嵌入式系统复习参考

第一章嵌入式系统指令系统从产生、发展到现在形成了五种风格，分别是复杂指令集(CISC)、精简指令集(RISC)、超长指令字(VLIW)、数据信号处理指令集(DSP)和专用指令集(ASIP)。

这五种风格各有特点，不能笼统地说哪种好哪种坏，它们适合于不同的应用领域。

RISC有如下的特点：指令条数和寻址方式少。

单一机器周期操作。

在RISC机器中，绝大多数指令的执行只需要一个机器周期。

取指令操作限制。

简单固定的指令结构。

指令流水线。

RISC具有高速度、搞可靠、低成本的特点。

书73页CISC概念的实质是将处理器的设计复杂化，从而将程序简化，继而使其所需存储器容量降至最低。

而RISC的构思刚好与CISC相反，由于指令简单，它允许处理器在同一机器周期内执行一条以上指令，所以较CISC的复杂指令执行得更快。

一般来说，执行同样的功能，一个RISC程序比一个CISC程序长30%。

这使得RISC 处理器对编译器要求较高，优化编译器的设计师一项非常复杂且技术要求很高的工作，所以CISC的拥护者指出，虽然RISC简化了硬件设计，但是大大加重了软件的负担。

由于RISC架构中的多数指令是寄存器到寄存器的操作，因而减少了对内存的访问，加快了运行速度，但这同时也要求在处理器内部必须有足够多的通用寄存器来保存计算机中产生的中间结果。

通常RISC处理器中至少采用32个通用寄存器，这么多的通用寄存器不就占据了芯片空间，而且使寻址时间增多。

而CISC处理器在同等性能的情况下不需要这么多通用寄存器。

RISC技术不断发展和完善产生了许多优秀的产品例如，ARM RISC CORE和MIPS RISC CORE都是非常受欢迎的RISC架构的嵌入式微处理器。

DSP单独作为一种指令集风格来介绍，是因为DSP面向特殊的应用，采用了独特的体系结构，因此相应地其指令集与其它类型嵌入式微处理器相比也有显著的特点。

为了更清楚地介绍DSP的指令集，首先介绍一下DSP体系结构上的特点。

数字信号处理与早期的模拟信号处理相比有着巨大的优势。

早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等。

其中有一个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数；而且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。

而数字信号处理可通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。

只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路可以不受影响地完成工作，因此具有很好的稳定性。

⏹DSP芯片采用改进的哈佛结构。

TI公司的DSP芯片结构是基本哈佛结构的改进类型。

改进之处是，在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。

第二，DSP指令系统是流水线操作。

在流水线操作中，DSP处理器可同时处理2~4条指令，每条指令处于其执行过程中的不同状态。

第三，采用专用的硬件乘法器。

在一般的计算机上，算术逻辑单元只能完成两个操作数的加、减及逻辑运算。

而乘法则由加法和移位来实现。

DSP都有硬件乘法器，使乘法运算可在一个指令周期内完成。

在TMS320C6000系列中则有两个硬件乘法器。

第四，特殊的DSP指令。

DSP芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。

第五，良好的多机并行运行特性。

TMS320C4X系列还提供了专门用于多个DSP 并行运行的硬件通信接口。

第六，其中涉及的电压很低。

芯片的集成度在数十到数百万门量级。

为提高运行速度而采用多种并行的体系结构。

1.什么是嵌入式系统（嵌入式系统是计算机软件与计算机硬件集成在一起，并嵌入到应用对象内部的计算机系统）▪嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

▪它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

2.嵌入式系统分类（按技术复杂度分类：无操作系统控制的嵌入式系统NOSES；小型操作系统控制的嵌入式系统SOSES；大型操作系统控制的嵌入式系统LOSES。

按用途分类：军用，工业用，民用。

）系统级，板级，片级❑芯片级嵌入含程序或算法的处理器❑模块级嵌入系统中的某个核心模块板❑系统级嵌入主计算机系统3.嵌入式操作系统分类（按照源代码分类：商用型和开源型；按照实施性能分类：强实时性型和普通实时型；按内核结构分类：单内核型和为内核型。

）▪按用途分类：军用/民用▪按载体分类：宇航/车载• • •▪按通信性质分类：无线/有线▪按网络性质分类：联网/单机▪按环境分类：普通/恶劣▪按功耗分类：低功耗/普通功耗▪主要分类方法按硬件软件性质⏹根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类：⏹无操作系统控制的嵌入式系统⏹NOSES，Non-OS control Embedded System；⏹小型操作系统控制的嵌入式系统⏹SOSES，Small OS control Embedded System；⏹大型操作系统控制的嵌入式系统⏹LOSES，Large OS control Embedded System。

4.嵌入式处理器特点,常见缩写特点：1.对实施多任务有较强的支持能力，能完成多任务处理，并且中断响应速度快2.处理器结构可扩展3.内部集成了测试电路4.低功耗常见缩写：⏹通用型嵌入式微处理器（简称：EMPU，或者MPU）⏹微控制器（MCU）⏹数字信号处理器（DSP）(嵌入式DSP处理器：EDSP）⏹混合处理器和片上系统（SOC）⏹嵌入式双核处理器，双核（dual core）；多核处理器，多核DSP。

参考习题P14 1,31-1.什么是嵌入式系统？举例说明嵌入式系统和嵌入式产品的区别。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

我们日常所见的PDA、手机、机顶盒、数码相机、媒体播放器、微波炉等都属于嵌入式产品，是某一包含嵌入式系统的专用设备。

1-3.说明嵌入式系统和PC系统的主要差异体现在哪些方面。

嵌入式的处理器指令系统是双密度的；PC系统可以随便安装到任何符合硬件要求的电脑上，比如DOS系统和windows系统等；嵌入式系统是固化在特定的设备里面的，不可以随意安装或卸载，需要使用专业的工具把系统代码写入到存储芯片上，比如，MP3 、手机里面的系统。

第三章嵌入式微处理器技术基础1.嵌入式处理器中的I/O编址方式⏹I/O地址空间有两种编址方式。

⏹独立编址：存储器地址空间和I/O端口地址空间分别编址。

⏹X 86处理器系列⏹统一编址：将I/O地址空间与主存地址空间合在一起编址，处理器不存在独立的I/O地址空间。

⏹8051系列和ARM系列处理器按照存储单元寻址的寄存器命名为特殊功能寄存器（SFR）2.嵌入式处理器体系结构与PC体系结构差异（1）计算机存储器分为两个部分，一部分存放指令，另一部分存放数据，它们各自拥有自己的地址空间和访问指令，可以分别独立访问，那么这种计算机结构称为哈佛体系结构，称为哈佛结构。

（2）冯·诺依曼体系结构（普林斯顿结构）：只有一个主存储器（内存储器），主存储器里存放的内容可以是数据也可是是指令。

冯·诺依曼体系结构中的数据总线在哈佛结构中被分为指令总线和数据总线，从而使哈佛结构处理器的数据吞吐率比冯·诺依曼结构处理器提高了大约一倍，因此哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。

3.桶型移位器功能定义：在一个时钟周期内能够进行字宽限度之内任意位数移位或循环移位操作的硬件移位器，这种移位器称为桶型移位器。

⏹通常的移位器都是一个时钟脉冲左移或者右移1位。

⏹桶型移位器采用了开关矩阵电路，可以做到用1个时钟脉冲移位任意位。

⏹预先处理，使ARM处理器省去了通用计算机指令中的各移位指令。

4.正交指令集的概念（正交指令集是用来描述特定处理器指令系统的操作码或者地址码的长度特征，以及操作码与各地址码的取值关联度特征。

）5.双密度指令集的意义和特点（意义：指令密度是衡量一个指令系统的设计是否精巧，是否合理的重要标志。

特点：1.程序员事实上做到了可以使用所有ARM指令的对等指令2.12个全新的指令改善了性能和代码尺寸3.Thumb—2指令集执行C代码的运行速度达到了ARM指令集的98%4.Thumb-2指令集的尺寸比Thumb-1指令集减小5%，但是速度提高了2~3%5.就芯片的占位面积而言，Thumb-2指令集仅仅是等效的ARM指令集的74%）6.看门狗及其功能（WDG）⏹看门狗是一个用来引导嵌入式微处理器脱离死锁工作状态的部件，也是嵌入式处理器中的一个特色硬件部分。

⏹看门狗是一个专用计数器，能够在一个指定的间隔时间后复位微控制器或者微处理器。

7.嵌入式系统调试技术⏹指令集模拟器（ISS）⏹ROM仿真器⏹实时在线仿真（ICE）⏹片上调试技术（OCD）与背景调试模式（BDM）⏹基于Angle的调试方案⏹边界扫描测试技术和JTAG接口⏹跟踪接口ETM⏹Nexus调试标准⏹半主机调试方式参考习题⏹与通用处理器相比嵌入式处理器的技术有哪些？1.对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

2.具有功能很强的存储器保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

3.可拓展的处理器结构，以能最迅速地开展除满足应用的高性能的嵌入式微处理器。

4.嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mw甚至是uw级以上是嵌入式处理器的特点，它与通用处理器的最大不同是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有耗能低，体积小，集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。

⏹简单说明RISC处理器与CISC处理器的主要区别有哪些？(1)CISC指令系统丰富而RISC指令系统精简(2)CISC指令长度不一而RISC指令长度相同(3)CISC指令可以直接对存储器操作而RISC不能(4)RISC可以提供直接支持高级语言的能力而CISC不能⏹简要说明看门狗电路的作用和原理作用：看门狗定时器是一个用来引导嵌入式微处理器脱离死锁工作状态的部件。

能够在一个指定的间隔时间后复位微控制器或者微处理器。

原理：系统启动后，初始化程序想看门狗的计数寄存器写入计数初值，此后每经过一个预订的时间间隔看门狗执行一次技术（减1或加1）。