嵌入式系统开发技术——学习笔记1

北京师范大学珠海分校工程技术学院1/22嵌入式系统开发技术——学习总结1.嵌入式系统概论1.1.嵌入式系统特点、分类、发展、应用和逻辑组成1.1.1.嵌入式系统特点从技术角度，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等多种约束的专用计算机系统。嵌入式系统的软件固化一般在只读存储器（ROM）中，用户通常不能随意变更其中的程序功能。嵌入式系统特点：括号内的为组记特点的特性。专用性（具体应用）隐蔽性资源受限高可靠性（控制应用）实时性（过程控制、数据收集）软件固化1.1.2.嵌入式系统的逻辑组成嵌入式系统由硬件和软件组成。硬件的主体是中央处理器和存储器。它们通过输入输出接口和输入输出设备与外部世界联系，并借助总线相互连接，连同嵌入式软件构成完整的嵌入式系统。中央处理器中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）分为运算器、控制器和存储器。处理器能按照指令的要求高速完成二进制数据的算术和逻辑运算的部件称为处理器。CPU的字长有4位、8位、16位、32位和64位之分。现在嵌入式系统使用最多的还是8位和16位，但是32位CPU是技术发展的主流。CPU的4个特点：支持实时处理、低功耗、结构可扩展、集成了测试电路。存储器存储器的任务就是存储数据和程序。如下图所示I/O设备与I/O接口略北京师范大学珠海分校工程技术学院2/22数据总线略软件略1.1.3.嵌入式处理芯片嵌入式处理芯片分为微处理器、数字信号处理器（DSP）、微控制器（单片机）（MCU）和片上系统（SoC）。1.1.4.嵌入式系统的分类按照嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类，则分为低端系统、中端系统和高端系统。主要区别如下表格类型硬件特征应用举例低端系统采用4位或8位单片机在工控领域和白色家电领域占主导地位中端系统采用8位/16位/32位单片机主要用于普通手机、摄像机、录像机、电子游戏机等。高端系统采用32位/64位单片机且支持连接网络主要用于智能手机、调制解调器、掌上计算机、路由器、数码相机等。其他的分类如下：用途：军用、工业用、民用实时性：非实时系统、软实时系统、硬实时系统产品形态：系统级产品、板级产品、片级产品1.1.5.嵌入式系统的发展嵌入式系统是从20世纪70年代微处理器出现后发展起来的。嵌入式经历的阶段：1)20世纪70年代，主要以4位到8位单片机为心的可编程控制系统。2)20世纪80年代中期，主要以8位到16位处理器为基础配置简单的操作系统。3)20世纪90年代中期，主要以32位精简指令集计算机处理器和嵌入式操作系统为标志。连通性和多媒体化将是嵌入式系统技术上的两个主要发展趋势。1.2.嵌入式处理芯片主要类型、SoC开发流程和IP核的意义1.2.1.SoC芯片开发流程总体设计逻辑设计综合与仿真芯片制造1.2.2.IP核及其应用按照IC设计文件的类型，IP核通常分为3种，即软核、固核、硬核。核库中的设计文件均属于知识产权IP保护的范畴，所以称为“知识产权核”或“IP核”。IP核的复用可以减少研发成本，缩短研发时间，是实现SoC的快速设计，尽早投放市场的有效途径。北京师范大学珠海分校工程技术学院3/221.3.中西文的编码、数字文本的类型、数字/视频文件格式1.3.1.数字文本西文字符及其编码：ASCII字符集和ASCII编码，基本的ASCII字符集共128个字符，包括96个可打印字符和32个控制字符。每个字符使用7个二进位制进行编码。汉字编码：国标编码标准有GB2312和GB18030。每个汉字用2个字节表示。GB2312只有6763个汉字，经常不够用。GB18030字符集与UCS/Unicode字符集基本兼容。UCS/Unicode编码：最常用有两种编码方案：UTF-8和UTF-16，分别采用单字节可变长和双字节可变长编码。1.3.2.数字图像图像获取过程的核心是模拟信号的数字化，处理步骤为扫描分色取样量化一幅图像的数据量计算公式（以字节为单位）：图像数据量=图像大小x像素深度/81.3.3.数字音频/视频数字音频/视频信息的数字化步骤为取样、量化和编码。国际标准MPEG格式为视频压缩格式。1.4.数字通信、有线和无线通信的传输与交换技术1.4.1.数字通信通信的基础任务是传递信息，至少由3个要素组成：信息的发送者（信源）信息的接受者（信宿）携带信息的光/信号以及信息的传输通道1.5.计算机网络类型按照网络所覆盖的地域范围把计算机网络分为：局域网、城域网和广域网。1.5.1.以太局域网以太局域网是目前最流行的局域网技术。最简单的以太网结构以集线器或者以太网交换机为中心构成。局域网中每一台终端设备都有各自的标识，为该设备的物理地址或者MAC地址。局域网采用分组交换技术。发送的数据以“帧”为单位，而且一次只能传输一帧。1.5.2.无线局域网无线局域网采用的协议主要是IEEE802.11（俗称wifi）。1.5.3.TCP/IP协议北京师范大学珠海分校工程技术学院4/22Internet有许多不同结构的局域网和广域网连接在一起，它们能相互通信并协调的进行工作的基础是因为都采用了TCP/IP协议。1.5.4.互联网所有入网主机的域名即由一系列的子域组成，子域的个数不超过5个，相互之间用“.”分割，从左到右级别逐级升高，其格式一般为“计算机.网络名.机构名.最高域名”。例如：表示：中国（cn）教育科研网（edu）中的南京大学校园网（nju）内的一台服务器（）。1.6.术语收集熟悉嵌入式基础名词术语，有助于加强对嵌入式的理解和学习。IEE：电气工程师协会（InstitutionofElectricalEngineers，IEE）DSP：数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）MCU：微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）EDA：电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation，EDA）ADC：模数转换器（Analog-to-Digital，ADC）DAC：数模转换器（Digital-to-Analog，DAC）SoC：芯片级系统（SystemonChip）SIP：系统级封装（SystemInaPackage，SIP）ES：嵌入式系统（EmbeddedSystem，ES）ROM：只读存储器RAM：随机存储器EEPROM：电可擦除可编程只读存储器FlashROM：闪存（闪速存储器）VGA：视频图形阵列接口DVI：数字视频接口HDMI：高清晰度多媒体接口北京师范大学珠海分校工程技术学院5/222.嵌入式处理器嵌入式系统的硬件核心是嵌入式处理器。2.1.嵌入式处理器的结构特点及分类、工作状态和工作模式2.1.1.嵌入式处理器主要内核系列按指令集分为：复杂指令集结构（CISC）和精简指令集结构（RISC）。按存储机制分为：冯诺依曼结构和哈佛结构。按字长分为：8位、16位、32位和64位。冯诺依曼结构和哈佛结构之间的区别两者连接CPU（运算器和控制器）和存储器的方式不同。2.1.2.ARM处理器的主要特点ARM与其他处理器内核相比，主要特点耗电省功能强成本低16为Thumb与32位ARM和Thumb-2双指令集具ARM结构的主要特点：采用RISC结构16/32位指令集多处理器状态模式采用先进的片内AMBA总线技术低功耗设计技术技术特征：单周期操作采用加载/存储指令访问内存固定的32位长指令三地址指令格式指令流水线技术2.1.3.ARM工作状态ARM结构体系中，处理器存在3中工作状态：ARM状态：ARM处理器工作于32位指令的状态，即所有的指令均为32位宽度Thumb状态及Thumb-2状态：Thumb是ARM执行16位指令状态；Thumb-2内核兼有16位及32位指令长度调试状态：处理器停机进入调试状态详细说明：在Thumb模式下，指令代码只有16位，使代码密度变大，占用内存空间减小，提供比32位程序代码更佳的效能。Thumb-2内核兼有16位及32位指令长度，实现了性能更高，功耗更小及占用内存更少的目标。工作状态之间的转换ARM处理器复位后开始执行代码时总是只处于ARM状态，如果需要，可通过下面的方法切换到Thumb状态或Thumb-2状态ARM状态切换到Thumb指令状态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为1即可。如果R0[0]=1，则执行BXR0指令将进入Thumb状态北京师范大学珠海分校工程技术学院6/22Thumb状态切换到ARM状态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为0即可。如果R0[0]=0，则执行BXR0指令将进入ARM状态。2.1.4.ARM处理器工作模式ARM处理器工作模式工作模式功能说明可访问的寄存器CPSR[M4:M0]用户模User程序正常执行工作模式PC,R14-R0,CPSR10000快速中断模式FIQ处理高速中断，用于高速数据传输或通道处理PC,R14_fiq-R8_fiq,R7-R0,CPSR,SPSR_fiq10001外部中断模式IRQ用于普通中断处理PC,R14_irq-R13_irq,R12-R0,CPSR,SPSR_irq10010管理模式SVC操作系统的保护模式，处理软中断SWIPC,R14_svc-R13_svc,R12-R0,CPSR,SPSR_svc10011中止模式ABT处理存储器故障，实现虚拟存储器和存储器保护PC,R14_abt-R13_abt,R12-R0,CPSR,SPSR_abt10111未定义指令模式UND处理为定义的指令陷阱，用于支持硬件协处理器仿真PC,R14_und-R13_und,R12-R0,CPSR,SPSR_und11011系统模式SYS运行特权及的操作系统任务PC,R14-R0,CPSR111112.2.ARM处理器的寄存器结构、异常处理、数据类型、存储格式、MMU和MPU2.2.1.ARM处理器的寄存器组织ARM处理器共有37种寄存器，包括31个通用寄存器（含PC）和6个状态寄存器。无论何种模式，R15均为PC使用CPSR为当前程序状态寄存器R7-R0为公用的通用寄存器所有通用寄存器均为32位结构程序状态寄存器格式NZCVQ状态保留IFTM4M3M2M1M0313029282726…….876543210条件码控制位模式选择位条件码标志含义如下：N为符号标志位，N=1为负数，N=0为正数Z为全0标志位，运算结果为0，则Z=1，否则Z=0C为进借位标志，有进/借位时C=1，否则C=0V为溢出标志，加减法运算结果溢出时V=1，否则V=0Q为增强的DSP运算指令溢出标志，溢出时Q=1，否则Q=0北京师范大学珠海分校工程技术学院7/22控制位含义如下：I为中断禁止控制位，I=1禁止IRQ中断，I=0，允许中断F为禁止快速中断FIQ的控制位，F=1禁止FIQ中断，F=0允许中断T为ARM和Thumb指令切换，T=1时执行Thumb指令，否则执行ARM指令M4-M0为模式选择位，决定ARM处于何种工作模式CPSR状态寄存器域分类标志域F（31：24）状态域S（23：16）扩展域X（15：8）控制域C（7：0）2.2.2.ARM处理器异常异常类型、优先级及向量地址异常类型优先级工作模式异常向量地址复位RESET1管理模式0x00000000未定义的指令UND6未定义指令中止模式0x00000004软件中断SWI6管理模式0x00000008指令预取中止PABT5中止模式0x0000000C数据访问中止DABT2中止模式0x00000010外部中断请求IRQ4外部中断模式0x00000018快速中断请求FIQ3快速中断模式0x0000001C每种异常模式对应两个寄存器SP（R13）和LP（R14），分别存放堆栈指针和断电地址。2.2.3.ARM存