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第一讲第一讲 嵌入式系统介绍嵌入式系统介绍 电信学院电信学院 崔寅鸣崔寅鸣 Email: Email: 本讲主要内容本讲主要内容 n n 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 实验室介绍与课程说明实验室介绍与课程说明 嵌入式系统概要介绍嵌入式系统概要介绍 n n EELiod270EELiod270开发系统介绍开发系统介绍 ModuleModule板、板、EDREDR板板 Banyan-UEBanyan-UE仿真器仿真器 n n ARMARM处理器简介处理器简介 体系结构、编程模型、体系结构、编程模型、ARMARM指令系统指令系统 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 应用于航空航天军事应用于航空航天军事 应用于消费电子产品应用于消费电子产品 嵌入式嵌入式InternetInternet应用应用 嵌入式系统的定义（一）嵌入式系统的定义（一） IEEEIEEE对嵌入式系统的定义：对嵌入式系统的定义： Embedded system is a kind of device used Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant.of equipment, machinery or plant. “ “控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行 的装置的装置” ” 嵌入式系统的定义（二）嵌入式系统的定义（二） 一般的定义：一般的定义： 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技 术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能 满足应用系统对功能、可靠性、实时性、满足应用系统对功能、可靠性、实时性、 成本、体积、功耗等指标的严格要求的专成本、体积、功耗等指标的严格要求的专 用计算机系统。用计算机系统。 简单说，嵌入式系统就是应用软件与系统硬简单说，嵌入式系统就是应用软件与系统硬 件的一体化。件的一体化。 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 n n 系统内核小：一般应用于小型电子装置。系统内核小：一般应用于小型电子装置。 n n 专用性强：软硬件结合紧密，针对硬件进专用性强：软硬件结合紧密，针对硬件进 行系统的移植。行系统的移植。 n n 系统精简：系统软件和应用软件紧密融合系统精简：系统软件和应用软件紧密融合 ，部分无明显区别。，部分无明显区别。 n n 实时多任务的操作系统：实时多任务的操作系统： 合理调度多任合理调度多任 务，务，RTOSRTOS开发平台。开发平台。 n n 专门的开发工具和环境。专门的开发工具和环境。 实验室条件实验室条件 n n 深圳亿道公司深圳亿道公司EELiod270EELiod270教学开发平台教学开发平台 n n Intel Xscale270 Intel Xscale270 微处理器，微处理器，520MHz520MHz n n 完善的硬件平台完善的硬件平台 n n 支持支持WinCEWinCE和和LinuxLinux操作系统操作系统 课程主要内容课程主要内容 n n ARMARM与与EEliod270EEliod270开发系统介绍开发系统介绍 n n 嵌入式嵌入式LinuxLinux系统的构建与启动分析系统的构建与启动分析 n n 嵌入式嵌入式LinuxLinux下程序开发下程序开发 课程特点课程特点 n n 理论结合实践，通过实验掌握知识、锻炼理论结合实践，通过实验掌握知识、锻炼 能力能力 n n 课程涉及面广，要求软硬件综合能力高课程涉及面广，要求软硬件综合能力高 硬件（嵌入式开发板、各种硬件接口）硬件（嵌入式开发板、各种硬件接口） ARMARM汇编语言编程汇编语言编程 C/C+C/C+语言编程语言编程 LinuxLinux操作系统操作系统 QTQT、JavaJava等等 课程安排（一）课程安排（一） 2 21717周（周（3232学时）学时） n n 2-42-4周理论课（周理论课（6 6学时）学时） n n 5-175-17周嵌入式周嵌入式LinuxLinux实验实验 嵌入式嵌入式LinuxLinux基础实验（系统构建、基础实验（系统构建、MakefileMakefile 实验、实验、BootloaderBootloader实验、内核编译实验）实验、内核编译实验） 嵌入式嵌入式LinuxLinux驱动程序开发实验（驱动程序结驱动程序开发实验（驱动程序结 构、构、IOIO口驱动实验）口驱动实验） GUIGUI应用程序实验，应用程序实验，QTQT移植实验（不用交报移植实验（不用交报 告）告） 自选综合实验（自选综合实验（GUIGUI应用开发应用开发,QT,QT移植，支持移植，支持 GPRS/GPS/CameraGPRS/GPS/Camera） 评分标准评分标准 n n 理论课：理论课：1010 n n 实验：实验：9090 实验表现实验表现50%50% 实验报告实验报告30%30% 出勤出勤10%10% 内部网络资源内部网络资源 ftpftp服务器：服务器：44，port: 21, port: 21, user: emb user: emb ，pwd: embeddedpwd: embedded EELiodEELiod硬件平台资料硬件平台资料 ADSADS开发系统资料开发系统资料 嵌入式嵌入式LinuxLinux BSPBSP软件包软件包 实验指导书实验指导书 其他安装软件（虚拟机，其他安装软件（虚拟机，Redhat9Redhat9等）等） 参考书及资料（一）参考书及资料（一） n n ARMARM嵌入式处理器结构与应用基础，北嵌入式处理器结构与应用基础，北 航出版社，马忠梅等，航出版社，马忠梅等， 20022002 n n 嵌入式系统嵌入式系统Intel Intel StrongARMStrongARM结构与开结构与开 发，北航出版社，陈章龙等，发，北航出版社，陈章龙等， 20022002 n n ARMARM应用系统开发详解，清华大学出版应用系统开发详解，清华大学出版 社，李驹光等，社，李驹光等， 20032003 n n Redhat Linux 9 Redhat Linux 9 从入门与精通，从入门与精通，Michael Michael JangJang著，邱仲潘等译，电子工业出版社著，邱仲潘等译，电子工业出版社 n n LinuxLinux编程宝典，编程宝典，John GoerzenJohn Goerzen著，魏永著，魏永 明等译，电子工业出版社明等译，电子工业出版社 参考书及资料（二）参考书及资料（二） Alessandro Alessandro RubiniRubini，魏永明等译，魏永明等译，linuxlinux设设 备驱动程序，第二版，中国电力出版社，备驱动程序，第二版，中国电力出版社， 20022002 中国中国LinuxLinux论坛论坛 嵌入式开发网嵌入式开发网 嵌入式系统的基本构成嵌入式系统的基本构成 存储器及外围电路 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 应用软件 n n 嵌入式硬件系统嵌入式硬件系统 嵌入式处理器嵌入式处理器 各种类型存储器各种类型存储器 模拟电路及电源模拟电路及电源 接口控制器及接插件接口控制器及接插件 n n 嵌入式软件系统嵌入式软件系统 板级支持包（板级支持包（BSPBSP） 操作系统（操作系统（OS/RTOSOS/RTOS） 设备驱动（设备驱动（Device DriverDevice Driver） 协议栈（协议栈（Protocol StackProtocol Stack） 应用程序（应用程序（ApplicationApplication） 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 n n 嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（MPU)MPU) ARMARM Dragonball Mc9328 Mx1Dragonball Mc9328 Mx1 Xscale270Xscale270 n n 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)(MCU) 8051 8051、P51XAP51XA、MC68HC05/11/12/16MC68HC05/11/12/16、 6830068300等等 n n 嵌入式嵌入式DSPDSP处理器处理器 n n 嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（SOC-System On ChipSOC-System On Chip ） n n 嵌入式可编程片上系统（嵌入式可编程片上系统（EPSOCEPSOC） ARMARM嵌入式微处理器嵌入式微处理器 n n ARMARM公司成立于公司成立于19901990年，年，SaxbySaxby和和1212名工程师名工程师 n n ARM=ARM=A Advanced dvanced R RISC ISC MMachineachine RISCRISC（精简指令集）（精简指令集） 的典型代表的典型代表 3232位处理器技术位处理器技术 嵌入式领域的主力军嵌入式领域的主力军 n n ARMARM处理器有三大特点处理器有三大特点 体积小、功耗低、成本低，性能高体积小、功耗低、成本低，性能高 ARM/Thumb 32/16ARM/Thumb 32/16位双指令系统位双指令系统 全球众多的合作伙伴全球众多的合作伙伴 ARMARM n n ARMARM的产品的产品 ARMARM处理器内核，以知识产权（处理器内核，以知识产权（IPIP）形）形 式提供给式提供给ICIC生产厂家生产厂家 硬核：有和特定工艺相连系的物理版硬核：有和特定工艺相连系的物理版 图。图。 软核：用硬件描述语言或软核：用硬件描述语言或C C语言写成语言写成 ，用于功能仿真，用于功能仿真 ARMARM开发工具、开发工具、SOCSOC开发工具、评估开发工具、评估 板等板等 ARMARM公司不生产芯片公司不生产芯片 ARMARM n n 赢利模式：专利授权费赢利模式：专利授权费+ +版费版费 n n 目前在通信领域处于统治地位，目前在通信领域处于统治地位，100%100%的的 CDMACDMA手机和手机和85%85%以上的以上的WCDMAWCDMA手机手机 n n Intel Inside ;跳转到下面第二条指令跳转到下面第二条指令 状态寄存器状态寄存器 状态寄存器状态寄存器: : 当前程序状态寄存器当前程序状态寄存器 CPSRCPSR，可以在任何可以在任何 工作模式下被访问；工作模式下被访问； 程序状态备份寄存器程序状态备份寄存器SPSRSPSR，只有在异常只有在异常 模式下，才能被访问模式下，才能被访问 ； CPSRCPSR当前程序状态寄存器（一）当前程序状态寄存器（一） v当前程序状态寄存器CPSR N：补码形式的有符号数运算时，1为负，0为 正； Z：1表示结果为零； C：加减法的进位或借位，以及非加减法的最 后移位； V：1表示补码形式的有符号数加减运算时符 号位溢出； CPSRCPSR当前程序状态寄存器（二）当前程序状态寄存器（二） Q：v5以上版本才有，描述增强DSP运算指令是否发 生溢出； I、F：中断禁止位，1表示中断禁止； T：指示处理器处于ARM或Thumb工作状态； CPSRCPSR当前程序状态寄存器当前程序状态寄存器( (三三) ) M4:0：表示处理器的运行模式 0b10000User 0b10001FIQ 0b10010IRQ 0b10011Supervisor 0b10111Abort 0b11011Undefined 0b11111System ARMARM控制程序执行的方式控制程序执行的方式 n n 正常执行，每执行一条指令正常执行，每执行一条指令 ARMARM指令指令PC+4PC+4 ThumbThumb指令指令PC+2PC+2 n n 跳转跳转: :B B、BLBL、BXBX、BLXBLX n n 异常中断异常中断 执行完当前指令，跳转到异常中断处理程序执行完当前指令，跳转到异常中断处理程序 执行完返回到发生中断指令的下一条处执行完返回到发生中断指令的下一条处 要保护和恢复被中断程序的执行现场要保护和恢复被中断程序的执行现场 ARMARM处理器的异常中断处理器的异常中断（一）一） 异常是指正常的程序执行流程发生暂时的停止或改变， 例如在复位、有中断请求及指令预取中止时； ARM处理器支持7种类型的异常。 复位（RESET)：当处理器的复位电平有效时，产生复位异常， 程序跳转到复位异常处理程序处执行。 未定义指令(UDEF)：当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的 指令时，产生未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿 真。 软件中断(SWI)：该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式 下的程序调用特权操作指令。使用该异常机制可以实现系统功 能调用。 ARMARM处理器的异常中断（二）处理器的异常中断（二） 指令预取中止(PABT)：若处理器预取指令的地址不存在 ，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发 出中止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令 预取中止异常。 数据中止(DABT)：若处理器数据访问指令的地址不存在 ，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常 。 IRQ（外部中断请求）：当处理器的外部中断请求引脚有 效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可 通过该异常请求中断服务。 FIQ（快速中断请请求）：当处理器的快速中断请求引脚 有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。 ARMARM处理器的异常中断（三）处理器的异常中断（三） 异常类型模式正常向量地址高向量地址 复位管理0x000000000xFFFF0000 未定义指令未定义0x000000040xFFFF0004 软件中断管理0x000000080xFFFF0008 指令预取中止中止0x0000000C0xFFFF000C 数据中止中止0x000000100xFFFF0010 IRQIRQ0x000000180xFFFF0018 FIQFIQ0x0000001C0xFFFF001C ARMARM处理器的异常中断（四）处理器的异常中断（四） 异常优先级异常类型 1（最高）复位 2数据中止 3FIQ 4IRQ 5预取中止 6未定义指令，SWI ARMARM处理器对异常的处理（一）处理器对异常的处理（一） v对异常的响应： 将下一条指令的地址存入相应异常类型的连接寄存器 LR_mode； 保存用户寄存器值到堆栈中 将CPSR复制到相应异常类型的SPSR_mode中； 设置CPSR的M4:0,强制改变到相应的运行模式； 禁止正常中断，如果异常类型为快速中断或复位，同 时禁止快中断； 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行， 从而跳转到相应的异常处理程序处。 ARMARM处理器对异常的处理（二）处理器对异常的处理（二） v异常返回 从堆栈中恢复用户寄存器 将SPSR_mode复制回CPSR中 复制LR_modePC 未定义异常的操作过程未定义异常的操作过程 进入异常： R14_und=产生异常的下一条指令地址 SPSR_und=CPSR CPSR4:0=0b11011/*进入未定义运行模式*/ CPSR5=0/*进入ARM工作状态*/ CPSR7=1/*禁止正常中断*/ 如果设置了高向量模式，则 PC=0xFFFF0004 否则PC=0x00000004 退出异常： MOVS PC R14 恢复PC（从R14_und）和CPSR（从SPSR_und），并返回到该未定义 指令的下一条指令处 ARMARM推荐的异常退出指令推荐的异常退出指令 异常类型R14（ARM ） R14（Thumb）返回指令 BLPC+4PC+2MOV PC, R14 SWIPC+4PC+2MOVS PC, R14 UDEFPC+4PC+2MOVS PC, R14 FIQPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4 IRQPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4 PABTPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4 DABTPC+8PC+8SUBS PC,R14,#8 RESET- 例：例：SWISWI中断的中断的R14R14 v例如： 0x8000 mov 0x8004 add 0x8008 SWI 0x800C mov 0x8010 add 当程序执行SWI异常时，PC指向0x8010，在跳转到异 常向量的之前，ARM会把R14调整到0x800C ARMARM数据类型数据类型 字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为 32位，而在8位/16位处理器体系结构中，字 的长度一般为16位，请注意区分。 半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半 字的长度为16位，与8位/16位处理器体系结 构中字的长度一致。 字节（Byte）：在ARM体系结构和8位/16位 处理器体系结构中，字节的长度均为8位。 存储器组织存储器组织 n n 以以0 0x87654321x87654321为例为例 小端方式对应于地址小端方式对应于地址 A+3=0x87,A+2=0x65,A+1=0x43,A=0A+3=0x87,A+2=0x65,A+1=0x43,A=0 x21x21 大端方式对应于地址大端方式对应于地址 A=0x87,A+1=0x65,A+2=0x43,A+3=0A=0x87,A+1=0x65,A+2=0x43,A+3=0 x21x21 ByteA+3ByteA+2ByteA+1ByteA Bit31 bit0 字对齐与半字对齐字对齐与半字对齐 n n ARMARM状态，字地址的低两位状态，字地址的低两位bits1:0bits1:0必须必须 为为0 0b00b00，半字地址的最低位半字地址的最低位bit0bit0为为0 0b0b0 n n ThumbThumb状态，字地址最地位状态，字地址最地位bit0bit0必须为必须为 0 0b0b0 n n 如果写入如果写入PCPC的指令地址非对齐的指令地址非对齐 ARMV3ARMV3及以下，忽略及以下，忽略R15R15的的bits1:0bits1:0 ARMV4ARMV4及以上，执行结果不可预知及以上，执行结果不可预知 ThumbThumb，忽略忽略R15R15的的bit0bit0 ARMARM处理器工作状态处理器工作状态 从编程的角度看，ARM处理器有2种工作状态并可自 由切换： ARM状态：处理器执行32位的、字对准ARM 指令； Thumb状态：处理器执行16位、半字对准的 Thumb指令。 ARM/ThumbARM/Thumb状态的切换状态的切换 n n ARMARM处理器总是从处理器总是从ARMARM状态开始执行状态开始执行 n n 可用指令实现状态切换可用指令实现状态切换 BLXBLX LDRLDR、LDMLDM及及POPPOP n n 当处理器进入异常中断处理程序时，自动当处理器进入异常中断处理程序时，自动 切换到切换到ARMARM状态状态 n n 如果从如果从ThumbThumb状态进入异常，处理完成退状态进入异常，处理完成退 出后仍自动进入出后仍自动进入ThumbThumb状态状态 立即数立即数 n n 一条一条ARMARM指令指令3232位，可能含位，可能含1212位立即数位立即数 n n immediate=immed_8immediate=immed_8循环右移循环右移 (2*rotate_imm)(2*rotate_imm) n n 合法：合法：0xff,x0104,0xff0,0x3f00xff,x0104,0xff0,0x3f0 n n 非法：非法：0x101,0xff1,0x102(0x101,0xff1,0x102(非偶数位非偶数位) ) n n Qu:0x1fcQu:0x1fc ARMARM指令系统指令系统 nARM指令集包括： 1)跳转指令 2)数据处理指令 3)程序状态寄存器处理指令 4)加载/存储指令 5)协处理器指令 6)异常产生指令 ARMARM指令系统指令系统 n n 跳转跳转 B B，BLBL，BLXBLX n n 移位移位 ASR,LSL,LSR,ROR,ROXASR,LSL,LSR,ROR,ROX n n 存储加载存储加载 LDR,STRLDR,STR n n 软中断软中断 SWISWI 指令名指令含义操作 ADD相加Rd=Rn+op2 SUB相减Rd=Rn-op2 RSB反向相减Rd=op2-Rn ADC带进位加Rd=Rn+op2+C SBC带借位减Rd=Rn-op2+C-1 RSC反向带借位减Rd=op2-Rn+C-1 AND位与Rd=Rn AND op2 ORR位或Rd=Rn OR op2 EOR位异或Rd=Rn EOR op2 BIC位清零Rd=Rn AND NOT op2 MOV传送Rd=op2 MVN传送非Rd=NOT op2 CMP比较Rn-op2 CMN负向比较Rd=op2-Rn TST测试Rn AND op2 TEQ测试相等Rn EOR op2 指令名指令含义操作 MUL乘法Rd=Rm*Rs MLA乘加Rd=Rm*Rs+Rn UMULL无符号数乘法RdH: RdL = Rm*Rs UMLAL无符号数乘加RdH: RdL += Rm*Rs SMULL有符号数乘RdH: RdL = Rm*Rs SMLAL有符号数乘加RdH: RdL += Rm*Rs 多寄存器加载/存储指令（一） 该指令完成多个通用寄存器与存储单元之间的数据传送。 LDM|STM cond 寻址方式 Rn !,通用寄存器组 符号的含义： 寻址方式为：IA、IB、DA、DB、FD、ED、FA、EA； Rn： 基址寄存器，不允许为R15 （PC）； ！：指令执行后，刷新基址寄存器Rn “”： 当寄存器列表包含PC且为LDM指令时，同时将SPSR拷 贝到CPSR，用于异常返回； 当寄存器列表不包含PC，指示指令中所有的寄存器 为用户模式下的寄存器 LDM / STM LDM / STM 操作操作 语法：语法： Rb!, Rb!, list 四四 种寻址操作种寻址操作: : LDMIALDMIA / / STMIASTMIAIncrement AfterIncrement After（先操作，后增加）先操作，后增加） LDMIBLDMIB / / STMIBSTMIBIncrement BeforeIncrement Before（先增加，后操作先增加，后操作） LDMDALDMDA / / STMDASTMDADecrement After Decrement After （先操作，后递减）先操作，后递减） LDMDBLDMDB / / STMDBSTMDBDecrement Before Decrement Before （先递减，后操作先递减，后操作） IA r1地址 增加 r4 r0 r1 r4 r0 r1 r4 r0r1 r4 r0 r10 IBDADB LDMxx r10, r0,r1,r4 STMxx r10, r0,r1,r4 基址寄存器 (Rb) 存储器块拷贝存储器块拷贝 可选项可选项“ “ ! ! ” ”将导致将导致LDMLDM / / STMSTM 指令去自动更新基址寄存器指令去自动更新基址寄存器 后缀为后缀为IAIA, , IBIB时，加上时，加上4 4 乘以乘以 用于传送的寄存器的数目的值用于传送的寄存器的数目的值 后缀为后缀为DADA, , DBDB时，减去时，减去4 4乘以用于传送的寄存器的数目的值乘以用于传送的寄存器的数目的值 示例示例: : ; r12; r12指向源数据起始地址指向源数据起始地址 ; r14; r14指向源数据尾地址指向源数据尾地址 ; r13; r13指向目的数据起始地址指向目的数据起始地址 looploop LDMIALDMIAr12!, r0-r11r12!, r0-r11 ; ; 装载装载48 48 bytesbytes STMIASTMIAr13!, r0-r11r13!, r0-r11 ; ;存储存储themthem CMPCMPr12, r14r12, r14; ; check for the endcheck for the end BNEBNElooploop; ;loop until doneloop until done 此循环传送此循环传送 48 bytes 48 bytes占用了占用了3131周期周期 时钟为时钟为33 33 MHzMHz时传输速率超过时传输速率超过50 Mbytes/sec50 Mbytes/sec 存储器增加 r13 r14 r12 多寄存器加载/存储指令（二） 例如： STMFD R13!, R0, R4-R7, LR ；寄存器进栈 LDMFD R13!, R0, R4-R7, PC ；寄存器返回 注： 基址寄存器可以出现在寄存器列表中，但要避免 和写回操作“！”同时使用。 R15可以出现在LDM指令的寄存器列表中；但要避 免出现在STM指令的寄存器列表中，此时，可以 使用R14(用以保存返回地址)。 LDMFD sp!,r4-r7,pc 100 FF 1234 AOBE 8034 1010 1234 8420 9753 r41 r5 14544 r60 r712 pc9020 r4100100 FFr5FF 1234r61234 A0BEr7A0BE 8034 pc8034 堆栈堆栈 r4100 r5FF r61234 r7A0BE lr8034 ABCD 8765 102E 16 FFFF 1010 1234 8420 9753 存储器顶 SP SP 100 FF 1234 A0BE 8034 SP Old SP 100 FF 1234 A0BE 8034 ARMARM堆栈操作通过块传送指令来完成堆栈操作通过块传送指令来完成: : STMFDSTMFD(Push)(Push) 块存储块存储- Full Descending stack STMDB- Full Descending stack STMDB LDMFDLDMFD(Pop)(Pop)块装载块装载- Full Descending stack LDMIA- Full Descending stac