X/S3C2440X是三星公司出品的基ARM920T核的嵌入式微處理器，它與基于A(yíng)RM7的S3C44B0X的最大區(qū)別在于，S3C2410X/S3C2440X內(nèi)部帶有全性能的內(nèi)存管理單元（MMU），適用于設(shè)計(jì)移動(dòng)手持設(shè)備類(lèi)產(chǎn)品，具有高性能、低功耗、接口豐富及體積小等優(yōu)良特性。

S3C2410X/S3C2440X提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備：如雙重分離的16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存、MMU虛擬存儲(chǔ)器管理部件、LCD控制器、支持NAND的Flash系統(tǒng)引導(dǎo)、外部存儲(chǔ)控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時(shí)器、I/O端口、定時(shí)器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、觸摸屏接口、I2C總線(xiàn)接口、USB主機(jī)、USB設(shè)備、SD主卡及MMC卡接口、2通道SPI以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器。3．LPC2000系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介

LPC2000系列嵌入式微控制器是基于A(yíng)RM7TDMI-SCPU內(nèi)核的，它支持ARM和Thumb指令集，芯片內(nèi)集成豐富外設(shè)，而且具有非常低的功率消耗。該系列微控制特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪(fǎng)問(wèn)控制和POS機(jī)等場(chǎng)合。有關(guān)其系列產(chǎn)品的主要信息見(jiàn)表1．1。

4．AT91系列嵌入式微控制器簡(jiǎn)介美國(guó)AtmelAT91系列微控制器是基于A(yíng)RM7TDMI（有的基ARM920T）的嵌入式微處理器的16/32位微控制器，是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的ARM芯片之一。AT91系列微控制器定位在低功耗和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用領(lǐng)域，它們已成功應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、MP3/WMA播放器、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、BP機(jī)、POS機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、GPS和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)品中。AT91系列微控制器為工業(yè)級(jí)芯片，價(jià)格比較便宜。基于A(yíng)RM技術(shù)的Atmel微控制器為AT91系列，其中有幾種類(lèi)型，AT91RXXXX和AT91MXXXX（內(nèi)部帶有RAM，但沒(méi)有程序存儲(chǔ)器類(lèi)型）、AT91RMXXXX（內(nèi)部帶有RAM，有ROM類(lèi)型），AT91FRXXXX（內(nèi)部帶有RAM，有Flash程序存儲(chǔ)器類(lèi)型）。5．XScale微體系結(jié)構(gòu)微處理器簡(jiǎn)介

IntelXScale微體系結(jié)構(gòu)提供了一種全新的、高性?xún)r(jià)比、低功耗且基于A(yíng)RMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP擴(kuò)充?；赬Scale技術(shù)開(kāi)發(fā)的微處理器，可用于手機(jī)、便攜式終端（PDA）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備及骨干網(wǎng)（BackBone）路由器等。IntelPXA250微處理器芯片就是一款集成了32位IntelXScale微處理器核的應(yīng)用處理器。

6．STR710F系列嵌入式處理器簡(jiǎn)介

STR710F系列嵌入式處理器產(chǎn)品是意法半導(dǎo)體有限公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM7TDMI32位RISCCPU為內(nèi)核，特別適用于需要尺寸緊湊、CPU功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)和可升級(jí)的解決方案，如用戶(hù)界面要求高的系統(tǒng)、工廠(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)和銷(xiāo)售點(diǎn)（POS）應(yīng)用等。

嵌入式操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)等活動(dòng)，它是嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶(hù)的其它應(yīng)用程序都建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它使得嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率大大提高，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總工作量大大減少，并且極大地提高了嵌入式軟件的可移植性。為了滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的要求，嵌入式操作系統(tǒng)必須包含操作系統(tǒng)的一些最基本的功能，用戶(hù)可以通過(guò)API函數(shù)來(lái)使用操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)具有編碼體積小、面向應(yīng)用、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可移植性好、可靠性高以及專(zhuān)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。1．5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1．5．1嵌入式操作系統(tǒng)及其特點(diǎn)

1．LinuxLinux是一種自由和開(kāi)放源碼的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)，它得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛(ài)好者LinusTorvalds。目前存在著許多不同的Linux，，但它們都使用了Linux內(nèi)核。Linux可安裝在各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中，從手機(jī)、平板電腦、路由器和視頻游戲控制臺(tái)，到臺(tái)式計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)。Linux是一個(gè)領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，世界上運(yùn)算最快的10臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的都是Linux操作系統(tǒng)。一些流行的主流Linux發(fā)行版，包括Debian（及其派生物Ubuntu），F(xiàn)edora和openSUSE等。

2．μC/OS-IIμC/OS-II是一個(gè)可裁剪、源代碼開(kāi)放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該操作系統(tǒng)支持多達(dá)64個(gè)任務(wù)，大部分嵌入式微處理器均支持μC/OS-II。1．5．2幾種常用嵌入式操作系統(tǒng)

3．WindowsCEMicrosoftWindowsCE是Microsoft公司產(chǎn)品，是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線(xiàn)程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)從掌上電腦到專(zhuān)用的工業(yè)控制器的用戶(hù)電子設(shè)備進(jìn)行定制。該操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核至少需要200KB的ROM。從游戲機(jī)到現(xiàn)在大部分的掌上電腦都采用了WindowsCE作為操作系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)軟件價(jià)格過(guò)高，影響整個(gè)產(chǎn)品的成本控制。

4．VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高、精、尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。但大多數(shù)的VxWorksAPI是專(zhuān)用的，VxWorks的價(jià)格昂貴。5．pSOSpSOS是ISI公司研發(fā)的產(chǎn)品。pSOS是一個(gè)模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專(zhuān)為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或商業(yè)的硬件上具有高性能和高可靠性。

6．PalmOS3COM公司的PalmOS在掌上電腦和PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額。它有開(kāi)放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，開(kāi)發(fā)商可以根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)所需的應(yīng)用程序。在開(kāi)發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows和Macintosh下安裝PalmPilotDesktop。

7．QNXQNX是由加拿大QSSL公司開(kāi)發(fā)的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)既能運(yùn)行于以IntelX86、Pentium等CPU為核心硬件環(huán)境下，也能運(yùn)行于以PowerPC、MIPS等CPU為核心的硬件環(huán)境。它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化、控制、機(jī)器人科學(xué)、電信、數(shù)據(jù)通信、航空航天、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器設(shè)備、交通運(yùn)輸、安全防衛(wèi)系統(tǒng)、POS機(jī)、零售機(jī)等任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用領(lǐng)域。8．蘋(píng)果iOSiOS是由蘋(píng)果公司為iPhone開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)。它是以Darwin為基礎(chǔ)的，主要是給iPhone、iPodtouch以及iPad使用。原本這個(gè)系統(tǒng)名為iPhoneOS，直到2010年6月7日WWDC大會(huì)上宣布改名為iOS。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為四個(gè)層次：核心操作系統(tǒng)層、核心服務(wù)層、媒體層、可輕觸層。系統(tǒng)操作占用大概240MB的存儲(chǔ)器空間。

9．AndroidAndroid是一種以L(fǎng)inux為基礎(chǔ)的開(kāi)放源碼操作系統(tǒng)，主要使用于便攜設(shè)備。Android操作系統(tǒng)最初由AndyRubin開(kāi)發(fā)，最初主要支持手機(jī)。2005年由Google收購(gòu)注資，并拉攏多家制造商組成開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)改良，逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。2010年末數(shù)據(jù)顯示，僅正式推出兩年的操作系統(tǒng)的Android已經(jīng)超越稱(chēng)霸十年的諾基亞Symbian系統(tǒng)，躍居全球最受歡迎的智能手機(jī)平臺(tái)。

1．6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1．嵌入式微處理器及操作系統(tǒng)的選擇嵌入式微處理器可謂多種多樣，品種繁多，而且都在一定領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)也有不少，如VxWorks、Linux，Nuc1ears、WindowsCE等，即使在一個(gè)公司之內(nèi)，也會(huì)同時(shí)使用好幾種處理器，甚至幾種嵌入式操作系統(tǒng)。

2．開(kāi)發(fā)工具的選擇目前用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)工具種類(lèi)繁多，不僅各種操作系統(tǒng)有各自的開(kāi)發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)的不同階段也使用不同的開(kāi)發(fā)工具。

3．對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的觀(guān)察與控制要使系統(tǒng)能正常工作，軟件開(kāi)發(fā)者必須要對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)具有完全的觀(guān)察和控制能力，如硬件的各種寄存器、內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)的信號(hào)量、消息隊(duì)列、任務(wù)、堆棧等。1．6．1嵌入式系統(tǒng)的總體考慮1．6．2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖1．5嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程1．6．3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

圖1．6單片機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程比較圖1．7傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和嵌人式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的比較

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比有2個(gè)顯著的特點(diǎn)：①描述軟、硬件使用統(tǒng)一的表示形式；②硬、軟件劃分可以選擇多種方案，直到滿(mǎn)足要求。

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境一般由三個(gè)部分組成：宿主機(jī)、調(diào)試仿真器和目標(biāo)機(jī)。其中宿主機(jī)用來(lái)完成源代碼編輯、編譯、顯示一部分運(yùn)行結(jié)果等，操作系統(tǒng)可以是UNIX、Linux和Windows等，硬件可以是PC和工作站等。目標(biāo)機(jī)就是用戶(hù)嵌入式程序的運(yùn)行環(huán)境，CPU可能是任何CPU，常用的有ARM、MIPS、PowerPC、DrangonBall等。操作系統(tǒng)常用的有Linux、μC/OS-II、WindowsCE、Vxworks、等，或者根本沒(méi)有操作系統(tǒng)。使用集成開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)基于A(yíng)RM的應(yīng)用軟件，可以完成系統(tǒng)軟件的編輯、編譯、匯編和鏈接等工作；通過(guò)調(diào)試仿真器可以在PC上實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟件的調(diào)試；再使用燒寫(xiě)軟件，將開(kāi)發(fā)成功的應(yīng)用系統(tǒng)從宿主機(jī)向目標(biāo)機(jī)下載移植，從而完成整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。1．7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)1．7．1嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境圖1．8嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試環(huán)境示意圖1．指令集模擬器部分嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了指令集模擬器，可方便用戶(hù)在PC上完成一部分簡(jiǎn)單的調(diào)試工作，但是由于指令集模擬器與真實(shí)的硬件環(huán)境相差很大，因此即使用戶(hù)是用指令集模擬器調(diào)試通過(guò)的程序也有可能無(wú)法在真實(shí)的硬件環(huán)境下運(yùn)行，用戶(hù)最終必須在硬件平臺(tái)上完成整個(gè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

2．駐留監(jiān)控軟件駐留監(jiān)控軟件（ResidentMonitors）是一段運(yùn)行在目標(biāo)板上的程序，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的調(diào)試軟件通過(guò)以太網(wǎng)口、并行端口、串行端口等通信端口與駐留監(jiān)控軟件進(jìn)行交互，由調(diào)試軟件發(fā)布命令，通知駐留監(jiān)控軟件控制程序執(zhí)行、讀/寫(xiě)儲(chǔ)存器、讀/寫(xiě)寄存器和設(shè)置斷點(diǎn)等。駐留監(jiān)控軟件是一種比較低廉有效的調(diào)節(jié)方式，不需要任何其它的硬件調(diào)試和仿真設(shè)備。駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對(duì)硬件設(shè)備的要求比較高。1．7．2嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工具

3．JTAG仿真器

JTAG仿真器也稱(chēng)為JTAG調(diào)試器，是通過(guò)ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與ARMCPU核通信，它無(wú)需目標(biāo)儲(chǔ)存器，不占用目標(biāo)端口的任何端口。另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行的仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問(wèn)題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配、電線(xiàn)長(zhǎng)度的限制等被最小化了。使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開(kāi)發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)節(jié)方式。

4．在線(xiàn)仿真器在線(xiàn)仿真器使用仿真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調(diào)試功能。但這類(lèi)仿真器為了能夠全速仿真時(shí)鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝，因而價(jià)格比較昂貴。在線(xiàn)仿真器常用在A(yíng)RM的硬件開(kāi)發(fā)中，在軟件的開(kāi)發(fā)中使用較少，其價(jià)格昂貴也是在線(xiàn)仿真器難以普及的因素。1．非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用，主要是在一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中或在實(shí)時(shí)性要求非常高的系統(tǒng)中，許多時(shí)候用于代替原來(lái)8位/16位單片機(jī)的應(yīng)用。隨著32位單片機(jī)成本的不斷降低，其成本已與8位單片機(jī)相差無(wú)幾。因此，非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

2．操作系統(tǒng)非GUI層次的應(yīng)用操作系統(tǒng)非GUI層次的應(yīng)用，主要是指其應(yīng)用程序建立在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，是為了實(shí)現(xiàn)程序的多任務(wù)及實(shí)時(shí)性，此類(lèi)應(yīng)用在人機(jī)交互方面沒(méi)有很高的要求，可選擇的操作系統(tǒng)有許多。

3．操作系統(tǒng)GUI層次的應(yīng)用操作系統(tǒng)GUI層次的應(yīng)用，主要是為了方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能、網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)據(jù)庫(kù)功能以及其它更復(fù)雜的應(yīng)用。GUI層次的開(kāi)發(fā)，除了借助于操作系統(tǒng)及GUI庫(kù)強(qiáng)大的功能，更重要的是可以讓程序開(kāi)發(fā)人員把關(guān)注點(diǎn)集中在高層的目標(biāo)與任務(wù)的實(shí)現(xiàn)中，使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單，讓開(kāi)發(fā)速度及開(kāi)發(fā)效率更高1．7．3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式

1．需要交叉編譯工具嵌入式系統(tǒng)采用的處理器一般與PC不同，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，功耗較低。由于嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)機(jī)上的資源較為有限（內(nèi)存外存容量小，顯示功能弱），直接在目標(biāo)機(jī)上開(kāi)發(fā)和調(diào)試應(yīng)用軟件幾乎不可能。因此，目標(biāo)機(jī)的嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)需要放在高性能計(jì)算機(jī)上的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境上進(jìn)行，由于PC的大量普及和使用，現(xiàn)在的嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境也大多運(yùn)行在PC上。需要交叉編譯工具的另一個(gè)原因是嵌入式系統(tǒng)處理器芯片的指令系統(tǒng)與PC處理器芯片的指令系統(tǒng)不同。一般情況下，PC的處理器芯片是X86芯片，使用的指令系統(tǒng)是X86指令系統(tǒng)，而ARM9芯片運(yùn)行的是ARM指令系統(tǒng)，兩者有很大差別。因此，用ARMADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)的C語(yǔ)言程序需要經(jīng)過(guò)交叉編譯器才能生成運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的ARM9機(jī)器語(yǔ)言程序。1．7．4嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)2．通過(guò)仿真手段進(jìn)行調(diào)試目標(biāo)機(jī)執(zhí)行程序經(jīng)過(guò)交叉編譯后，還要經(jīng)過(guò)調(diào)試排錯(cuò)，確認(rèn)能夠正常運(yùn)行才能使用。那么如何進(jìn)行調(diào)試排錯(cuò)呢？顯然在目標(biāo)機(jī)上調(diào)試排錯(cuò)是非常困難的。原因是輸入輸出方式較少，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)顯示面積小，甚至沒(méi)有顯示屏，從而無(wú)法顯示調(diào)試信息；調(diào)試工具需要較大存儲(chǔ)空間，對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比較困難。但對(duì)于臺(tái)式機(jī)而言，這些條件很容易滿(mǎn)足。因此，通常的調(diào)試也是在PC上完成的，方式就是仿真調(diào)試。

3．目標(biāo)機(jī)是最終的運(yùn)行環(huán)境對(duì)嵌入式應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，其開(kāi)發(fā)、調(diào)試往往是在PC上完成的，但它最終的運(yùn)行環(huán)境是目標(biāo)機(jī)。嵌入式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)調(diào)試完成后，要下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，正確無(wú)誤運(yùn)行后才表示成功。如果不成功或需要進(jìn)一步完善，則需重新回到PC上運(yùn)行修改調(diào)試。4．執(zhí)行應(yīng)用程序的指令通常寫(xiě)入操作系統(tǒng)在常用的嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用程序的啟動(dòng)執(zhí)行指令通常需要預(yù)先寫(xiě)入操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度程序里，編輯在目標(biāo)程序中。因此，嵌入式應(yīng)用程序許與操作系統(tǒng)有一定聯(lián)系，開(kāi)發(fā)者不僅要了解應(yīng)用程序，也要了解操作系統(tǒng)，知道如何讓一個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行。

5．系統(tǒng)資源有限在進(jìn)行嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)，就必須考慮可用資源問(wèn)題。以存儲(chǔ)容量為例，嵌入式系統(tǒng)的ROM容量一般只有幾兆字節(jié)，對(duì)目標(biāo)程序有嚴(yán)格的長(zhǎng)度限制，這樣程序員在編程時(shí)就必須考慮這個(gè)限制。

6．控制特定部件在嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，程序員往往需要針對(duì)特定的部件做更加細(xì)致的編寫(xiě)作業(yè)。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，就是利用嵌入式微處理器/微控制器內(nèi)部的特定資源和擴(kuò)展的外部資源，來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)特定的目標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)于基于A(yíng)RM+Linux嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，初步具備從事ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的能力，作者認(rèn)為應(yīng)掌握ARM嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建、Linux操作系統(tǒng)的移植和開(kāi)發(fā)工具的使用，ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法，包括嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、ARM處理器芯片的選擇、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與接口設(shè)計(jì)、嵌入式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的使用等內(nèi)容。同時(shí)應(yīng)熟悉與嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)的有關(guān)領(lǐng)域知識(shí)。增多，有助于降低企業(yè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本、保持開(kāi)發(fā)的連續(xù)性。1．8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討1．8．1嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容

要學(xué)好嵌入式系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)應(yīng)用，首先必須掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)是進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。技術(shù)基礎(chǔ)決定了一個(gè)人學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握技能的能力。其次，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，必須要有一個(gè)較好的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。功能全面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)一方面為學(xué)習(xí)提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，另一方面開(kāi)發(fā)平臺(tái)本身也是一般的典型實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。最后，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，必須要有一個(gè)較好的教師指導(dǎo)，并選用幾本好的教材，采用合適、有效的學(xué)習(xí)方法。嵌入式技術(shù)，內(nèi)容新穎，綜合性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。因此需要理論與實(shí)踐相結(jié)合，課內(nèi)與課外相結(jié)合，研究性學(xué)習(xí)與課題開(kāi)發(fā)相結(jié)合。在具備嵌入式系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能后，進(jìn)行課題的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)一個(gè)非常有效的方法。1．8．2嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)條件

學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)采用課堂教學(xué)與課后研究探討自學(xué)相結(jié)合，理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的方法，研究性教學(xué)與課題開(kāi)發(fā)相結(jié)合。其中應(yīng)用設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)踐則是熟悉和掌握嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用開(kāi)發(fā)技巧的最好方法。利用ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)展本科生研究性教學(xué)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)先進(jìn)，社會(huì)急需，綜合性強(qiáng)，創(chuàng)新性強(qiáng)，成本低廉。為了描述基于A(yíng)RM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)的研究背景、主要研究目標(biāo)、主要研究?jī)?nèi)容以及主要研究期望，圖1.9給出了基于A(yíng)RM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)模型。1．8．3嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法圖1.9基于A(yíng)RM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)模型1.利用ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)展研究性教學(xué)的研究?jī)?nèi)容（1）ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)研究：主要包括ARM器件結(jié)構(gòu)；ARM匯編語(yǔ)言；C/C++語(yǔ)言；操作系統(tǒng)移植；應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論、基本方法、基本工具的學(xué)習(xí)與使用。（2）ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與生實(shí)現(xiàn)相關(guān)研究：主要是與課題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、工業(yè)智能控制、網(wǎng)絡(luò)通信控制、數(shù)字家電控制等基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)算法和系統(tǒng)仿真等研究，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)算法的設(shè)計(jì)、選擇和仿真。（3）基于A(yíng)RM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析；ARM實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)；ARM操作系統(tǒng)移植；ARM應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；ARM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；ARM系統(tǒng)組裝與調(diào)試。2.基于A(yíng)RM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)展研究性教學(xué)的主要形式基于A(yíng)RM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)展研究性教學(xué)的主要形式，包括組建ARM嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)興趣小組、課題系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究小組和選撥教師科研項(xiàng)目助理等，通過(guò)專(zhuān)題訓(xùn)練、分散研究、定期討論、按需答疑、總結(jié)匯報(bào)等形式開(kāi)展研究活動(dòng)。

3.基于A(yíng)RM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學(xué)的主要成效（1）熟練掌握ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、基本方法、基本技巧、調(diào)試方法和調(diào)試技巧。（2）熟練掌握與ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)課題相關(guān)的基礎(chǔ)理論、基本方法、基本技巧。（3）全面提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力通過(guò)研究性學(xué)習(xí)訓(xùn)練的學(xué)生，不但具有良好的參考文獻(xiàn)查找能力、分析利用和文檔處理能力，同時(shí)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力大為提高，就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高，80%的學(xué)生畢業(yè)時(shí)均能找到從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的工作，并且工資待遇也相當(dāng)不錯(cuò)。習(xí)題11．什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？2．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展階段及特點(diǎn)3．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。4．嵌入式系統(tǒng)有哪些組成部分？各部分的功能和作用是什么？5．簡(jiǎn)述嵌入式處理器的分類(lèi)及各自的主要特點(diǎn)。6．寫(xiě)出EMPU、EMCU、EDSP、SOC和SOPC的全稱(chēng)，并解釋其含義。7．簡(jiǎn)述典型的嵌入式微處理器和微控制器的系列及應(yīng)用領(lǐng)域。8．簡(jiǎn)單分析幾種嵌入式操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，包括嵌入式Linux，WindowsCE，μC/OS-II及VxWorks。9．嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式有哪幾種？各有什么有缺點(diǎn)？10．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮哪些因素。11．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境的組成，解釋其中的基本概念。12．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法。13．簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。14．簡(jiǎn)述嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。第2章ARM嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)2.1嵌入式處理器內(nèi)核種類(lèi)2.2ARM體系結(jié)構(gòu)概述2.3ARM流水線(xiàn)技術(shù)2.4ARM處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)

本章首先介紹了當(dāng)今流行的嵌入式處理器內(nèi)核的種類(lèi)，接著概述了ARM嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)和ARM流水線(xiàn)技術(shù)，最后闡述了ARM處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。2．1嵌入式處理器內(nèi)核的種類(lèi)

目前世界上有四大流派的嵌入式處理器內(nèi)核生產(chǎn)廠(chǎng)家及嵌入式處理器內(nèi)核，即MIPS公司（www．mips．com）的MIPS處理器內(nèi)核，ARM公司（www．a(chǎn)rm．com）的ARM處理器內(nèi)核，國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）、蘋(píng)果公司（Apple）及摩托羅拉（Motorola）公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的PowerPC，摩托羅拉公司（www．motorola．com）的68K/COLDFIRE。嵌入式處理器內(nèi)核是一個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)，并不是一個(gè)芯片，內(nèi)核的設(shè)計(jì)一般追求高速度、低功耗、易于集成。1．MIPS內(nèi)核

MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠(chǎng)商，在RISC處理器方面占有重要地位。1984年，MIPS計(jì)算機(jī)公司成立。1992年，SGI收購(gòu)了MIPS計(jì)算機(jī)公司。1998年，MIPS脫離SGI，成為MIPS技術(shù)公司。MIPS公司設(shè)計(jì)RISC處理器始于20世紀(jì)80年代初。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)MIPS處理器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。新的架構(gòu)集成了所有原來(lái)MIPS指令集，并且增加了許多更強(qiáng)大的功能。MIPS公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)了高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核（core）MIPS324Kc與高性能64位處理器內(nèi)核MIPS645Kc。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對(duì)MIPS324Kc的版本以及64位MIPS6420Kc處理器內(nèi)核。MIPS內(nèi)核具有高速、多核集成的特點(diǎn)。2．ARM內(nèi)核

ARM內(nèi)核具有低功耗的特點(diǎn)，ARM內(nèi)核的設(shè)計(jì)技術(shù)被授權(quán)給數(shù)百家的半導(dǎo)體廠(chǎng)商，做成不同的SOC芯片。ARM內(nèi)核在當(dāng)今最活躍的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、3G、手機(jī)終端、手持設(shè)備、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用形式是集成到專(zhuān)用芯片之中作為控制器。采用ARM內(nèi)核的主要半導(dǎo)體處理器廠(chǎng)商韓國(guó)三星公司在其面向手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理器上都全面采用了ARM內(nèi)核，如S3C4510B用于Gateway等。

Intel公司從StrongARM到Xscale處理器家族，都是立足于A(yíng)RM內(nèi)核并增加了多媒體指令特性，并進(jìn)一步降低功耗，提高速度。

Motorola公司在其手持設(shè)備處理器方面從68K內(nèi)核改成了ARM內(nèi)核，從此，手持設(shè)備領(lǐng)域成了ARM內(nèi)核的天下。

CirrusLogic公司的EP7312等手持設(shè)備處理器增加了MP3以及音頻處理的功能。3．PowerPC內(nèi)核

PowerPC內(nèi)核在高速與低功耗之間做了妥協(xié)，并集成了極其豐富的外圍電路接口。PowerPC內(nèi)核被Motorola公司用于嵌入式領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為在通信領(lǐng)域使用最廣泛的處理器內(nèi)核。中興通信、華為等也在其通信產(chǎn)品中大量采用Motorola的PowerPC家族的系列嵌入式處理器。MPC860和MPC8260是其最經(jīng)典的兩款PowerPC內(nèi)核的嵌入式處理器。

4．68K/COLDFIRE內(nèi)核

68K/COLDFIRE核被稱(chēng)為業(yè)界應(yīng)用最廣的嵌入式處理器內(nèi)核，目前還在不停地更新?lián)Q代與發(fā)展。68K內(nèi)核是最早在嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的內(nèi)核，其代表芯片是683600COLDFIRE內(nèi)核繼承了68K的特點(diǎn)并繼續(xù)兼容它。COLDFIRE內(nèi)核被植入DSP模塊、CAN總線(xiàn)模塊以及一般嵌入式處理器所集成的外設(shè)模塊，從而形成了一系列的嵌入式處理器，在工業(yè)控制、機(jī)器人研究、家電控制等領(lǐng)域被廣泛采用。ARM處理器采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用標(biāo)準(zhǔn)的、固定長(zhǎng)度的32位指令格式，所有ARM指令都使用4位的條件編碼來(lái)決定指令是否執(zhí)行，以解決指令執(zhí)行的條件判斷。從ARM7開(kāi)始采用32位地址空間（此前為26位地址）。ARM7采用3級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址）。ARM9采用5級(jí)流水線(xiàn)，采用哈佛體系結(jié)構(gòu)（程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)獨(dú)立編址）。ARM10采用6級(jí)流水線(xiàn)。ARM架構(gòu)自誕生至今，已經(jīng)發(fā)生了很大的演變，至今已定義了7種不同的版本。2.2ARM體系結(jié)構(gòu)概述2．2．1ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

其中：

V4版結(jié)構(gòu)是目前最廣泛應(yīng)用的ARM體系結(jié)構(gòu)，它對(duì)V3版架構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)充，有的還引進(jìn)了16位的Thumb指令集，使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM9和Strong-ARM都采用了該版結(jié)構(gòu)。其指令集中增加的功能包括符號(hào)化和非符號(hào)化半字及符號(hào)化字節(jié)的存/取指令，增加了16位Thumb指令集，完善了軟件中斷（SWI）指令的功能，處理器系統(tǒng)模式引進(jìn)特權(quán)方式時(shí)使用用戶(hù)寄存器操作，把一些未使用的指令空間捕捉為未定義指令。

V5版架構(gòu)在V4版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令。ARM10和XScale都采用該版架構(gòu)。這些新增指令有帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移（BLX）指令、計(jì)數(shù)前導(dǎo)零計(jì)數(shù)（CLZ）指令、中斷（BRK）指令、信號(hào)處理指令（V5TE版）、為協(xié)處理器增加更多可選擇的指令。ARM體系架構(gòu)V6是2001年發(fā)布的，其基本特點(diǎn)包括100%與以前的體系兼容；SIMD媒體擴(kuò)展，使媒體處理速度快1．75倍；改進(jìn)了的內(nèi)存管理，使系統(tǒng)性能提高30%；改進(jìn)了的混合端（Endian）與不對(duì)齊數(shù)據(jù)支持，使得小端系統(tǒng)支持大端數(shù)據(jù)（如TCP/IP）。許多RTOS是小端的，為實(shí)時(shí)系統(tǒng)改進(jìn)了中斷響應(yīng)時(shí)間，將最壞情況下的35周期改進(jìn)到了11個(gè)周期。

ARM體系架構(gòu)V7是2005年發(fā)布的。它使用了能夠帶來(lái)更高性能、功耗低、效率高及代碼密度大的Thumb?-2技術(shù)。它首次采用了強(qiáng)大的信號(hào)處理擴(kuò)展集，對(duì)H．264和MP3等媒體編解碼提供加速。Cortex-A8TM處理器采用的就是V7版的結(jié)構(gòu)。

（1）單周期操作。ARM指令系統(tǒng)中的指令只需要執(zhí)行簡(jiǎn)單的和基本的操作，因此其執(zhí)行過(guò)程在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。（2）采用加載/存儲(chǔ)指令結(jié)構(gòu)。ARM只采用了加載和存儲(chǔ)兩種指令對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀和寫(xiě)的操作，面向運(yùn)算部件的操作都經(jīng)過(guò)加載指令和存儲(chǔ)指令從存儲(chǔ)器取出后預(yù)先存放到寄存器內(nèi)，以加快執(zhí)行速度。（3）固定的32位長(zhǎng)度指令。ARM指令系統(tǒng)的指令格式固定為32位長(zhǎng)度，指令譯碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。（4）3地址指令格式。由于編譯開(kāi)銷(xiāo)大，需要盡可能優(yōu)化，因此采用3地址指令格式，較多寄存器和對(duì)稱(chēng)的指令格式便于生成優(yōu)化代碼。（5）指令流水線(xiàn)技術(shù)。ARM采用多級(jí)流水線(xiàn)技術(shù)，以提高指令執(zhí)行的效率；ARM7采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的3級(jí)指令流水線(xiàn)；ARM9TDMI采用基于哈佛體系結(jié)構(gòu)的5級(jí)指令流水線(xiàn)技術(shù)；ARM10采用6級(jí)指令流水線(xiàn)。2．2．2ARM體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征1．ARM處理器工作狀態(tài)

1）ARM狀態(tài)

ARM狀態(tài)是指ARM工作于32位指令狀態(tài)，即32位狀態(tài)。所有指令均為32位指令。

2）Thumb狀態(tài)

Thumb狀態(tài)是指ARM執(zhí)行16位的Thumb指令的狀態(tài)，即16位狀態(tài)。在有些情況下，如異常處理時(shí)，必須是ARM狀態(tài)下的ARM指令，此時(shí)如果原來(lái)工作于Thumb狀態(tài)，必須將其切換到ARM狀態(tài)，使之執(zhí)行ARM指令。在程序執(zhí)行的過(guò)程中，處理器可隨時(shí)在這兩種工作狀態(tài)間進(jìn)行切換，切換時(shí)并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。

ARM處理器復(fù)位后開(kāi)始執(zhí)行代碼時(shí)總是只處于A(yíng)RM狀態(tài)，如果需要，則可通過(guò)下面的方法切換到Thumb狀態(tài)。2．2．3ARM處理器工作狀態(tài)與工作模式3）ARM與Thumb間的切換（1）由ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。通過(guò)BX指令可將ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)，即當(dāng)操作數(shù)寄存器的最低位為1時(shí)，可執(zhí)行BX指令使微處理器進(jìn)入Thumb狀態(tài)。例如：

MOVR6,0X16000001BXR6

在本例中，操作數(shù)寄存器R6的最低位為1，則執(zhí)行上述兩條指令時(shí)，轉(zhuǎn)移到地址為R6&0XFFFFFFFE=0X16000000處的Thumb指令。如果Thumb狀態(tài)進(jìn)入異常處理，則當(dāng)異常返回時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)將自動(dòng)切換到Thumb狀態(tài)。（2）由Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。通過(guò)BX指令可將Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)，即當(dāng)操作數(shù)寄存器的最低位為0時(shí)，可執(zhí)行BX指令使微處理器進(jìn)入ARM狀態(tài)。當(dāng)處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，則從異常向量地址開(kāi)始執(zhí)行，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入ARM狀態(tài)。2.ARM處理器工作模式2．2．4ARM處理器寄存器組1．ARM狀態(tài)下的寄存器組

從表2．3中可以看出，ARM處理器工作在不同模式，使用的寄存器有所不同，共同點(diǎn)是:無(wú)論何種模式，R15均作為PC使用；CPSR為當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器；R7～R0為公用的通用寄存器。不同之處在于高端7個(gè)通用寄存器和狀態(tài)寄存器在不同模式下不同。

1）通用寄存器通用寄存器有31個(gè)，其中不分組的寄存器有8個(gè)（R0～R7）；在快速中斷模式下，R8～R12標(biāo)有fiq，代表快速模式專(zhuān)用，與其他模式地址重疊，但模式不同，因此寄存器內(nèi)容并不沖突，共2組計(jì)10個(gè)寄存器；R13～R14除了用戶(hù)模式和系統(tǒng)模式分別為堆棧指針（StackPointer，SP）和程序鏈接寄存器（LinkRegister，LR）之外，其他模式下均有自己獨(dú)特的標(biāo)記方式，是專(zhuān)用于特定模式的寄存器，共6組計(jì)12個(gè)；另外還有作為PC的R15，這樣通用寄存器共31個(gè)。所有通用寄存器均為32位結(jié)構(gòu)。2）狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器共6個(gè)，除了共用的CPSR外還有分組的SPSR（5組共5個(gè)）。程序狀態(tài)寄存器的格式如圖2．1所示，其中條件碼標(biāo)志4個(gè)（N，Z，C，V），還有Q標(biāo)志以及8個(gè)控制位（I，F(xiàn)，T，M4～M0）。圖2．1程序狀態(tài)寄存器格式

2．Thumb狀態(tài)下的寄存器組

Thumb狀態(tài)下的寄存器組是ARM狀態(tài)下寄存器組的子集。

在正常程序執(zhí)行過(guò)程中，每執(zhí)行一條ARM指令，PC值加4，每執(zhí)行一條Thumb指令，PC值加2，程序按順序正常執(zhí)行。異常（Exceptions）是指內(nèi)部或外部事件引起的請(qǐng)求使處理器做出相應(yīng)處理的事件。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序人口執(zhí)行異常處理，異常處理完，程序返回。

1．ARM異常種類(lèi)及異常中斷向量在A(yíng)RM體系結(jié)構(gòu)中，異常中斷用來(lái)處理軟中斷、未定義指令陷阱、系統(tǒng)復(fù)位及外部中斷，共有7種不同類(lèi)型的異常中斷及其對(duì)應(yīng)的向量地址，見(jiàn)表2．50

實(shí)現(xiàn)異常向量的定位由32位地址空間低端的正常地址范圍0x00000000～0x0000001C決定，但有些ARM允許高端地址0xFFFF0000～0xFFFF001C來(lái)定位異常向量的地址。2．2．5ARM處理器的異常中斷2．異常中斷的優(yōu)先級(jí)

7種類(lèi)型的異常分成6級(jí)，優(yōu)先級(jí)由高到低依次是:

（1）復(fù)位（RESET）異常；（2）數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)中止（DABT）異常；（3）快速中斷請(qǐng)求（FIQ）異常；（4）外部中斷請(qǐng)求（IRQ）異常；（5）指令預(yù)取中止（FABT）異常；（6）軟件中斷（SWI）異常和未定義的指令（UND）異常最低優(yōu)先級(jí)。復(fù)位異常的優(yōu)先級(jí)最高，因此任何情況下，只要進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)條件地將PC指向0x00000000處，去執(zhí)行系統(tǒng)第一條指令。通常此處放一條無(wú)條件的轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)初始化程序處。

1）解析程序的概念和作用

ARM處理器響應(yīng)中斷的時(shí)候，總是從固定的地址開(kāi)始的，而在高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境下開(kāi)發(fā)中斷服務(wù)程序時(shí)，無(wú)法控制固定地址開(kāi)始跳轉(zhuǎn)流程。為了使得上層應(yīng)用程序與硬件中斷跳轉(zhuǎn)聯(lián)系起來(lái)，需要編寫(xiě)一段中間的服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行連接。這樣的服務(wù)程序常被稱(chēng)作中斷解析程序。常用的中斷跳轉(zhuǎn)流程，如圖2．2所示。圖2．2中斷跳轉(zhuǎn)流程2）解析過(guò)程示例圖2．3中斷解析示例流程3）解析程序的擴(kuò)展圖2．4中斷解析的擴(kuò)展4）向量中斷的處理圖2．5向量中斷解析流程示例4．從異常處理程序中返回復(fù)位異常發(fā)生后，由于系統(tǒng)自動(dòng)從0x00000000開(kāi)始重新執(zhí)行程序，因此復(fù)位異常處理程序執(zhí)行完后無(wú)須返回。其他所有異常處理完后必須返回到原來(lái)程序處向下執(zhí)行，為達(dá)到這一目的，需要執(zhí)行以下操作:（1）恢復(fù)原來(lái)被保護(hù)的用戶(hù)寄存器。（2）將SPSR_mode寄存器值復(fù)制到CPSR中，使得CPSR從相應(yīng)的SPSR中恢復(fù)，以恢復(fù)被中斷的程序工作狀態(tài)。（3）根據(jù)異常類(lèi)型將PC值恢復(fù)成斷點(diǎn)地址，以執(zhí)行用戶(hù)原來(lái)運(yùn)行著的程序。（4）清除CPSR中的中斷禁止標(biāo)志I和F，開(kāi)放外部中斷和快速中斷。

不同模式返回用的指令有所不同，下面簡(jiǎn)要介紹幾種異常程序的返回方法。（1）FIQ（FastInterruptRequest），即快速中斷異常，是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或者通道處理而設(shè)計(jì)的。在A(yíng)RM狀態(tài)下，系統(tǒng)有足夠的寄存器，從而可以保障對(duì)寄存器保存的需求。若將CPSR的F位設(shè)置為1，則會(huì)禁止FIQ中斷，若將CPSR的F位清零，處理器會(huì)在指令執(zhí)行時(shí)檢查FIQ的輸入。注意只有在特權(quán)模式下才能改變F位的狀態(tài)?？捎赏獠客ㄟ^(guò)對(duì)處理器上的nFIQ引腳輸入低電平產(chǎn)生FIQ。不管是在A(yíng)RM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)下進(jìn)入FIQ模式，F(xiàn)IQ處理程序均會(huì)執(zhí)行以下指令從FIQ模式返回:SUBSPC，R14_fiq，#4

該指令將寄存器R14_fiq的值減去4后，復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器（PC）中，從而實(shí)現(xiàn)從異常處理程序中的返回，同時(shí)將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）中。

（2）IRQ（InterruptRequest）異常屬于正常的中斷請(qǐng)求，可通過(guò)對(duì)處理器的nIRQ引腳輸入低電平產(chǎn)生。IRQ的優(yōu)先級(jí)低于FIQ，當(dāng)程序執(zhí)行進(jìn)入FIQ異常時(shí)，IRQ可能被屏蔽。若將CPSR的I位設(shè)置為1，則會(huì)禁止IRQ中斷，若將CPSR的I位清零，處理器會(huì)在指令執(zhí)行完之前檢查IRQ的輸入。注意只有在特權(quán)模式下才能改變I位的狀態(tài)。不管是在A(yíng)RM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)下進(jìn)入IRQ模式，IRQ處理程序均會(huì)執(zhí)行以下指令從IRQ模式返回:SUBSPC，R14_irq，#4

該指令將寄存器R14_irq的值減去4后，復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器（PC）中，從而實(shí)現(xiàn)從異常處理程序中的返回，同時(shí)將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）中。

（3）ABORT（中止）異常意味著對(duì)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)失敗。ARM微處理器在存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)周期內(nèi)檢查是否發(fā)生中止異常。中止異常包括以下兩種類(lèi)型：指令預(yù)取中止，數(shù)據(jù)中止。當(dāng)指令預(yù)取訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器失敗時(shí)，存儲(chǔ)器系統(tǒng)向ARM處理器發(fā)出存儲(chǔ)器中止（Abort）信號(hào)，預(yù)取的指令被記為無(wú)效。只有當(dāng)處理器試圖執(zhí)行無(wú)效指令時(shí)，指令預(yù)取中止異常才會(huì)發(fā)生，如果指令未被執(zhí)行，如在指令流水線(xiàn)中發(fā)生了跳轉(zhuǎn)，則預(yù)取指令中止不會(huì)發(fā)生。若數(shù)據(jù)中止發(fā)生，系統(tǒng)的響應(yīng)與指令的類(lèi)型有關(guān)。當(dāng)確定了中止的原因后，無(wú)論是在A(yíng)RM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)，Abort處理程序均會(huì)執(zhí)行以下指令從中止模式返回:SUBSPC，R14_abt，#4；指令預(yù)取中止SUBSPC，R14_abt，#8；數(shù)據(jù)中止該指令恢復(fù)PC（從R14_abt）和CPSR（從SPSR_abt）的值，并重新執(zhí)行中止的指令。

（4）SWI（SoftwareInterrupt）即軟件中斷，軟件中斷指令用于進(jìn)入管理模式，常用于請(qǐng)求執(zhí)行特定的管理功能。無(wú)論是在A(yíng)RM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)，軟件中斷處理程序執(zhí)行以下指令從SWI模式返回:MOVPC，R14_svc

該指令恢復(fù)PC（從R14_svc）和CPSR（從SPSR_svc）的值，并返回到SWI的下一條指令。（5）當(dāng)ARM處理器遇到不能處理的指令時(shí)，會(huì)產(chǎn)生未定義指令（UndefinedInstruc-tion）異常。采用這種機(jī)制，可以通過(guò)軟件仿真擴(kuò)展ARM或Thumb指令集。無(wú)論是在A(yíng)RM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)，在仿真未定義指令后，處理器執(zhí)行以下程序返回:MOVSPC，R14_und

該指令恢復(fù)PC（從R14_und）和CPSR（從SPSR_und）的值，并返回到未定義指令后的下一條指令。

如一個(gè)32位字0x12345678，存放的起始地址為0x00040000，則大端格式下0x00040000單元存放0x12，0x00040001單元存放0x34，0x00040002單元存放0x56，而0x00040003單元存放0x78。1．ARM存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)的格式

1）大端格式在大端格式中，32位字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中，見(jiàn)表2．6。2．2．6ARM的存儲(chǔ)器格式及數(shù)據(jù)類(lèi)型

如同樣是一個(gè)32位字0x12345678，存放的起始地址為0x00040000，則小端格式下0x00040000單元存放0x78，0x00040001單元存放0x56，0x00040002單元存放0x34，而0x00040003單元存放0x12。2）小端格式在小端格式中，32位字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存放在高地址中，而低字節(jié)存放在低地址中。2．ARM微處理器數(shù)據(jù)類(lèi)型

ARM微處理器中支持字節(jié)（8位）、半字（16位）、字（32位）3種數(shù)據(jù)類(lèi)型，其中字需要4字節(jié)對(duì)齊（地址的低兩位為0）、半字需要2字節(jié)對(duì)齊（地址的最低位為0）。每一種又支持有符號(hào)數(shù)和無(wú)符號(hào)數(shù)，因此認(rèn)為共有6種數(shù)據(jù)類(lèi)型。

ARM微處理器的指令長(zhǎng)度可以是32位（在A(yíng)RM狀態(tài)下），也可以為16位（在Thumb狀態(tài)下）。如果是ARM指令，則必須固定長(zhǎng)度，使用32位指令，且必須以字為邊界對(duì)齊；如果是Thumb指令，則指令長(zhǎng)度為16位，必須以2字節(jié)為對(duì)齊。必須指出的是，除了數(shù)據(jù)傳送指令支持較短的字節(jié)和半字的數(shù)據(jù)類(lèi)型外，在A(yíng)RM內(nèi)部所有的操作都是面向32位操作數(shù)的。當(dāng)從儲(chǔ)存器調(diào)用一個(gè)字節(jié)或半字時(shí)，根據(jù)指令對(duì)數(shù)據(jù)的操作類(lèi)型，將其無(wú)符號(hào)或有符合的符合自動(dòng)擴(kuò)展成32位，進(jìn)而作為32位數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行處理。

所謂流水線(xiàn)電路，就是將一個(gè)電路系統(tǒng)或電路系統(tǒng)的大的數(shù)據(jù)處理電路模塊分成幾個(gè)小的數(shù)據(jù)處理電路模塊，并且沿著數(shù)據(jù)通路引入流水鎖存器，這樣就可以減小有效關(guān)鍵路徑，從而提高系統(tǒng)的時(shí)鐘速度或采樣速度，或者可以在同樣的速度下降低功耗。而電路中的關(guān)鍵路徑，是指數(shù)據(jù)流圖DFG中具有零延時(shí)的所有路徑中，具有最長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)間的路徑。一個(gè)流水線(xiàn)電路系統(tǒng)的速度（或時(shí)鐘周期），由任意兩個(gè)鎖存器間、或一個(gè)輸入與一個(gè)鎖存器間、或一個(gè)鎖存器和一個(gè)輸出間、或輸入與輸出之間路徑中最長(zhǎng)的路徑限定。而這個(gè)最長(zhǎng)的路徑或“關(guān)鍵路徑”可以通過(guò)在電路系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)牟迦肓魉€(xiàn)鎖存器來(lái)減小。2．3ARM流水線(xiàn)技術(shù)2．3．1流水線(xiàn)電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

在一個(gè)M級(jí)流水線(xiàn)系統(tǒng)中，從輸入到輸出的任一路徑上的延時(shí)元件數(shù)目是（M-1），它要大于在原始時(shí)序電路中同一路徑上的延時(shí)元件數(shù)。若要使電路正常工作，相鄰的兩個(gè)寄存器之間路徑的時(shí)延應(yīng)小于寄存器的時(shí)鐘信號(hào)CLK的周期Tclk，亦即流水線(xiàn)鎖存器的時(shí)鐘周期Tclk應(yīng)大于所有功能部件中的最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間。同時(shí)要使流水線(xiàn)電路正常工作，并且系統(tǒng)處理速度盡可能快，流水線(xiàn)數(shù)據(jù)通路上的各個(gè)功能部件的執(zhí)行時(shí)間因盡可能均衡。【例2．1】分別設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)流水線(xiàn)和有流水線(xiàn)的三階有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)電路，并分析各自電路系統(tǒng)的速度（或時(shí)鐘周期）。考慮三階有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器其框圖實(shí)現(xiàn)如圖2.6,流水線(xiàn)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)引入兩個(gè)附加鎖存器而得到的，如圖2.7所示。

圖2.7三階流水線(xiàn)FIR濾波器圖2.6三階FIR濾波器2．3．2微處理器指令流水線(xiàn)處理2．3．3ARM的3級(jí)指令流水線(xiàn)

由于A(yíng)RM7本身的局限性，不可能同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此指令流水線(xiàn)出現(xiàn)間斷現(xiàn)象在多周期操作下不可避免的。這就要求合適的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，ARM9TDMI使用了程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)獨(dú)立編址的哈佛結(jié)構(gòu)，并采用5級(jí)指令流水線(xiàn)，即取指、譯碼、執(zhí)指、緩沖及寫(xiě)回。5級(jí)流水線(xiàn)的操作如圖2．14所示。2．3．4ARM的5級(jí)指令流水線(xiàn)ARM體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)。ARM處理器內(nèi)核當(dāng)前有6個(gè)系列產(chǎn)品，即ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCORE以及ARM11系列。另外還有IntelXscale微體系結(jié)構(gòu)和StrongARM結(jié)構(gòu)。在高性能的32位嵌入式片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，幾乎都是以ARM作為處理器核。ARM核已經(jīng)是現(xiàn)在嵌入式SOC系統(tǒng)芯片的核心，也是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的方向。ARM處理器核作為基本處理單元，根據(jù)發(fā)展需求還集成了與處理器核密切相關(guān)的功能模塊，這些基于微處理器核并集成這些IP核的標(biāo)準(zhǔn)配置的ARM核都具有基本處理器的配置，這些內(nèi)核稱(chēng)為處理器核。ARM核與其它部件組合在一起才能構(gòu)成實(shí)際的芯片。2．4ARM處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)2．4．1ARM處理器內(nèi)核概述圖2．15ARM核的命名規(guī)則及含義ARM7TDMI是ARM7系列成員中應(yīng)用最為廣泛的32位高性能嵌入式RISC處理器內(nèi)核，其指令系統(tǒng)有32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。ARM7TDMI使用3級(jí)指令流水線(xiàn)技術(shù)，對(duì)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)采用單一32位數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送指令和數(shù)據(jù)。只有加載、存儲(chǔ)和交換指令可以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以是8位（字節(jié)），16位（半字）和32位〔字），字必須以4字節(jié)（32位）為邊界對(duì)齊，半字必須以2字節(jié)（16位）為邊界對(duì)齊。ARM7TDM工采用32位尋址空間、32位移位寄存器和32位ALU以及32位存儲(chǔ)器傳送。

1．ARM7TDMI的特點(diǎn)（1）采用ARM體系結(jié)構(gòu)版本4T，支持64位乘法、半字、有符號(hào)字節(jié)存??；（2）支持Thumb指令集，可降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)；（3）采用32×8DSP乘法器；（4）具有32位尋址空間——4GB線(xiàn)性地址空間；（5）包含了嵌入式在線(xiàn)仿真器模塊，以支持嵌入式系統(tǒng)調(diào)試；（6）JTAG控制邏輯被認(rèn)為是處理器核的一部分。2．4．2ARM7TDMI處理器內(nèi)核2．ARM7TDMI處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)及功能圖2．16ARM7TDMI處理器核內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2．17ARM7TDMI內(nèi)核的主處理器邏輯結(jié)構(gòu)ARM主處理器邏輯用于對(duì)調(diào)試硬件的支持，嵌入式宏單元是用于產(chǎn)生調(diào)試異常（如斷點(diǎn)異常等）的寄存器和比較器的集合，嵌入式ICETAP控制器用JTAG串行接口邏輯控制掃描鏈的動(dòng)作，預(yù)定目標(biāo)調(diào)試。

ARM7TDMI內(nèi)核的主處理器邏輯結(jié)構(gòu)如圖2．17所示。主處理器邏輯由地址寄存器、地址增量器、寄存器組、乘法器、桶形移位器、ALU、寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器、指令流水線(xiàn)讀數(shù)據(jù)寄存器/Thumb指令譯碼器以及指令譯碼和控制邏輯、掃描調(diào)試控制部件構(gòu)成。其中地址寄存器連接32條地址線(xiàn)A31~A0，地址鎖存允許信號(hào)（ALE）及地址總線(xiàn)允許信號(hào)（ABE），讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器連接32位數(shù)據(jù)線(xiàn)D31~D0，指令譯碼和控制邏輯連接其它信號(hào)線(xiàn)。圖2．18所示為ARM7TDMI處理器核功能框圖，從中可以看出，ARM7TDMI處理器核分成若干功能模塊，包括時(shí)鐘、中斷、總線(xiàn)控制、調(diào)試、存儲(chǔ)器接口及協(xié)處理器接口等。下面將介紹存儲(chǔ)器接口及調(diào)試接口等。圖2．18ARM7TDMI處理器核功能框圖ARM7TDMI采用馮．諾依曼結(jié)構(gòu)，因此對(duì)存儲(chǔ)器的控制沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)管理單元，存儲(chǔ)器采用簡(jiǎn)單而直接的地址方式來(lái)表示實(shí)際的物理地址，沒(méi)有進(jìn)行段或頁(yè)的轉(zhuǎn)換。

1．總線(xiàn)接口信號(hào)

ARM7TMDI的總線(xiàn)接口信號(hào)包括時(shí)鐘與時(shí)鐘控制信號(hào)、地址類(lèi)信號(hào)、存儲(chǔ)器請(qǐng)求信號(hào)、數(shù)據(jù)時(shí)序信號(hào)4大類(lèi)。

1）時(shí)鐘和時(shí)鐘控制類(lèi)信號(hào)（1）MCLK為主時(shí)鐘輸人信號(hào)。（2）nWAIT