嵌入式系统原理与接口技术2.

1嵌入式系统原理与接口技术山东大学计算机科学与技术学院贾智平2005-7-272内容简介以目前流行的ARM嵌入式微处理器、嵌入式Linux作为主要内容，从嵌入式系统基本原理、系统设计，到抽象出研究嵌入式系统的技术途径进行了较深入阐述。其内容包括了嵌入式处理器原理、汇编语言、系统设计与软件开发、计算机接口技术与应用等方面的知识，并通过实例讲解嵌入式系统设计过程和原理。3章节安排第1章：嵌入式系统的基础知识第2章：ARM处理器技术第3章：ARM指令集Thumb指令集第4章：ARM汇编程序设计技术第5章：介绍实用的外围接口设计与开发技术第6章：介绍嵌入式系统的设计流程和设计方法第7章：介绍基于S3C44B0X的嵌入式实验开发系统4第1章嵌入式系统概述本章主要内容：嵌入式系统的概念、发展、特点、组成、分类嵌入式微处理器系列嵌入式系统中信息表示与运算基础评估嵌入式系统处理器的主要指标嵌入式系统的应用5嵌入式系统的概念第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。第二种，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。6嵌入式系统的发展史第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统；第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。7嵌入式系统的特点通常是面向特定应用的；空间和各种资源相对不足，必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余；产品升级换代和具体产品同步，具有较长的生命周期；软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身；不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发8嵌入式系统的分类根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4类：单个微处理器。常用的嵌入式处理器如Philips的89LPCxxx系列，Motorola的MC68HC05、08系列等。嵌入式处理器可扩展的系统。过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器。复杂的嵌入式系统。开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。在制造或过程控制中使用的计算机系统。自动仓储系统和自动发货系统9嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微处理器（MPU）嵌入式DSP处理器（DSP）嵌入式片上系统（SystemOnChip）10嵌入式系统的组成Ⅰ1.嵌入式系统的硬件外围电路电源模块时钟微处理器MPUFLASHRAM复位ROM外设USBLCDKeyboardOther11嵌入式系统的组成Ⅱ2.嵌入式系统的软件嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。具有编码体积小，面向应用，可裁剪和移植，实时性强，可靠性高，专用性强等特点。相应的各种应用程序12嵌入式系统的组成Ⅲ3．嵌入式系统的开发工具和开发系统开发工具一般用于开发主机，包括语言编译器、连接定位器、调试器等。注意：嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，开发工具则独立于嵌入式系统产品之外。13计算机中数的表示带符号数与无符号数一般用最高有效位来表示数的符号，正数用0表示，负数用1来表示。原码、补码和反码原码表示的数比较直观。8位二进制原码表示的数的范围是-127~+127，16位二进制原码表示的数的范围是-32767~+32767正数的补码仍与原码相同，一个负数的补码，最高有效位为1，其余几位按原码各位求反，最末位加1正数的反码表示与原码相同，负数的反码表示为该数的原码除符号位外按位取反。14非数值数据编码非数值数据是指不能进行算术运算的数据。一般包括字符、汉字、声音等。字符编码。字符包括大小写英文字母、数字、运算符、标点符号等，最常用的是ASCII码。汉字编码。汉字的内码是计算机内部处理和存储汉字时使用的代码。GB2312－80国家标准信息交换用汉字编码（简称国标码）。语音编码。语音信号是模拟信号，语音的编解码就是将语音的模拟信号转换为二进制数字信号在计算机中处理、传输，到了接收端，再将数字信号还原为模拟语音。15差错控制编码基本思想：在发送端被传送的信息码序列的基础上，加入若干“监督码元”后进行传输，这些码元与原来的信息码序列之间存在着某种确定的约束关系。在接收数据时，检验信息码元与监督码元之间的既定的约束关系。几种常用的差错控制编码：奇偶校验码海明码循环冗余校验码16评估嵌入式系统处理器的主要指标要先明确预期最终应用程序在待选平台上的运行情况和测试目的，然后再挑选符合要求的特定测试向量。MIPS测试基准。测试方法是计算在单位时间内各类指令的平均执行条数，单位：MIPS。Dhrystone。测试基准是一个简单的C语言程序。EEMBC验证实验室研究指出，Dhrystone不适于作为嵌入式系统的测试向量。虽然它是市面上最普遍适用的测试向量，但它有许多漏洞。EEMBC。基于每秒钟算法执行的次数和编译代码大小的统计结果。一次详尽的分析需要仔细衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、开发工具支持以及价格17嵌入式系统的应用嵌入式移动数据库；嵌入式系统在智能家居网络中的应用；嵌入式语音芯片；基于小范围无线通信协议的嵌入式产品；其它工控和仿真领域。18第2章ARM微处理器硬件结构本章主要内容：计算机体系结构分类ARM版本及系列ARM处理器结构存储系统机制19计算机体系结构Ⅰ1.冯·诺依曼结构存储器CPUPC数据地址20计算机体系结构Ⅱ2.哈佛体系结构数据存储器CPUPC数据地址程序存储器地址数据21ARM简介ARM（AdvancedRISCMachines）系列微处理器，采用的ARM技术知识产权（IP）核都是由ARM公司提供的。ARM公司本身不生产芯片，转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。ARM32位体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。从版本1到版本6，ARM体系的指令集功能不断扩大。22ARM处理器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Inter的XscaleInter的StrongARM23ARM处理器结构从一下四个方面介绍：ARM和Thumb状态RISC技术流水线技术超标量执行24ARM和Thumb状态V4版以后有：32位ARM指令集16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处理器有两种工作状态：ARM状态Thumb状态。25ARM与Thumb状态转换在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为1时，执行BX指令。进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为0时，执行BX指令。26RISC技术ⅠRISC体系结构基本特点：大多数指令只需要执行简单和基本的功能，其执行过程在一个机器周期内完成。只保留加载/存储指令。操作数由加载/存储指令从存储器取出放寄存器内操作。芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而采用硬布线逻辑。减少指令数和寻址方式。指令格式固定，指令译码简化。优化编译。27RISC技术ⅡARM体系结构还采用了一些特别的技术：所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，提高了指令的执行效率。可用Load/Store指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。28流水线技术Ⅰ1．ARM的3级流水线fetchdecodeexcutefetchdecodeexcutefetchdecodeexcute123指令时间29流水线技术Ⅱ多周期ARM指令的3级流水线操作fetchADDdecodeexcute123指令时间fetchSTRdecodecalc:addrdataxferfetchADDdecodeexcutefetchADDdecodeexcutefetchADDdecodeexcute4530流水线技术Ⅲ2．ARM的流水线设计问题（1）缩短程序执行时间:提高时钟频率fclk减少每条指令的平均时钟周期数CPI（2）解决流水线相关:结构相关数据相关控制相关31流水线技术Ⅳ3．ARM的5级流水线ARM9和StrongARM架构都采用了5级流水线.增加了I-Cache和D-Cache，把存储器的取指与数据存取分开；增加了数据写回的专门通路和寄存器；把指令的执行过程分割为5部分:取指-指令译码-执行-数据缓存-写回32超标量执行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，来达到提高处理速度的目的。所有ARM内核，包括流行的ARM7、ARM9和ARM11等，都是单周期指令机。ARM公司下一代处理器将是每周期能处理多重指令的超标量机。但是，超标量处理器在执行的过程中必须动态地检查指令相关性如果代码中有分支指令。33存储器部件的分类按在系统中的地位分类：“主存储器”(MainMemory,简称内存或主存)“辅助存储器”(AuxiliaryMemory,SecondaryMemory,简称辅存或外存)按存储介质分类：磁存储器(MagneticMemory)，半导体集成电路存储器(通常称为半导体存储器)，光存储器(OpticalMemory)，激光光盘存储器(LaserOpticalDisk)按信息存取方式分类：随机存取存储器RAM只读存储器ROM34存储器的组织和结构嵌入式存储器一般采用存储密度较大的存储器芯片，典型的嵌入式存储器系统由ROM、RAM、EPROM等组成。RAM空间ROM空间EEPROM空间35存储器的性能大容量、高速度、低价格是评价存储器性能的三个主要指标，也是存储体系设计的主要目标。容量：Sw＝Wlm。其中W为存储体的字长(单位为位或字节)，l为单个存储体的字数，m为并行工作的存储体个数。速度：m个存储体并行工作时，可达到的最大频率宽度为Bm＝Wm／TM。其中TM是连续起动一个存储器所必要的时间间隔，TM＞TA。Bm是连续提供数据的速率。价格：具有SM位的存储器，每位价格表示为c=C／Sm。其中C是总价格。36存储体系的组成单体单字存储器单体多字存储器多体单字交叉存取存储器多体多字交叉存取存储器一般把这些能并行读出多个CPU字的单体多字和多体单字及多体多字的交叉存取系统，统称为并行主存系统。37存储体系的形式CPU主存辅存辅助软硬件CPU主存辅存Cache辅助软硬件辅助硬件(a)两级存储器层次结构(b)三级存储器层次结构38总线结构Ⅰ1.总线协议:四周期握手协议1234时间设备1设备239总线结构Ⅱ2.总线读写CPU设备1设备2存储器ClockR/W’AddressDataready’Data40总线结构Ⅲ3．总线的时序图读过程写过程ClockR/W’启用AddressAddressDatareadyData41总线结构Ⅳ4．直接内存访问（DMA）CPU存储器DMA控制器设备总线请求总线授权ClockR/W’AddressDataDataready’42总线结构Ⅴ5．系统总线配置多总线系统CPU高速设备存储器低速设备总线桥低速设备高速总线低速总线43ARM存储数据类型ARM处理器支持以下六种数据类型：8位有符号和无符号字节。16位有符号和无符号半字，以2字节的边界对齐。32位有符号和无符号字，以4字节的边界对齐。44ARM存储格式字节单