2014-3 嵌入式系统体系结构与开发——指令系统与IO接口
《嵌入式体系结构与接口技术》课程设计大纲
《嵌入式体系结构与接口技术课程设计》教学大纲适用专业：本科计算机科学与技术专业教学周数：1周课程负责教研室：计算机教研室一、大纲说明本大纲根据计算机科学与技术专业人才培养方案制订。
1.课程设计性质《嵌入式体系结构与接口技术课程设计》是计算机科学与技术专业的一门方向限选非实验课。
2.主要先修课程和后续课程(1)先修课程：《C语言程序设计》、《电路与模拟电子技术》、《数字电路》、《嵌入式体系结构与接口技术》等课程。
(2)后续课程：《嵌入式实时操作系统及应用》，《嵌入式Linux应用与开发技术》，《基于WinCE 嵌入式系统开发技术》等。
二、课程设计目的及基本要求1.课程设计目的通过本次课程设计，使学生综合运用所学嵌入式体系结构与接口技术知识，完成一个嵌入式应用系统设计，从而加深对嵌入式系统软硬知识的理解，获得初步的应用经验，为走出校门从事嵌入式应用的相关工作打下基础。
2.课程设计要求(1) 使学生增进对嵌入式系统的感性认识，加深对嵌入式体系结构的理解。
(2) 使学生掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口和串口通讯等。
(3) 进一步深化和巩固所学基础理论、专业知识及实验技能，提高学生的技术应用能力，使学生了解和掌握嵌入式系统的软、硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现嵌入式应用系统打下良好基础。
(4) 学会方案论证的比较方法，拓宽知识，初步掌握工程设计的基本方法。
(5) 掌握常用仪器、仪表的正确使用方法，学会软、硬件的设计和调试方法。
(6) 了解与课题有关的硬件元器件的工程规范，能按课程设计任务书的要求编写课程设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能用计算机绘制电路图和流程图三、课程设计内容及安排嵌入式体系结构与接口技术课程设计主要内容包括：理论设计、调试及写出总结报告等，其中理论设计又包括选择总体方案、硬件系统设计和软件系统设计。
硬件设计包括单元电路、选择元器件及计算参数等；软件设计包括模块化层次结构图、程序流程图等。
嵌入式系统硬件体系结构设计
一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：1。
硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM 、ROM 、Flash 等）、通用设备接口和I/O 接口(A/D 、D/A、I/O 等）.在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块.其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM 中.2. 中间层硬件层与软件层之间为中间层,也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer ，HAL ）或板级支持包(Board Support Package ，BSP ），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关,上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。
该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
软件层功能层3。
系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS)、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4. 功能层功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，而嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
执行装置也称为被控对象,它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。
硬件的设计本网关硬件环境以单片机S3C2440芯片和DM9000以太网控制芯片为主，实现RJ45接口和RS232接口的数据传输。
内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。
硬件框图硬件框图是简单的将每个功能模块列出，也是一个基本的模块组合，可以简洁的每个模块的功能体现出来。
计算机三级考试《嵌入式系统开发技术》复习要点.docx
计算机三级考试《嵌入式系统开发技术》复习要点以下是对文章进行润色改写的结果：1.嵌入式系统的定义⑴定义：嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础的专用计算机系统。
它具有软硬件可裁剪的特点,能够满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求。
22)IP核模块有行为、结构和物理三个不同层面的设计。
根据描述功能行为的方式不同,可以将其分为软核、固核和硬核三类。
2.嵌入式系统的组成(I)硬件层:包括嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口等。
其中,嵌入式核心模块由微处理器、电源电路、时钟电路和存储器CaChe组成。
CaChe位于主存和嵌入式微处理器内核之间,用于存放最近使用的程序代码和数据,以减小存储器访问瓶颈,提高处理速度。
(2)中间层(也称为硬件抽象层HA1.或板级支持包BSP):它将系统上层软件和底层硬件分离开来,使上层软件开发人员无需关注底层硬件的具体情况,只需根据BSP层提供的接口进行开发。
BSP具有硬件相关性和操作系统相关性两个特点。
设计完整的BSP需要完成硬件初始化和设备驱动程序设计两部分工作。
(3)系统软件层：由RTOS,文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
(4)应用软件层：由基于实时系统开发的应用程序组成。
3.实时系统(I)定义：实时系统是能在指定或确定的时间内完成系统功能,并对外部或内部、同步或异步事件做出响应的系统。
(2)区别:通用系统主要追求平均响应时间和用户使用方便,而实时系统主要考虑在最坏情况下的系统行为。
(3)特点：时间约束性、可预测性、可靠性、与外部环境的交互性。
(4)硬实时(强实时):应用的时间需求必须得到完全满足,否则会造成重大安全事故、生命财产损失和生态破坏,如航天、军事系统。
(6)任务的约束包括：时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。
4、实时系统的调度(I)调度：给定一组实时任务和系统资源，确定每个任务何时何地执行的整个过程。
嵌入式系统设计与开发教材
集成加密、解密、身份验证等功能的硬件模块，提供安全存储和 运算环境。
电磁屏蔽与干扰防护
采用电磁屏蔽材料和干扰抑全防护策略
安全启动机制
确保系统启动过程中软件的完整性和真实性，防止恶意代 码注入。
访问控制策略
对系统资源进行访问控制，防止未经授权的访问和操作。
应用程序调试方法
介绍应用程序调试的常用方法， 如断点调试、单步执行、变量监 视等，并分析它们的优缺点和适 用场景。
软件调试和测试方法
软件调试方法
详细阐述软件调试的方法， 包括静态调试和动态调试， 以及常见的调试工具和技巧
。
软件测试方法
介绍软件测试的基本概念、 分类和方法，包括单元测试 、集成测试和系统测试等， 并分析它们在嵌入式软件开
汽车电子领域
如车载导航、自动驾驶辅助系 统、智能座舱等，嵌入式系统 的应用不断推动汽车智能化发 展。
航空航天领域
如飞机导航系统、卫星控制系 统等，嵌入式系统的高可靠性
和高性能得到了广泛应用。
02 嵌入式系统硬件设计
处理器选型及原理
常用嵌入式处理器类型
包括微控制器、数字信号处理器、嵌入式微 处理器等。
远程升级和固件更新机制
远程升级协议
制定安全的远程升级协议，确保固件更新过程的可靠性和完整性 。
固件验证机制
对更新的固件进行验证，确保其来源可靠且未被篡改。
断点续传和回滚机制
支持断点续传和回滚功能，确保固件更新过程的稳定性和容错性。
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特点
嵌入式系统通常具有功耗低、体 积小、实时性强、可靠性高等特 点，且软硬件可裁剪，以适应不 同应用需求。
嵌入式系统简介嵌入式系统的组成嵌入式系统开发流程
嵌入式微处理器分类
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式处理器
嵌入式DSP处理器 (DSP)
嵌入式微处理器 (MPU)
嵌入式片上可编程系统 (SOPC)
嵌入式系统硬件核心
• 嵌入式系统硬件核心是嵌入式处理器。 • 嵌入式处理器可以分为四类：
嵌入式微处理器EMPU （Embedded Microprocessor Unit）
第9章 嵌入式系统概述
• 嵌入式系统简介 • 嵌入式系统的组成 • 嵌入式系统开发流程
9.1 嵌入式系统简介
• 广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬 件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片
机和DSP系统。这些系统在完成较为单一 的专业功能时具有简洁高效的特点。但由 于他们没有操作系统，管理系统硬件和软 件的能力有限，在实现复杂多任务功能时 ，往往困难重重，甚至无法实现 • 从狭义上讲，那些使用嵌入式微处理器构 成独立系统，具有自己操作系统，具有特 定功能，用于特定场合的专用软硬件系统 称为嵌入式系统。
嵌入式系统的几个重要特征
1.系统内核小：
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装 置的，系统资源相对有限，所以内核较之 传统的操作系统要小得多。
2.专用性强：
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系 统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬 件进行系统的移植。
即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据系统硬件的变化和增减不断进行修 改。
• DSP正在大量进入嵌入式市场，目前广 泛应用的是TI产品TMS320C2000 /C5000系列，另外Intel和Siemens也 有相应的产品。
嵌入式片上系统ESoC
• ESoC：在一个硅片上实现一个更为复杂的系 统。
• 各种通用处理器内核将作为SoC设计公司的标 准库，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用 标准的VHDL等语言描述。
嵌入式系统原理及接口技术复习提纲
异常类型
复位 未定义指令
软件中断 SWI 指令预取中止 数据中止 IRQ（外部中断请 求） FIQ（快速中断请 求）
异常
复位
进入模式
管理模式
地址（异 常向量）
优先级
0x0000,0000 1（最高） 0x0000,0004 6（最低）
0x0000,0008 6（最低） 0x0000,000C 0x0000,0010 0x0000,0018 0x0000,001C 5 2 4 3
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未定义指 未定义模式 令
软件中断 中止（预 取指令） 中止（数 据） IRQ FIQ 管理模式 中止模式 中止模式 IRQ FIQ
异常返回： ①LRPC ②SPSR CPSR ③若在进入异常处理时设置了中断禁止 位，要在此清除。
④复位异常处理程序不需要返回
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ARM的存储器结构 1．地址空间: 0～232－1 2．存储器格式
22
ARM微处理器的接口
ARM协处理器接口
ARM可以扩展16个（CP15～CP0）协处理器 其中：CP15作为系统控制，CP14作为调试 控制器，CP7～4作为用户控制器，CP13～8 和CP3～0保留。 每个协处理器可有16个寄存器。
23
ARM处理器的时钟与电源管理
1. 时钟配置
① ② ① ② ③ ④ MPLL：FCLK、HCLK、PCLK UPLL：48M 正常 睡眠 掉电 停机
中断的概念 中断控制器支持56个中断源。32个中断请求 的优先权逻辑由7个仲裁器组成，其中6个为第 一级仲裁器，一个为第二级仲裁器。 中断相关寄存器 中断的初始化、中断的响应过程、中断处理程 序、中断服务程序、中断向量表
嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
嵌入式系统导论课件 Lecture6 嵌入式系统的外围设备和IO接口
8
外围设备
电容式触摸屏特点
对大多数的环境污染物有抵抗力
人体成为回路的一部分，因而漂移现象比较严重
人体戴手套式不起作用 需经常校正
不适用于金属机柜
外界存在电感和磁感的时候，触摸屏失灵
9
外围设备
电阻式触摸屏工作原理
触摸屏拥有两层透明导电 薄膜，膜间保持一定距离， 上层可伸缩 上层膜受外力是压时，上 层膜会触碰下层膜，形成上 下电极导通 利用二维空间的电压计测 量不同位置的电位差，进而 计算(X,Y)值
输入设备
输出设备
扩充设备——储存卡扩展 电源系统
电源管理设备和电池系统
2
外围设备
小型键盘是一种常见的嵌入式系统输入设备 结构：矩阵键盘
16个按键接至4条行输出XO～X3和4条列输入YO～Y3上 节省I/O端口资源
3
外围设备
工作原理
按键按下时某一行与某一列的输入电路之间形成回路
PCMCIA—会员超过300 CF--SanDisk SD--Panasonic MS--Sony
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外围设备
便携式嵌入式系统的电源
智能型电源管理设备
低电压——5V\3.3V 检测系统需要用电的时间，自动根据需求开关电 源
通过电池系统管理总线（System Management Bus） 和系统进行连通 自动监测电池的剩余电量 根据电量提醒用户需要进行的处理
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常见I/O接口类型
Can传输数据时有两种模式
显示模式：总线上没有任何数据传输，连接在 总线上的任何一个节点都可以发送数据 隐性模式：当有益节点传输数据时，总线就处 于隐性模式 数据发送以包的形式发送
计算机三级嵌入式系统开发技术考点总结
嵌入式系统硬件组成概述嵌入式最小硬件系统：嵌入式处理器运行必备条件的硬件电路与嵌入式处理器共同构成了嵌入式最小硬件系统。
嵌入式最小硬件系统组成：嵌入式处理器、时钟电路、电源电路、复位电路、存储器、调试测试接口电源电路：嵌入式系统常用的电源模块式交流变直流（AC-DC）模块、直流到直流（DC-DC）模块以及低压差稳压器（LDO）。
稳压器包括普通稳压器和低压差稳压器LDO。
78XX系列属于普通稳压器，LM2576/2596为开关稳压芯片，CCAT6219/AS2815/1117/2908等属于低压差稳压器。
稳压器最大的特点是低噪声、低成本、纹波小、精度高、电路简单。
时钟电路：几乎所有的嵌入式处理器本质上均为同步时序电路，需要时钟信号才能按照节拍正常工作。
复位电路：嵌入式处理器都有一个系统复位引脚为nRESET或RESET，n表示低电平复位，不带n的表示高电平复位。
JTAG测试接口：联合测试行为小组（JTAG）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试以及对系统进行仿真和调试。
测试访问口：TAP基于ARM内核的电性嵌入式应用系统硬件组成：嵌入式最小硬件系统、前向通道、后向通道、人机交互通道、以及相互互联通信通道等组成。
前向通道，即输入接口，包括传感器、信号调理电路（滤波器、放大器等）、A/D转换器等构成。
后向通道，即输出接口，包括D/A转换器、功率放大器。
执行器等组成。
人机交互通道，包括键盘或触屏输入接口以及LED或LCD 显示输出接口。
相互互联通道，包括RS-232/RS-485串行通信接口、CAN 通信接口、以太网通信接口、USB通信接口等。
嵌入式处理芯片AMBA：先进微控制器总线体系结构系统总线（ASB、AHB、AXI、ACE）主要用于连接高带宽快速组件：电源管理与时钟控制器、测试接口如JTAG、外部存储器控制接口、DMA控制器、USB主机、片上SRAM 及Flash、中断控制器、LCD控制器。
嵌入式系统开发入门
嵌入式系统开发入门嵌入式系统开发是计算机科学与工程领域中的一个重要分支，它主要涉及硬件和软件的结合来设计和开发嵌入式系统。
嵌入式系统是一种专门设计用来执行特定任务的计算机系统，通常被嵌入到其他设备中，如家用电器、医疗设备、汽车等。
本文将介绍嵌入式系统开发的基本概念、工具和技术，帮助读者快速入门。
一、嵌入式系统开发概述嵌入式系统开发需要掌握硬件和软件两方面的知识。
硬件部分包括单片机、传感器、执行器等电子元件；软件部分则涉及实时操作系统、编程语言和算法等。
嵌入式系统的设计和开发过程包括需求分析、硬件设计、软件开发、系统集成和测试等环节。
二、硬件开发工具硬件开发是嵌入式系统开发的基础。
常用的硬件开发工具包括：1. 单片机开发板：单片机开发板是嵌入式系统开发的核心工具，它集成了常用的电子元件和接口，方便开发人员进行硬件连接和调试。
市面上常见的单片机开发板有Arduino、Raspberry Pi等。
2. 传感器与执行器：传感器用于感知环境信息，执行器用于控制外部设备。
根据具体应用需求，选择合适的传感器和执行器进行硬件设计。
3. 电路设计软件：使用电路设计软件如Altium Designer、Eagle等进行电路原理图和PCB布局设计。
三、软件开发工具嵌入式系统的软件开发工具包括：1. 集成开发环境（IDE）：IDE是嵌入式系统软件开发的主要工具，提供代码编辑、编译、调试和固件烧录等功能。
常见的IDE有Keil、IAR Embedded Workbench等。
2. 编程语言：嵌入式系统开发中常用的编程语言包括C、C++和Python。
C语言是嵌入式系统开发的主流语言，因其高效性和低级别控制能力而得到广泛应用。
3. 实时操作系统（RTOS）：RTOS是用于嵌入式系统的实时任务调度和管理的操作系统。
常用的RTOS有FreeRTOS、uC/OS等，它们提供了任务管理、内存管理、驱动程序接口等功能。
四、嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发主要分为以下几个步骤：1. 需求分析：根据具体应用需求，明确系统功能和性能要求，并制定相应的开发计划。
第2章-CM3嵌入式系统体系结构ppt课件
使用于低速设备连接
.
CM3 总线接口
包含5个总线接口： 1、Icode存储器接口(32位AHB,可访程存空间0000 0000-1fff ffffH) 2、Dcode存储器接口(32位AHB,可访程存空间0000 0000-1fff ffffH) 3、系统接口(32位AHB,对系存空间2000 0000-dfff ffffH和e010000-ffff ffffH
.
数据类型
Cortex-M3处理器支持以下数据类型
32位字 16位半字 8位字节
.
存储器格式
小端数据格式(数据高位存入高地址)
31
24 23
16 15
87
0
地址 F的 字节 3
地址 E 的 字节 2
地址 D 的 字节 1
地址 C 的 字 节0
地址C 的字
地址 E 的半字 1
地址 C 的半字 0
. 0：结果为正数或大于
中断状态寄存器(IPSR)
中断状态寄存器（IPSR）包含当前激活的异常 的ISR编号。
IPSR的位分配
31
----
保留
9 8 -- 0 中断号
ISR NUMBER
基础级别 =0
Reset =1
NMI =2
SVCall ＝11
......
.
执行状态寄存器(EPSR)
为什么需要执行状态寄存器EPSR？
程序执行设置2种权限： 用户级和特权级。
特权级可以访问任意资源，用户级对有些资源的访问有限制或不允许访问。
.
操作模式状态转换
1、CM3运行主应用程序时(线程模式)，可使用特权级或用户级 2、处理异常服务例程必须使用特权模式。 3、复位后，CM3默认进入线程模式，特权级访问 4、从特权模式切换到用户级，修改CONTROL寄存器即可 5、用户级切换回特权级，必须执行一条系统调用指令SVC，触发
嵌入式系统原理与开发(第三版)课件：嵌入式系统概述
嵌入式系统概述
2) 前后台系统 前后台(foreground/background)系统属于中断驱动机制。 后台程序是一个无限循环，通过调用函数实现相应操作，又 称任务级。前台程序是中断处理程序，用来处理异步事件， 又称中断级。设计前后台的目的主要是通过中断服务来保证 时间性很强的关键操作(critical operation)。通常情况下，中 断只处理需要快速响应的事件，将输入/输出数据存放在内 存的缓冲区里，再向后台发信号，由后台来处理这些数据， 如运算、存储、显示、打印等。其流程图如图1-4所示。
嵌入式系统概述
1.2.4 嵌入式系统的分类 嵌入式系统可按照嵌入式微处理器的位数、实时性、软
件结构以及应用领域等进行分类。 1．按照嵌入式微处理器的位数分类 按照嵌入式微处理器字长的位数，嵌入式系统可分为4
位、8位、16位、32位和64位。 2．按照实时性分类 实时系统是指系统执行的正确性不仅取决于计算的逻辑
嵌入式系统概述
分析嵌入式计算机系统的产生背景，可以发现它与通用 计算机系统有着完全不同的技术要求和技术发展方向。通用 计算机系统要求的是高速、海量的数值运算，在技术发展方 向上追求总线速度的不断提升、存储容量的不断扩大。而嵌 入式计算机系统要求的是对象体系的智能化控制能力，在技 术发展方向上追求针对特定对象系统的嵌入性、专用性和智 能化。这种技术发展的分歧导致20世纪末计算机进入了通用 计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支并行发展的时期。 这一时期被人们称为后PC时代。
嵌入式系统概述
(4) 软、硬件紧密结合，高效设计。嵌入式微处理器与 通用微处理器的最大区别在于每种嵌入式微处理器大多专用 于某种或几种特定应用，工作在为特定用户群设计的系统中。 它通常具有功耗低、体积小、集成度高等特点。把通用微处 理器中许多由板卡完成的功能集成在芯片内部，有利于嵌入 式系统设计小型化，增强移动能力，增强与网络的耦合度。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。 对于嵌入式软件而言，系统软件和应用软件的界限并不明显， 原因在于嵌入式环境下应用系统的配置差别较大，所需操作 系统的裁剪配置不同，I/O操作没有标准化，驱动程序通常 需要自行设计。
嵌入式系统原理与开发(第三版)课件：嵌入式硬件平台
嵌入式硬件平台
嵌入式硬件平台
嵌入式硬件平台
3.1 引言 3.2 嵌入式硬件平台概述 3.3 总线 3.4 存储设备 3.5 I/O设备 3.6 通信设备 3.7 其他 思考与练习题
嵌入式硬件平台
3.1 引 言
嵌入式系统的硬件除了核心部件——嵌入式处理器外， 还包括存储器系统、外围接口部件以及连接各种设备的总线 系统。其中，存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能部 件，而外围设备则决定了应用于不同领域的嵌入式系统的独 特功能。
嵌入式硬件平台
2．总线读/写 微处理器总线在握手基础上为CPU和系统其他部分建立 通信。基本的总线操作包括读和写。图3-3说明了一个支持 读和写的典型总线结构。
嵌入式硬件平台 图3-3 典型的微处理器总线
嵌入式硬件平台
➢ Clock提供总线组件各部分的同步。 ➢ 当总线读时，R/W‘ 为1；当总线写时，R/W’ 为0。 ➢ Address是一个a位信号束，为访问提供地址。 ➢ Data是一个n位信号束，它可以从CPU得到数据或向 CPU传送数据。 ➢ 当数据线上的值合法时，Data ready' 发信号。
嵌入式硬件平台
总线行为经常用时序图来说明，时序图表示了总线上的 信号如何随时间变化。图3-4所示为某总线的时序图，包括 读和写两部分。由于读不改变设备和存储器的任何状态，因 此总线通常处于读状态。CPU可以忽略数据线直到它要使用 读操作的结果为止。此外，还要注意在双向线路上数据的传 输方向并未在时序图中指定。在读过程中，外设或存储器在 数据线上发送数据；而在写过程中，CPU控制数据线。
嵌入式系统与接口技术 第3章 指令系统
RAM的00H～7FH共128个单元。
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6．堆栈操作指令 内部RAM中设定一个后进先出（LIFO，Last In First
Out）的区域，称为堆栈。在特殊功能寄存器中有一个堆 栈指针SP，指示堆栈的栈顶位置。
第3章 8051指令系统与 编程基础
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第3章 8051指令系统与编程基础
指令系统概述 指令格式 指令系统的寻址方式 8051指令系统分类介绍 8051指令系统汇总 某些指令的说明 8051汇编语言程序设计基础 8051汇编语言程序设计举例
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指令系统概述
简明、易掌握、效率较高的指令系统，复杂指令集。 按所占字节分，分三种： （1）单字节指令49条； （2）双字节指令45条； （3）三字节指令17条。 按执行时间来分，分三种： （1）1个机器周期（12个时钟振荡周期）的指令64条； （2）2个机器周期指令45条； （3）4个机器周期——乘、除指令。
【问】当一条指令给定后，如何来确定该指令的寻址方式？
例: MOV A，#40H，属于立即数寻址还是寄存器寻址？ ✓ 要看以哪个操作数作为参照系。 ✓ 操作数分为源操作数和目的操作数。对于源操作数“#40H” 是“立即数
寻址”方式，但对目的操作数“A”来说属于“寄存器寻址”方式。 ✓ 一般而言，寻址方式指的是源操作数，所以此例为立即数寻址方式。
MOV direct，Rn ； (Rn)→direct，n =0～7
MOV direct1，direct2 ；(direct2)→direct1
MOV direct，@Ri
； ((Ri))→direct，i =0，1
嵌入式系统――体系结构、编程与设计
嵌入式系统――体系结构、编程与设计嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被设计用来完成特定的任务。
它通常集成在其他产品或系统中，比如汽车、家电、医疗设备等等。
嵌入式系统的体系结构、编程和设计是关键的方面，决定了系统的性能和功能。
嵌入式系统的体系结构是指系统的硬件组成和组织方式。
嵌入式系统通常采用定制化的硬件设计，与通用计算机系统有所不同。
它们通常具有较小的体积和较低的功耗要求，并且需要满足特定的实时性和可靠性需求。
嵌入式系统的体系结构包括处理器、存储器、外设等组件的选择和组织方式，以及系统的总线结构、中断处理等。
嵌入式系统的编程是指为系统编写软件的过程。
由于嵌入式系统的硬件和软件紧密耦合，编程需要考虑硬件的特性和限制。
常见的嵌入式系统编程语言包括C、C++、汇编等，开发工具包括编译器、调试器等。
在编程过程中，需要理解并利用系统提供的接口和功能来实现所需的功能。
此外，由于嵌入式系统通常对资源有限，编程需要注意优化代码，减小系统的资源占用。
嵌入式系统的设计是指系统功能和性能的设计。
在设计过程中，需要明确系统的需求和目标，并根据需求选择合适的硬件和软件组件。
设计还需要考虑系统的实时性、可靠性和安全性等方面的要求。
此外，设计还需要考虑系统的可维护性和可扩展性，以便在后续的升级和维护过程中更加方便和高效。
嵌入式系统的体系结构、编程和设计是相互关联的，它们共同决定了系统的性能和功能。
在嵌入式系统开发过程中，需要综合考虑这些方面，以满足系统的需求并提供良好的用户体验。
同时，嵌入式系统的开发也需要团队合作，包括硬件工程师、软件工程师、测试工程师等的协同工作。
总结起来，嵌入式系统的体系结构、编程和设计是嵌入式系统开发过程中的关键方面。
通过合理的体系结构设计、优化的编程和精心的系统设计，可以实现嵌入式系统的高性能和丰富的功能，从而满足用户的需求。
嵌入式系统的发展将继续推动物联网、智能家居、智能交通等领域的发展，为人们的生活带来更多的便利和舒适。
5嵌入式系统的IO模块
DMACLK SYSCLK LCDCLK CLK32
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2.5多路时钟
多路时钟的特点
用于高性能的嵌入式处理器，通常32位及以上
处理器上不同的电路使用不同频率的时钟
时钟具有相关性，主时钟分频/倍频
日历时钟系统与处理器集成
日历时钟32768Hz，倍频得到系统的主时钟。
处理器的日历时钟一直工作，即使系统进入省电状态 的时候。
2. 系统时钟
3. 输入输出模块
4. 译码器系统
5. 定时器/计数器
6. SPI
7. UART
8. 通用并行口
9. 其它
10. 新型I/O设备简介
3
1复位电路
复位电路的形式
1. 阻容复位电路 2. 手动复位 3. watchdog复位 4.
4
1.1阻容复位电路
脉冲到来时，停止计数，并使输出端out进入高电 平。 4. 单一计数。只要门脉冲有效，计数器就进行计数， 计数器计数过程中输出计数信号，计数到“0”时， 输出停止。 5. 循环计数。每当计数到0时，给出输出信号，然后 从初始值寄存器得到计数的初值，继续开始计数。37
5.4例：80186的定时器/计数器
从复位向量处开始运行程序，处理器/控制器的状态不 会回到复位状态，只是从start处开始运行程序。
10
软件复位vs程序重新运行
软件复位
处理器回到初始状态
程序从复位向量处开始 运行
程序重新运行
处理器不回到初始状态 程序从复位向量处开始
运行
MCS51: 0000H
LJMP 0000H
X86: FFFF0H
JMP FFFFH:0H
11
2 时钟系统
史上最详细！嵌入式系统知识和接口技术总结
史上最详细！嵌入式系统知识和接口技术总结1什么是嵌入式IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。
原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。
通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。
事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。
从应用对象上加以定义，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
国内普遍认同的嵌入式系统定义为：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、功耗等严格要求的专用计算机系统。
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成,嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。
执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。
2嵌入式系统的组成一、硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。
在一嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。
第六讲 嵌入式系统的IO模块
第6讲 嵌入式系统的I/O模块
嵌入式系统应用软件的主框架如下：
Main()
{
while(1)
//
{
//to do ：软件代码
…
reset_watchdog(); //
//to do ：软件代码
…
}
}
(1)
（2）
(3) （4）
（1）是嵌入式应用程序的典型代码形式，一个无限循环；
（2）和（4）表示实际执行的代码段，代码段内没有无限或超长循环或长 时间等待等指令，使（3）处的代码reset_watchdog()每隔一定时间就会执行 一次（“喂狗”），其功能是复位看门狗定时器的计数初值，使定时器不溢 出。如果程序出了问题，使（3）处的代码未能执行，则看门狗定时器就会溢 出，溢出脉冲接到处理器的复位信号上，使处理器强制复位，重新开始运行 。
多的寄存器。
第6讲 嵌入式系统的I/O模块
6．3．3 I/O接口寄存器的映射方式
嵌入式处理器操作I/O接口是通过I/O接口的寄存器来实现的，因此这些寄 存器必须有一个地址（I/O地址）。不同处理器有不同的编址方式，一是与存 储器统一编址，二是有独立的I/O地址空间。
（1）统一编址。指I/O地址与内存储器统一编址，位于内存地址空间内，将 存储器空间的一部分用于I/O地址空间，访问寄存器与访问存储器使用相同的 指令。两种方案：
第6讲 嵌入式系统的I/O模块
第6讲 嵌入式系统的I/O模块
6．1 复位电路
复位电路用于完成硬件的初始化，一般有阻容复位电路、专用复位电路、手动复位 电路等。
6．1．1 阻容（RC）复位电路
Vcc
最简单的复位电路。上电瞬间RST/VPD端的电位与Vcc 10μF 相同，随着充电电流的减少，RST/VPD电位逐渐下降， 按 图 中 的 电 路 参 数 ， 时 间 常 数 RC=10×10- 8.2kΩ 6×8.2×103=82ms，只要Vcc的上升时间不超过1ms， 振荡器建立时间不超过10ms，该时间常数标准器件，使用不太灵活，可以使用可编程器件（PAL、 GAL、CPLD等）设计定制的译码器，满足特殊设计的硬件电路的需要。
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N不等于V
带符号数小于
Z清零且（N等于V） 带符号数大于 Z置位或（N不等 于V）
带符号数小于或等于 无条件执行
忽略
2014级 研究生嵌入式系统体系结构与开发
ARM微处理器指令表-1
助记符 ADC ADD AND B BIC BL BLX 带进位加法指令 加法指令 逻辑与指令 跳转指令 位清零指令 带返回的跳转指令 带返回和状态切换的跳转指令 指令功能描述
可以相互调用，只要遵循一定的调用规则
Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为: 存储空间约为ARM代码的60％～70％ 指令数比ARM代码多约30％～40％ 存储器为32位时，ARM代码比Thumb代码快约40％ 存储器为16位时，Thumb比ARM代码快约40～50％ 使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％
用户模式 用户程序不能访问有些受保护的资源 User模式 只能通过异常的形式来改变CPU的当前运行模式
System模式 FIQ模式
特权模式 可以存取 系统中的 任何资源
系统模式与User模式的运行环境一样 但是它可以不受任何限制的访问任何资源 该模式主要用于运行系统中的一些特权任务
IRQ模式 Supervisor模式
ARM指令编码结构——条件域
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ARM指令编码的条件域
当处理器工作在ARM状态时，几乎所有的指令均根据CPSR中条件码的状 态和指令的条件域有条件的执行。当指令的执行条件满足时，指令被 执行，否则指令被忽略。 每一条ARM指令包含4位的条件码，位于指令的最高4位[31:28]。 条件码共有16种，每种条件码可用两个字符表示，这两个字符可以添 加在指令助记符的后面和指令同时使用。例如，跳转指令B可以加上后 缀EQ变为BEQ表示“相等则跳转”，即当CPSR中的Z标志置位时发生跳 转。
未定义模式 Undefined Mode
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ARM微处理器的指令系统
ARM微处理器的指令集是加载/存储型的
指令集仅能处理寄存器中的数据，
处理结果都要放回寄存器中 对系统存储器的访问则需要通过专门的加载/存储指令来完成。
ARM微处理器的指令集可以分为六大类
在第一条指令中，将寄存器R1的内容加上4形成操作数的有效地址，从而取 得操作数存入寄存器R0中。 在第二条指令中，将寄存器R1的内容加上4形成操作数的有效地址，从而取 得操作数存入寄存器R0中，然后，R1的内容自增4个字节。 在第三条指令中，以寄存器R1的内容作为操作数的有效地址，从而取得操作 数存入寄存器R0中，然后，R1的内容自增4个字节。 在第四条指令中，将寄存器R1的内容加上寄存器R2的内容形成操作数的有效 地址，从而取得操作数存入寄存器R0中。
例如以下指令：
ADD R0，R0，＃1
ADD R0，R0，＃0x3f
/*R0←R0＋1*/
/*R0←R0＋0x3f*/
立即操作数
在以上两条指令中，第二个源操作数即为立即数，要求以“＃” 为前缀，对于以十六进制表示的立即数，还要求在“＃”后加上 “0x”。
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ARM指令的寻址方式-寄存器寻址
寄存器寻址
利用寄存器中的数值作为操作数，这种寻址方式是各类微处理器 经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式。以下 指令：
ADD
R0，R1，R2
/*R0←R1＋R2*/
该指令的执行效果是将寄存器R1和R2的内容相加，其结果存放在 寄存器R0中。
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异常模式：主要是在外部中断或者程序 执行非法操作时会触发
Abort模式
Undefined模式
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处理器模式
用户模式。
usr：ARM处理器正常的程序执行状态 特权模式（异常模式） fiq：用于高速数据传输或通道处理 irq：用于通用的中断处理 svc：操作系统使用的保护模式 abt：用于虚拟存储及存储保护 und：当出现未定义指令终止时进入该模式 sys：运行具有特权的操作系统任务
ARM指令的寻址方式-寄存器间接寻址
寄存器间接寻址
以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器 中。例如以下指令：
ADD R0，R1，[R2] LDR STR R0，[R1] R0，[R1]
/*R0←R1＋[R2]*/ /*R0←[R1]*/ /*[R1]←R0*/
第一条指令中，以寄存器R2的值作为操作数的地址，在存储器中 取得一个操作数后与R1相加，结果存入寄存器R0中; 第二条指令将以R1的值为地址的存储器中的数据传送到R0中。 第三条指令将R0的值传送到以R1的值为地址的存储器中。
无符号数大于或等于
含义
无符号数小于 负数 正数或零 溢出 未溢出
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ARM指令编码的条件域
条件编码
条件码 1001 1010 LS GE 后缀 标志 C清零Z置位 N等于V 含义 无符号数小于或等于 带符号数大于或等于
1011
1100 1101 1110
LT
切换到ARM指令
当操作数寄存器的状态位（位0）为0时，执行BX指令时可以使微处理器从 Thumb切换到ARM 在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链接寄存器中，并从异 常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到ARM。
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ARM微处理器运行模式
ARM指令基本语法格式 <Opcode>{<Cond>}{S}<Rd><Rn>{,<Operand2>}
例子 LDR R0，[R1] ;无条件执行 BEQ LOOP ADDS R2，R2,#1 ；等于条件 ；影响状态位，R2<-R2+1
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ARM微处理器运行模式
ARM处理器运行模式图
复位 Reset 管理模式 SuperVisor Mode
初始化程序 中止模式 Abort Mode
读取数据或 指令发生错误 执行未定义 指令
中断/快速中断模式 IRQ/FIQ Mode
发生中断 发生软中断 SWI
用户模式 User Mode
监督模式 Supervisor Mode
T——支持Thumb指令集
M——支持长乘法指令
E——支持增强型DSP指令 J——java加速器 SIMD——ARM媒体功能扩展
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ARM微处理器工作模式与寄存器
ARM微处理器指令集
ARM THUMB
ARM微处理器工作模式
用户模式 特权模式（系统模式与异常模式） 模式切换
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ARM指令编码的条件域
条件编码
条件码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 后缀 EQ NE CS CC MI PL VS VC 标志 Z置位 Z清零 C置位 C清零 N置位 N清零 V置位 V清零 相等 不相等
MVN
数据取反传送指令
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ARM微处理器指令表-4
助记符 ORR RSB RSC 逻辑或指令 逆向减法指令 带借位的逆向减法指令 指令功能描述
SBC
STC STM STR
带借位减法指令
协处理器寄存器写入存储器指令 批量内存字写入指令 寄存器到存储器的数据传输指令
寄存器组织
寄存器定义 模式与寄存器
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ARM与TH切换：
ARM指令集，处理器执行32位的字对齐的ARM指令； Thumb指令集，处理器执行16位的、半字对齐Thumb指令。 THUMB指令是ARM指令的子集
；R4←[R0＋12] 该指令的后缀IA表示在每次执行完加载/存储操作后，R0按字长度增加， 因此，指令可将连续存储单元的值传送到R1～R4。 STMIA R0!,{R1-R4} ；[R0]←R1 ；[R0+4]←R2
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ARM指令的寻址方式-基址变址寻址
基址变址寻址 将基址寄存器的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一 个操作数的有效地址。变址寻址方式常用于访问某基地址附近的地 址单元。采用变址寻址方式的指令常见有以下几种形式，如下所示：
LDR R0，[R1，＃4] LDR R0，[R1，＃4]！ LDR R0，[R1] ，＃4 LDR R0，[R1，R2] ；R0←[R1＋4] ；R0←[R1＋4]、R1←R1＋4 ；R0←[R1]、R1←R1＋4 ；R0←[R1＋R2]
2014级 研究生嵌入式系统体系结构与开发
ARM指令的寻址方式
ARM指令系统支持如下几种常见的寻址方式：
立即寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 基址变址寻址 多寄存器寻址 相对寻址 堆栈寻址
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ARM指令的寻址方式-立即寻址
立即寻址
操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数。 这个操作数被称为立即数。
MCR
ARM寄存器到协处理器寄存器数据传输
2014级 研究生嵌入式系统体系结构与开发
ARM微处理器指令表-3
助记符 MLA MOV MRC MRS MSR MUL MLA 乘加运算指令 数据传送指令 协处理器寄存器到ARM寄存器数据传输 传送CPSR或SPSR的内容到通用寄存器 传送通用寄存器到CPSR或SPSR的指令 32位乘法指令 32位乘加指令 指令功能描述