ARM嵌入式系统原理及应用开发1344

第1章嵌入式系统及应用开发概述1.1嵌入式系统的定义及特点1.2嵌入式系统的发展及应用1.3嵌入式系统的总体组成1.4常用的嵌入式处理器1.5常用的嵌入式操作系统1.6嵌入式系统的设计方法1.7嵌入式系统的应用开发1.8嵌入式系统的学习探讨习题第1章嵌入式系统及应用开发概述

本章概括地阐述了嵌入式系统及应用开发的基本概念、基础知识、基本方法等，包括嵌入式系统的定义、发展应用、总体组成、常用的嵌入式处理器、常用的嵌入式操作系统、嵌入式系统的设计方法、嵌入式系统的设计开发和嵌入式系统的学习探讨等内容。

1．1嵌入式系统的定义及特点

1．1．1嵌入式系统的定义

IEEE的定义：嵌入式系统是用来控制、监控或者辅助操作机器、装置、工厂等大规模系统的设备。我国通常定义：嵌入式系统（EmbeddedSystem）就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的3个基本要素。具体地讲，嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，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。

1．1．2嵌入式系统的特点1．嵌入式系统是专用的计算机系统2．嵌入式系统须满足系统应用环境的要求3．嵌入式系统需满足对象系统的控制要求4．嵌入式系统是一个知识集成应用系统5．嵌入式系统具有较长的应用生命周期6．嵌入式系统软件固化在非易失性存储器中7．多数嵌入式系统具有实时性要求8．嵌入式系统设计需专用的开发环境和工具1．2嵌入式系统的发展应用1．嵌入式系统发展的4个阶段

1）以单片机为核心的低级嵌入式系统主要特点是系统结构和功能单一，处理效率不高，存储容量较小，用户接口简单或没有用户接口，但它使用简单，成本低廉。

2）以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统主要特点是处理器种类多，通用性较弱；系统效率高，成本低；操作系统具有兼容性、扩展性，但用户界面简单。

3）以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统主要特点是嵌入式系统能运行于各种不同嵌入式处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且可任意裁剪；具有文件和目录管理、多任务功能，支持网络、具有图形窗口以及良好的用户界面；具有大量的应用程序接口，嵌入式应用软件丰富。1．2．1嵌入式系统的发展4）以Internet为标志的高级嵌入式系统目前嵌入式系统大多孤立于Intemet，随着网络应用的不断深入，随着信息家电的发展，嵌入式系统的应用必将与Internet有机结合在一起，成为嵌入式系统发展的未来。基于32位/64位微处理器的嵌入式系统的优点：①芯片内外资源丰富，硬件系统简单；②可运行各种操作系统，降低了复杂系统应用程序开发的难度；可运行多种操作系统，应用程序开发难度降低，系统人机界面友好；③系统数据处理能力强，控制精度高；④有成熟的开发工具，丰富的开发资源和资料；⑤32位/64位的嵌入式系统的开发人群不断增多，有助于降低企业项目开发成本、保持开发的连续性。2．嵌入式系统的发展趋势

1）嵌入式系统结构将更加复杂，硬件向集成化发展，软件将逐渐PC化

2）嵌入式系统的小型化、智能化、网络化、可视化、微功耗和低成本

3）不断改善人机交互的手段，提供精巧的多媒体人机界面

4）云计算、可重构、虚拟化等技术被进一步应用到嵌入式系统

5）嵌入式软件开发平台化、标准化、系统可升级，代码可复用将更受重视其中：云计算（Cloud）是将计算分布在大量的分布式计算机上，这样我们只需要一个终端，就可以通过网络服务来实现所需要的计算任务，甚至是超级计算任务。可重构性是指在一个系统中，其硬件模块或（和）软件模块均能根据变化的数据流或控制流对系统结构或算法进行重新配置（或重新设置）。虚拟化是指计算机软件在一个虚拟的平台上而不是一个真实的硬件上运行。

嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是现代计算机技术改造传统产业、提升多领域技术水平的有力主具，可以说嵌入式系统无处不在。其主要应用领域包括智能产品（智能仪表、智能和信息家电）、工业自动化（测控装置、数控机床、数据采集与处理）、办公自动化（通用计算机中的智能接口）、电网安全、电网设备检测、石油化工、商业应用（电子秤，POS机，条码识别机）、安全防范（防火、防盗、防泄漏等报警系统）、网络通信（路由器、网关、手机、PDA、无线传感器网络）、汽车电子与航空航天（汽车防盗报警器、汽车和飞行器黑匣子）以及军事等各个领域，如图1．1所示。1．2．2嵌入式系统的应用图1．1嵌入式系统的应用领域

1．3嵌入式系统的总体组成图1．2基于控制领域的典型嵌入式系统1．3．1嵌入式系统的硬件图1．3典型的嵌入式系统硬件组成1．中间层程序中间层程序主要为上层软件提供了设备的操作接口，它包括硬件抽象层（HardwareAbstractionLayer，HAL）、板级支持包（BoardSupportPackage，BSP）以及设备驱动程序。

1）硬件抽象层硬件抽象层就是通过程序来控制处理器、I/O接口以及存储器等所有硬件的操作，这样使系统的设备驱动程序与硬件设备无关，提高了系统中的移植性。它包括相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作、硬件设备的配置等操作。

2）板级支持包板级支持包主要是实现对嵌入式操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。BSP实现的功能主要有：①系统启动时对硬件初始化；②为驱动程序提供访问硬件的手段，BootLoader便属于此类。1．3．2嵌入式系统的软件3）设备驱动程序设备的驱动程序为上层软件提供调用的操作接口。驱动程序除了实现本的功能函数外（初始化、中断响应、发送、接收等），还具备完善的错误处理函数。

2．嵌入式操作系统嵌入式操作系统在复杂的嵌入式系统中发挥着非常重要的作用，有了嵌入式操作系统，进程管理、进程间的通信、内存管理、文件管理、驱动程序、网络协议等方可实现。

3．应用软件层应用软件是在嵌入式操作系统支持下通过调用API函数，结合实际应用编制的用户软件。如抄表系统的软件、掌上信息查询软件等。

嵌入式微处理器（EmbeddedMicrocomputerUnit，EMPU）、嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMCU）嵌入式数字信号处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式片上系统（SystemOnChip，SOC）嵌入式可编程片上系统（SystemOnaProgrammableChip，SOPC)。1．4常用的嵌入式处理器1．4．1嵌入式处理器的种类

1．嵌入式微处理器嵌入式微处理器是由PC中的CPU演变而来的，与通用PC的微处理器不同的是，它只保留了与嵌入式应用紧密相关的功能硬件。典型的EMPU有PowerPC、MIPS、MC68000、i386EX、AMDK62E以及ARM等，其中ARM是应用最广、最具代表性的嵌入式微处理器。

2．嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机，其内部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、总线、总线逻辑、定时器、看门狗、I/O接口等各种必要的功能部件。典型的EMCU有51系列、MC68系列、PIC系列、MSP430系列等。

3．嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器（DSP）是专门用于数字信号处理的微处理器，在系统结构和指令算法方面经过特殊设计，因而具有很高的编译效率和指令执行速度。典型的EDSP有TMS32010系列、TMS32020系列等。

4．嵌入式片上系统

SOC是一个集成的复杂系统，它一般将一个完整的产品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上，其中可能包括处理器CPU、存储器、硬件加速单元、与外围设备的接口I/F，模数混合放大电路，甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。

SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器的片内嵌入了操作系统。由于片上系统绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性和设计生产效率。

5．嵌入式可编程片上系统可编程片上系统SOPC是一种基于FPGA的可重构SOC，它集成了硬IP核或软IP核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，是更加灵活、高效的SOC解决方案。SOC与SOPC的区别：SOC是专用集成系统，设计周期长，设计成本高，SOPC是基于FPGA的可重构SOC，是一种通用系统，设计周期短，设计成本低。

英国ARM（AdvancedRISCMachines）公司成立于1990年。在1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生（在美国VLSI公司制造）。目前，ARM架构处理器已在高性能、低功耗、低成本应用领域中占据领先地位。

ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，它为ARM架构处理器提供了ARM处理器内核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等）和ARM处理器宏核（ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等），由各半导体公司（ARM公司合作伙伴）在上述处理器内核或处理器宏核基础上进行再设计，嵌入各种外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理器（EMPU）或嵌入式微控制器（EMCU）。1．4．2典型ARM微处理器系列ARM处理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。

ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E为4个通用嵌入式微处理器系列，每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的要求，有多个厂家生产；SecurCore系列则是专门为安全性要求较高的场合而设计的；StrongARM是Intel公司生产的用于便携式通信产品和消费电子产品的理想嵌入式微处理器，应用于多家掌上电脑系列产品；Xscale是Intel公司推出的基于ARMv5TE体系结构的全性能、高性价比、低功耗的嵌入式微处理器，应用于数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Cortex-A8处理器是第一款基于下一代ARMv7架构的应用处理器，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb®-2技术。图1.4基于ARM核的典型嵌入式处理器系列1．4．3典型ARM微处理器简介

1．S3C44B0X微处理器简介

S3C44B0X是三星公司专为手持设备和一般应用提高的高性价比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微处理器。它使用ARM7TDMI核，工作在75MHz。S3C44B0X采用0．25um制造工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器，它耗能低、精简及出色的全静态设计非常适用于对成本和功耗要求较高的场合。为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片中还集成了若干部件，主要包括8KBCache（数据/指令）、内部SRAM、外部储存器控制器、LCD（LiquidCrystalDisplay）控制器、4个DMA通道、带自动握手的2通道UART、一个多主I2C（InterIntegrateCircuit）总线控制器、1个I2S（InterIntegrateCircuitSoundBus）总线控制器、5通道PWM定时器、一个看门狗定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、具有日历功能的实时时钟RTC、8通道10位A/D转化器、1个SIO接口以及PLL（锁相环）时钟发生器。

S3C44B0X采用新型的总线结构，即三星ARMCPU嵌入式微处理器总线结构SAMBAII。2．S3C2410X/S3C2440X微处理器简介

S3C2410X/S3C2440X是三星公司出品的基ARM920T核的嵌入式微处理器，它与基于ARM7的S3C44B0X的最大区别在于，S3C2410X/S3C2440X内部带有全性能的内存管理单元（MMU），适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富及体积小等优良特性。

S3C2410X/S3C2440X提供了丰富的内部设备：如双重分离的16KB的指令缓存和16KB的数据缓存、MMU虚拟存储器管理部件、LCD控制器、支持NAND的Flash系统引导、外部存储控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O端口、定时器、8通道10位A/D转换器、触摸屏接口、I2C总线接口、USB主机、USB设备、SD主卡及MMC卡接口、2通道SPI以及内部PLL时钟倍频器。3．LPC2000系列嵌入式微控制器简介

LPC2000系列嵌入式微控制器是基于ARM7TDMI-SCPU内核的，它支持ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。该系列微控制特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。有关其系列产品的主要信息见表1．1。

4．AT91系列嵌入式微控制器简介美国AtmelAT91系列微控制器是基于ARM7TDMI（有的基ARM920T）的嵌入式微处理器的16/32位微控制器，是目前国内市场应用最广泛的ARM芯片之一。AT91系列微控制器定位在低功耗和实时控制应用领域，它们已成功应用在工业自动化控制、MP3/WMA播放器、数据采集产品、BP机、POS机、医疗设备、GPS和网络系统产品中。AT91系列微控制器为工业级芯片，价格比较便宜。基于ARM技术的Atmel微控制器为AT91系列，其中有几种类型，AT91RXXXX和AT91MXXXX（内部带有RAM，但没有程序存储器类型）、AT91RMXXXX（内部带有RAM，有ROM类型），AT91FRXXXX（内部带有RAM，有Flash程序存储器类型）。5．XScale微体系结构微处理器简介

IntelXScale微体系结构提供了一种全新的、高性价比、低功耗且基于ARMv5TE体系结构的解决方案，支持16位Thumb指令和DSP扩充。基于XScale技术开发的微处理器，可用于手机、便携式终端（PDA）、网络存储设备及骨干网（BackBone）路由器等。IntelPXA250微处理器芯片就是一款集成了32位IntelXScale微处理器核的应用处理器。

6．STR710F系列嵌入式处理器简介

STR710F系列嵌入式处理器产品是意法半导体有限公司（STMicroelectronics）生产的工业标准的ARM7TDMI32位RISCCPU为内核，特别适用于需要尺寸紧凑、CPU功能强大的嵌入式系统和可升级的解决方案，如用户界面要求高的系统、工厂自动化系统和销售点（POS）应用等。

嵌入式操作系统（OperatingSystem，OS）是支持嵌入式系统工作的操作系统，它负责嵌入式系统的全部软、硬件资源分配、调度、控制和协调等活动，它是嵌入式应用软件的开发平台，用户的其它应用程序都建立在嵌入式操作系统之上。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。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它使得嵌入式系统的开发效率大大提高，系统开发的总工作量大大减少，并且极大地提高了嵌入式软件的可移植性。为了满足嵌入式系统的要求，嵌入式操作系统必须包含操作系统的一些最基本的功能，用户可以通过API函数来使用操作系统。嵌入式操作系统具有编码体积小、面向应用、实时性强、可移植性好、可靠性高以及专用性强等特点。1．5常用的嵌入式操作系统1．5．1嵌入式操作系统及其特点

1．LinuxLinux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，它得名于计算机业余爱好者LinusTorvalds。目前存在着许多不同的Linux，，但它们都使用了Linux内核。Linux可安装在各种计算机硬件设备中，从手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台，到台式计算机、大型机和超级计算机。Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。一些流行的主流Linux发行版，包括Debian（及其派生物Ubuntu），Fedora和openSUSE等。

2．μC/OS-IIμC/OS-II是一个可裁剪、源代码开放、结构小巧、抢先式的实时嵌入式操作系统，主要用于中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能好和可扩展性强等优点。该操作系统支持多达64个任务，大部分嵌入式微处理器均支持μC/OS-II。1．5．2几种常用嵌入式操作系统

3．WindowsCEMicrosoftWindowsCE是Microsoft公司产品，是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。该操作系统的基本内核至少需要200KB的ROM。从游戏机到现在大部分的掌上电脑都采用了WindowsCE作为操作系统，其缺点是系统软件价格过高，影响整个产品的成本控制。

4．VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时操作系统。VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高、精、尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。但大多数的VxWorksAPI是专用的，VxWorks的价格昂贵。5．pSOSpSOS是ISI公司研发的产品。pSOS是一个模块化、高性能、完全可扩展的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供了一个完全多任务环境，在定制的或商业的硬件上具有高性能和高可靠性。

6．PalmOS3COM公司的PalmOS在掌上电脑和PDA市场上占有很大的市场份额。它有开放的操作系统应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需的应用程序。在开发环境方面，可以在Windows和Macintosh下安装PalmPilotDesktop。

7．QNXQNX是由加拿大QSSL公司开发的分布式实时操作系统。该操作系统既能运行于以IntelX86、Pentium等CPU为核心硬件环境下，也能运行于以PowerPC、MIPS等CPU为核心的硬件环境。它广泛应用于自动化、控制、机器人科学、电信、数据通信、航空航天、计算机网络系统、医疗仪器设备、交通运输、安全防卫系统、POS机、零售机等任务关键型应用领域。8．苹果iOSiOS是由苹果公司为iPhone开发的操作系统。它是以Darwin为基础的，主要是给iPhone、iPodtouch以及iPad使用。原本这个系统名为iPhoneOS，直到2010年6月7日WWDC大会上宣布改名为iOS。iOS的系统架构分为四个层次：核心操作系统层、核心服务层、媒体层、可轻触层。系统操作占用大概240MB的存储器空间。

9．AndroidAndroid是一种以Linux为基础的开放源码操作系统，主要使用于便携设备。Android操作系统最初由AndyRubin开发，最初主要支持手机。2005年由Google收购注资，并拉拢多家制造商组成开放手机联盟开发改良，逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。2010年末数据显示，仅正式推出两年的操作系统的Android已经超越称霸十年的诺基亚Symbian系统，跃居全球最受欢迎的智能手机平台。

1．6嵌入式系统的设计方法1．嵌入式微处理器及操作系统的选择嵌入式微处理器可谓多种多样，品种繁多，而且都在一定领域应用广泛。在嵌入式系统上运行的操作系统也有不少，如VxWorks、Linux，Nuc1ears、WindowsCE等，即使在一个公司之内，也会同时使用好几种处理器，甚至几种嵌入式操作系统。

2．开发工具的选择目前用于嵌入式系统设计的开发工具种类繁多，不仅各种操作系统有各自的开发工具，在同一系统下开发的不同阶段也使用不同的开发工具。

3．对目标系统的观察与控制要使系统能正常工作，软件开发者必须要对目标系统具有完全的观察和控制能力，如硬件的各种寄存器、内存空间，操作系统的信号量、消息队列、任务、堆栈等。1．6．1嵌入式系统的总体考虑1．6．2嵌入式系统的设计步骤图1．5嵌入式系统设计的一般流程1．6．3嵌入式系统的设计方法

图1．6单片机系统和嵌入式系统的开发流程比较图1．7传统嵌入式系统设计方法和嵌人式系统的软硬件协同设计方法的比较

软硬件协同设计方法与传统设计相比有2个显著的特点：①描述软、硬件使用统一的表示形式；②硬、软件划分可以选择多种方案，直到满足要求。

嵌入式系统的开发环境一般由三个部分组成：宿主机、调试仿真器和目标机。其中宿主机用来完成源代码编辑、编译、显示一部分运行结果等，操作系统可以是UNIX、Linux和Windows等，硬件可以是PC和工作站等。目标机就是用户嵌入式程序的运行环境，CPU可能是任何CPU，常用的有ARM、MIPS、PowerPC、DrangonBall等。操作系统常用的有Linux、μC/OS-II、WindowsCE、Vxworks、等，或者根本没有操作系统。使用集成开发软件开发基于ARM的应用软件，可以完成系统软件的编辑、编译、汇编和链接等工作；通过调试仿真器可以在PC上实现对应用软件的调试；再使用烧写软件，将开发成功的应用系统从宿主机向目标机下载移植，从而完成整个开发过程。1．7嵌入式系统的应用开发1．7．1嵌入式系统的开发环境图1．8嵌入式系统的开发与调试环境示意图1．指令集模拟器部分嵌入式系统集成开发环境提供了指令集模拟器，可方便用户在PC上完成一部分简单的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大，因此即使用户是用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行，用户最终必须在硬件平台上完成整个应用的开发。

2．驻留监控软件驻留监控软件（ResidentMonitors）是一段运行在目标板上的程序，集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通信端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件发布命令，通知驻留监控软件控制程序执行、读/写储存器、读/写寄存器和设置断点等。驻留监控软件是一种比较低廉有效的调节方式，不需要任何其它的硬件调试和仿真设备。驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备的要求比较高。1．7．2嵌入式系统的调试工具

3．JTAG仿真器

JTAG仿真器也称为JTAG调试器，是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备。JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便，通过现有的JTAG边界扫描口与ARMCPU核通信，它无需目标储存器，不占用目标端口的任何端口。另外，由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行的仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问题，如高频操作限制、AC和DC参数不匹配、电线长度的限制等被最小化了。使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前采用最多的一种调节方式。

4．在线仿真器在线仿真器使用仿真头完全取代目标板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行为，提供更加深入的调试功能。但这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于100MHz的处理器，通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而价格比较昂贵。在线仿真器常用在ARM的硬件开发中，在软件的开发中使用较少，其价格昂贵也是在线仿真器难以普及的因素。1．非操作系统层次的应用非操作系统层次的应用，主要是在一些结构简单的系统中或在实时性要求非常高的系统中，许多时候用于代替原来8位/16位单片机的应用。随着32位单片机成本的不断降低，其成本已与8位单片机相差无几。因此，非操作系统层次的应用也越来越广泛。

2．操作系统非GUI层次的应用操作系统非GUI层次的应用，主要是指其应用程序建立在操作系统基础上，是为了实现程序的多任务及实时性，此类应用在人机交互方面没有很高的要求，可选择的操作系统有许多。

3．操作系统GUI层次的应用操作系统GUI层次的应用，主要是为了方便实现人机交互功能、网络功能、数据库功能以及其它更复杂的应用。GUI层次的开发，除了借助于操作系统及GUI库强大的功能，更重要的是可以让程序开发人员把关注点集中在高层的目标与任务的实现中，使嵌入式系统应用的开发更简单，让开发速度及开发效率更高1．7．3嵌入式系统的应用模式

1．需要交叉编译工具嵌入式系统采用的处理器一般与PC不同，结构较简单，功耗较低。由于嵌入式系统目标机上的资源较为有限（内存外存容量小，显示功能弱），直接在目标机上开发和调试应用软件几乎不可能。因此，目标机的嵌入式应用软件开发需要放在高性能计算机上的集成开发环境上进行，由于PC的大量普及和使用，现在的嵌入式集成开发环境也大多运行在PC上。需要交叉编译工具的另一个原因是嵌入式系统处理器芯片的指令系统与PC处理器芯片的指令系统不同。一般情况下，PC的处理器芯片是X86芯片，使用的指令系统是X86指令系统，而ARM9芯片运行的是ARM指令系统，两者有很大差别。因此，用ARMADS集成开发环境编写的C语言程序需要经过交叉编译器才能生成运行在目标机上的ARM9机器语言程序。1．7．4嵌入式应用软件的开发2．通过仿真手段进行调试目标机执行程序经过交叉编译后，还要经过调试排错，确认能够正常运行才能使用。那么如何进行调试排错呢？显然在目标机上调试排错是非常困难的。原因是输入输出方式较少，多数嵌入式系统显示面积小，甚至没有显示屏，从而无法显示调试信息；调试工具需要较大存储空间，对嵌入式系统来说，比较困难。但对于台式机而言，这些条件很容易满足。因此，通常的调试也是在PC上完成的，方式就是仿真调试。

3．目标机是最终的运行环境对嵌入式应用程序来说，其开发、调试往往是在PC上完成的，但它最终的运行环境是目标机。嵌入式应用程序开发调试完成后，要下载到目标机上运行，正确无误运行后才表示成功。如果不成功或需要进一步完善，则需重新回到PC上运行修改调试。4．执行应用程序的指令通常写入操作系统在常用的嵌入式系统中，应用程序的启动执行指令通常需要预先写入操作系统的任务调度程序里，编辑在目标程序中。因此，嵌入式应用程序许与操作系统有一定联系，开发者不仅要了解应用程序，也要了解操作系统，知道如何让一个应用程序执行。

5．系统资源有限在进行嵌入式应用软件的开发时，就必须考虑可用资源问题。以存储容量为例，嵌入式系统的ROM容量一般只有几兆字节，对目标程序有严格的长度限制，这样程序员在编程时就必须考虑这个限制。

6．控制特定部件在嵌入式应用软件开发过程中，程序员往往需要针对特定的部件做更加细致的编写作业。

嵌入式系统的设计与开发，就是利用嵌入式微处理器/微控制器内部的特定资源和扩展的外部资源，来设计和开发特定的目标系统。对于基于ARM+Linux嵌入式系统的学习，初步具备从事ARM嵌入式系统应用开发的能力，作者认为应掌握ARM嵌入式系统的硬件结构与工作原理、程序设计语言、Linux开发环境的构建、Linux操作系统的移植和开发工具的使用，ARM+Linux嵌入式系统的设计与开发方法，包括嵌入式系统的设计方法、ARM处理器芯片的选择、嵌入式系统应用与接口设计、嵌入式设计开发平台的使用等内容。同时应熟悉与嵌入式系统开发相关的有关领域知识。增多，有助于降低企业项目开发成本、保持开发的连续性。1．8嵌入式系统的学习探讨1．8．1嵌入式系统的学习内容

要学好嵌入式系统及其开发应用，首先必须掌握嵌入式系统技术基础。嵌入式系统技术基础是进行嵌入式设计和开发的关键。技术基础决定了一个人学习知识、掌握技能的能力。其次，对于嵌入式系统的学习，必须要有一个较好的嵌入式系统开发平台和开发环境。功能全面的开发平台一方面为学习提供了良好的开发环境，另一方面开发平台本身也是一般的典型实际应用系统。最后，对于嵌入式系统的学习，必须要有一个较好的教师指导，并选用几本好的教材，采用合适、有效的学习方法。嵌入式技术，内容新颖，综合性强，实践性强，实际应用发展前景广阔。因此需要理论与实践相结合，课内与课外相结合，研究性学习与课题开发相结合。在具备嵌入式系统及其开发应用的基础知识和基本技能后，进行课题的设计开发时一个非常有效的方法。1．8．2嵌入式系统的学习条件

学习嵌入式系统，应采用课堂教学与课后研究探讨自学相结合，理论学习与实践应用相结合的方法，研究性教学与课题开发相结合。其中应用设计与开发实践则是熟悉和掌握嵌入式系统原理和应用开发技巧的最好方法。利用ARM嵌入式系统开展本科生研究性教学，它具有以下优点：技术先进，社会急需，综合性强，创新性强，成本低廉。为了描述基于ARM嵌入式系统的研究性教学的研究背景、主要研究目标、主要研究内容以及主要研究期望，图1.9给出了基于ARM嵌入式系统的研究性教学模型。1．8．3嵌入式系统的学习方法图1.9基于ARM嵌入式系统的研究性教学模型1.利用ARM嵌入式系统开展研究性教学的研究内容（1）ARM嵌入式系统设计开发基础研究：主要包括ARM器件结构；ARM汇编语言；C/C++语言；操作系统移植；应用程序开发；驱动程序开发等嵌入式系统设计与实现基础理论、基本方法、基本工具的学习与使用。（2）ARM嵌入式系统设计与生实现相关研究：主要是与课题设计与实现有关的数字信号处理、数字图像处理、工业智能控制、网络通信控制、数字家电控制等基础理论、实现算法和系统仿真等研究，重点是实现算法的设计、选择和仿真。（3）基于ARM的嵌入式系统设计与实现：主要包括系统设计需求分析；ARM实现硬件设计；ARM操作系统移植；ARM应用程序设计；ARM驱动程序设计；ARM系统组装与调试。2.基于ARM嵌入式系统开展研究性教学的主要形式基于ARM嵌入式系统开展研究性教学的主要形式，包括组建ARM嵌入式系统学习兴趣小组、课题系统设计与实现研究小组和选拨教师科研项目助理等，通过专题训练、分散研究、定期讨论、按需答疑、总结汇报等形式开展研究活动。

3.基于ARM嵌入式系统的研究性教学的主要成效（1）熟练掌握ARM嵌入式系统基础理论、基本方法、基本技巧、调试方法和调试技巧。（2）熟练掌握与ARM嵌入式系统设计开发课题相关的基础理论、基本方法、基本技巧。（3）全面提高学生的综合应用能力、实践动手能力、创新创业能力和就业核心竞争力通过研究性学习训练的学生，不但具有良好的参考文献查找能力、分析利用和文档处理能力，同时学生的综合应用能力、实践动手能力、创新创业能力大为提高，就业核心竞争力显著提高，80%的学生毕业时均能找到从事嵌入式系统设计与开发的工作，并且工资待遇也相当不错。习题11．什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？2．简述嵌入式系统的发展阶段及特点3．简述嵌入式系统的发展趋势。4．嵌入式系统有哪些组成部分？各部分的功能和作用是什么？5．简述嵌入式处理器的分类及各自的主要特点。6．写出EMPU、EMCU、EDSP、SOC和SOPC的全称，并解释其含义。7．简述典型的嵌入式微处理器和微控制器的系列及应用领域。8．简单分析几种嵌入式操作系统的主要特点，包括嵌入式Linux，WindowsCE，μC/OS-II及VxWorks。9．嵌入式系统的应用模式有哪几种？各有什么有缺点？10．简述嵌入式系统的总体设计应考虑哪些因素。11．简述嵌入式系统的开发环境的组成，解释其中的基本概念。12．简述嵌入式系统的调试方法。13．简述嵌入式系统的设计方法和嵌入式系统的设计步骤。14．简述嵌入式应用软件的开发的特点。第2章ARM嵌入式处理器体系结构2.1嵌入式处理器内核种类2.2ARM体系结构概述2.3ARM流水线技术2.4ARM处理器内核结构

本章首先介绍了当今流行的嵌入式处理器内核的种类，接着概述了ARM嵌入式处理器的体系结构和ARM流水线技术，最后阐述了ARM处理器的内核结构。2．1嵌入式处理器内核的种类

目前世界上有四大流派的嵌入式处理器内核生产厂家及嵌入式处理器内核，即MIPS公司（www．mips．com）的MIPS处理器内核，ARM公司（www．arm．com）的ARM处理器内核，国际商用机器公司（IBM）、苹果公司（Apple）及摩托罗拉（Motorola）公司联合开发的PowerPC，摩托罗拉公司（www．motorola．com）的68K/COLDFIRE。嵌入式处理器内核是一个设计技术，并不是一个芯片，内核的设计一般追求高速度、低功耗、易于集成。1．MIPS内核

MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。1984年，MIPS计算机公司成立。1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司。MIPS公司设计RISC处理器始于20世纪80年代初。1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的版本以及64位MIPS6420Kc处理器内核。MIPS内核具有高速、多核集成的特点。2．ARM内核

ARM内核具有低功耗的特点，ARM内核的设计技术被授权给数百家的半导体厂商，做成不同的SOC芯片。ARM内核在当今最活跃的无线局域网、3G、手机终端、手持设备、有线网络通信设备中得以广泛应用，其应用形式是集成到专用芯片之中作为控制器。采用ARM内核的主要半导体处理器厂商韩国三星公司在其面向手持设备和网络设备的处理器上都全面采用了ARM内核，如S3C4510B用于Gateway等。

Intel公司从StrongARM到Xscale处理器家族，都是立足于ARM内核并增加了多媒体指令特性，并进一步降低功耗，提高速度。

Motorola公司在其手持设备处理器方面从68K内核改成了ARM内核，从此，手持设备领域成了ARM内核的天下。

CirrusLogic公司的EP7312等手持设备处理器增加了MP3以及音频处理的功能。3．PowerPC内核

PowerPC内核在高速与低功耗之间做了妥协，并集成了极其丰富的外围电路接口。PowerPC内核被Motorola公司用于嵌入式领域，目前已经成为在通信领域使用最广泛的处理器内核。中兴通信、华为等也在其通信产品中大量采用Motorola的PowerPC家族的系列嵌入式处理器。MPC860和MPC8260是其最经典的两款PowerPC内核的嵌入式处理器。

4．68K/COLDFIRE内核

68K/COLDFIRE核被称为业界应用最广的嵌入式处理器内核，目前还在不停地更新换代与发展。68K内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核，其代表芯片是683600COLDFIRE内核继承了68K的特点并继续兼容它。COLDFIRE内核被植入DSP模块、CAN总线模块以及一般嵌入式处理器所集成的外设模块，从而形成了一系列的嵌入式处理器，在工业控制、机器人研究、家电控制等领域被广泛采用。ARM处理器采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）体系结构设计，使用标准的、固定长度的32位指令格式，所有ARM指令都使用4位的条件编码来决定指令是否执行，以解决指令执行的条件判断。从ARM7开始采用32位地址空间（此前为26位地址）。ARM7采用3级流水线结构，采用冯·诺依曼体系结构（程序存储器与数据存储器统一编址）。ARM9采用5级流水线，采用哈佛体系结构（程序存储器与数据存储器分开独立编址）。ARM10采用6级流水线。ARM架构自诞生至今，已经发生了很大的演变，至今已定义了7种不同的版本。2.2ARM体系结构概述2．2．1ARM体系结构的发展

其中：

V4版结构是目前最广泛应用的ARM体系结构，它对V3版架构进行了进一步扩充，有的还引进了16位的Thumb指令集，使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM9和Strong­ARM都采用了该版结构。其指令集中增加的功能包括符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令，增加了16位Thumb指令集，完善了软件中断（SWI）指令的功能，处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作，把一些未使用的指令空间捕捉为未定义指令。

V5版架构在V4版基础上增加了一些新的指令。ARM10和XScale都采用该版架构。这些新增指令有带有链接和交换的转移（BLX）指令、计数前导零计数（CLZ）指令、中断（BRK）指令、信号处理指令（V5TE版）、为协处理器增加更多可选择的指令。ARM体系架构V6是2001年发布的，其基本特点包括100%与以前的体系兼容；SIMD媒体扩展，使媒体处理速度快1．75倍；改进了的内存管理，使系统性能提高30%；改进了的混合端（Endian）与不对齐数据支持，使得小端系统支持大端数据（如TCP/IP）。许多RTOS是小端的，为实时系统改进了中断响应时间，将最坏情况下的35周期改进到了11个周期。

ARM体系架构V7是2005年发布的。它使用了能够带来更高性能、功耗低、效率高及代码密度大的Thumb®-2技术。它首次采用了强大的信号处理扩展集，对H．264和MP3等媒体编解码提供加速。Cortex-A8TM处理器采用的就是V7版的结构。

（1）单周期操作。ARM指令系统中的指令只需要执行简单的和基本的操作，因此其执行过程在一个机器周期内完成。（2）采用加载/存储指令结构。ARM只采用了加载和存储两种指令对存储器进行读和写的操作，面向运算部件的操作都经过加载指令和存储指令从存储器取出后预先存放到寄存器内，以加快执行速度。（3）固定的32位长度指令。ARM指令系统的指令格式固定为32位长度，指令译码结构简单，效率高。（4）3地址指令格式。由于编译开销大，需要尽可能优化，因此采用3地址指令格式，较多寄存器和对称的指令格式便于生成优化代码。（5）指令流水线技术。ARM采用多级流水线技术，以提高指令执行的效率；ARM7采用冯·诺依曼体系结构的3级指令流水线；ARM9TDMI采用基于哈佛体系结构的5级指令流水线技术；ARM10采用6级指令流水线。2．2．2ARM体系结构的技术特征1．ARM处理器工作状态

1）ARM状态

ARM状态是指ARM工作于32位指令状态，即32位状态。所有指令均为32位指令。

2）Thumb状态

Thumb状态是指ARM执行16位的Thumb指令的状态，即16位状态。在有些情况下，如异常处理时，必须是ARM状态下的ARM指令，此时如果原来工作于Thumb状态，必须将其切换到ARM状态，使之执行ARM指令。在程序执行的过程中，处理器可随时在这两种工作状态间进行切换，切换时并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。

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，则可通过下面的方法切换到Thumb状态。2．2．3ARM处理器工作状态与工作模式3）ARM与Thumb间的切换（1）由ARM状态切换到Thumb状态。通过BX指令可将ARM状态切换到Thumb状态，即当操作数寄存器的最低位为1时，可执行BX指令使微处理器进入Thumb状态。例如：

MOVR6,0X16000001BXR6

在本例中，操作数寄存器R6的最低位为1，则执行上述两条指令时，转移到地址为R6&0XFFFFFFFE=0X16000000处的Thumb指令。如果Thumb状态进入异常处理，则当异常返回时，系统状态将自动切换到Thumb状态。（2）由Thumb状态切换到ARM状态。通过BX指令可将Thumb状态切换到ARM状态，即当操作数寄存器的最低位为0时，可执行BX指令使微处理器进入ARM状态。当处理器进行异常处理时，则从异常向量地址开始执行，系统将自动进入ARM状态。2.ARM处理器工作模式2．2．4ARM处理器寄存器组1．ARM状态下的寄存器组

从表2．3中可以看出，ARM处理器工作在不同模式，使用的寄存器有所不同，共同点是:无论何种模式，R15均作为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。不同之处在于高端7个通用寄存器和状态寄存器在不同模式下不同。

1）通用寄存器通用寄存器有31个，其中不分组的寄存器有8个（R0～R7）；在快速中断模式下，R8～R12标有fiq，代表快速模式专用，与其他模式地址重叠，但模式不同，因此寄存器内容并不冲突，共2组计10个寄存器；R13～R14除了用户模式和系统模式分别为堆栈指针（StackPointer，SP）和程序链接寄存器（LinkRegister，LR）之外，其他模式下均有自己独特的标记方式，是专用于特定模式的寄存器，共6组计12个；另外还有作为PC的R15，这样通用寄存器共31个。所有通用寄存器均为32位结构。2）状态寄存器状态寄存器共6个，除了共用的CPSR外还有分组的SPSR（5组共5个）。程序状态寄存器的格式如图2．1所示，其中条件码标志4个（N，Z，C，V），还有Q标志以及8个控制位（I，F，T，M4～M0）。图2．1程序状态寄存器格式

2．Thumb状态下的寄存器组

Thumb状态下的寄存器组是ARM状态下寄存器组的子集。

在正常程序执行过程中，每执行一条ARM指令，PC值加4，每执行一条Thumb指令，PC值加2，程序按顺序正常执行。异常（Exceptions）是指内部或外部事件引起的请求使处理器做出相应处理的事件。当发生异常时，系统执行完当前指令后，跳转到相应的异常处理程序人口执行异常处理，异常处理完，程序返回。

1．ARM异常种类及异常中断向量在ARM体系结构中，异常中断用来处理软中断、未定义指令陷阱、系统复位及外部中断，共有7种不同类型的异常中断及其对应的向量地址，见表2．50

实现异常向量的定位由32位地址空间低端的正常地址范围0x00000000～0x0000001C决定，但有些ARM允许高端地址0xFFFF0000～0xFFFF001C来定位异常向量的地址。2．2．5ARM处理器的异常中断2．异常中断的优先级

7种类型的异常分成6级，优先级由高到低依次是:

（1）复位（RESET）异常；（2）数据访问中止（DABT）异常；（3）快速中断请求（FIQ）异常；（4）外部中断请求（IRQ）异常；（5）指令预取中止（FABT）异常；（6）软件中断（SWI）异常和未定义的指令（UND）异常最低优先级。复位异常的优先级最高，因此任何情况下，只要进入复位状态，系统无条件地将PC指向0x00000000处，去执行系统第一条指令。通常此处放一条无条件的转移指令，转移到系统初始化程序处。

1）解析程序的概念和作用

ARM处理器响应中断的时候，总是从固定的地址开始的，而在高级语言环境下开发中断服务程序时，无法控制固定地址开始跳转流程。为了使得上层应用程序与硬件中断跳转联系起来，需要编写一段中间的服务程序来进行连接。这样的服务程序常被称作中断解析程序。常用的中断跳转流程，如图2．2所示。图2．2中断跳转流程2）解析过程示例图2．3中断解析示例流程3）解析程序的扩展图2．4中断解析的扩展4）向量中断的处理图2．5向量中断解析流程示例4．从异常处理程序中返回复位异常发生后，由于系统自动从0x00000000开始重新执行程序，因此复位异常处理程序执行完后无须返回。其他所有异常处理完后必须返回到原来程序处向下执行，为达到这一目的，需要执行以下操作:（1）恢复原来被保护的用户寄存器。（2）将SPSR_mode寄存器值复制到CPSR中，使得CPSR从相应的SPSR中恢复，以恢复被中断的程序工作状态。（3）根据异常类型将PC值恢复成断点地址，以执行用户原来运行着的程序。（4）清除CPSR中的中断禁止标志I和F，开放外部中断和快速中断。

不同模式返回用的指令有所不同，下面简要介绍几种异常程序的返回方法。（1）FIQ（FastInterruptRequest），即快速中断异常，是为了支持数据传输或者通道处理而设计的。在ARM状态下，系统有足够的寄存器，从而可以保障对寄存器保存的需求。若将CPSR的F位设置为1，则会禁止FIQ中断，若将CPSR的F位清零，处理器会在指令执行时检查FIQ的输入。注意只有在特权模式下才能改变F位的状态。可由外部通过对处理器上的nFIQ引脚输入低电平产生FIQ。不管是在ARM状态还是在Thumb状态下进入FIQ模式，FIQ处理程序均会执行以下指令从FIQ模式返回:SUBSPC，R14_fiq，#4

该指令将寄存器R14_fiq的值减去4后，复制到程序计数器（PC）中，从而实现从异常处理程序中的返回，同时将SPSR_mode寄存器的内容复制到当前程序状态寄存器（CPSR）中。

（2）IRQ（InterruptRequest）异常属于正常的中断请求，可通过对处理器的nIRQ引脚输入低电平产生。IRQ的优先级低于FIQ，当程序执行进入FIQ异常时，IRQ可能被屏蔽。若将CPSR的I位设置为1，则会禁止IRQ中断，若将CPSR的I位清零，处理器会在指令执行完之前检查IRQ的输入。注意只有在特权模式下才能改变I位的状态。不管是在ARM状态还是在Thumb状态下进入IRQ模式，IRQ处理程序均会执行以下指令从IRQ模式返回:SUBSPC，R14_irq，#4

该指令将寄存器R14_irq的值减去4后，复制到程序计数器（PC）中，从而实现从异常处理程序中的返回，同时将SPSR_mode寄存器的内容复制到当前程序状态寄存器（CPSR）中。

（3）ABORT（中止）异常意味着对存储器的访问失败。ARM微处理器在存储器访问周期内检查是否发生中止异常。中止异常包括以下两种类型：指令预取中止，数据中止。当指令预取访问存储器失败时，存储器系统向ARM处理器发出存储器中止（Abort）信号，预取的指令被记为无效。只有当处理器试图执行无效指令时，指令预取中止异常才会发生，如果指令未被执行，如在指令流水线中发生了跳转，则预取指令中止不会发生。若数据中止发生，系统的响应与指令的类型有关。当确定了中止的原因后，无论是在ARM状态还是在Thumb状态，Abort处理程序均会执行以下指令从中止模式返回:SUBSPC，R14_abt，#4；指令预取中止SUBSPC，R14_abt，#8；数据中止该指令恢复PC（从R14_abt）和CPSR（从SPSR_abt）的值，并重新执行中止的指令。

（4）SWI（SoftwareInterrupt）即软件中断，软件中断指令用于进入管理模式，常用于请求执行特定的管理功能。无论是在ARM状态还是在Thumb状态，软件中断处理程序执行以下指令从SWI模式返回:MOVPC，R14_svc

该指令恢复PC（从R14_svc）和CPSR（从SPSR_svc）的值，并返回到SWI的下一条指令。（5）当ARM处理器遇到不能处理的指令时，会产生未定义指令（UndefinedInstruc­tion）异常。采用这种机制，可以通过软件仿真扩展ARM或Thumb指令集。无论是在ARM状态还是在Thumb状态，在仿真未定义指令后，处理器执行以下程序返回:MOVSPC，R14_und

该指令恢复PC（从R14_und）和CPSR（从SPSR_und）的值，并返回到未定义指令后的下一条指令。

如一个32位字0x12345678，存放的起始地址为0x00040000，则大端格式下0x00040000单元存放0x12，0x00040001单元存放0x34，0x00040002单元存放0x56，而0x00040003单元存放0x78。1．ARM存储字数据的格式

1）大端格式在大端格式中，32位字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中，见表2．6。2．2．6ARM的存储器格式及数据类型

如同样是一个32位字0x12345678，存放的起始地址为0x00040000，则小端格式下0x00040000单元存放0x78，0x00040001单元存放0x56，0x00040002单元存放0x34，而0x00040003单元存放0x12。2）小端格式在小端格式中，32位字数据的高字节存放在高地址中，而低字节存放在低地址中。2．ARM微处理器数据类型

ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）3种数据类型，其中字需要4字节对齐（地址的低两位为0）、半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）。每一种又支持有符号数和无符号数，因此认为共有6种数据类型。

ARM微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为16位（在Thumb状态下）。如果是ARM指令，则必须固定长度，使用32位指令，且必须以字为边界对齐；如果是Thumb指令，则指令长度为16位，必须以2字节为对齐。必须指出的是，除了数据传送指令支持较短的字节和半字的数据类型外，在ARM内部所有的操作都是面向32位操作数的。当从储存器调用一个字节或半字时，根据指令对数据的操作类型，将其无符号或有符合的符合自动扩展成32位，进而作为32位数据在内部进行处理。

所谓流水线电路，就是将一个电路系统或电路系统的大的数据处理电路模块分成几个小的数据处理电路模块，并且沿着数据通路引入流水锁存器，这样就可以减小有效关键路径，从而提高系统的时钟速度或采样速度，或者可以在同样的速度下降低功耗。而电路中的关键路径，是指数据流图DFG中具有零延时的所有路径中，具有最长运算时间的路径。一个流水线电路系统的速度（或时钟周期），由任意两个锁存器间、或一个输入与一个锁存器间、或一个锁存器和一个输出间、或输入与输出之间路径中最长的路径限定。而这个最长的路径或“关键路径”可以通过在电路系统中适当的插入流水线锁存器来减小。2．3ARM流水线技术2．3．1流水线电路设计基础知识

在一个M级流水线系统中，从输入到输出的任一路径上的延时元件数目是（M-1），它要大于在原始时序电路中同一路径上的延时元件数。若要使电路正常工作，相邻的两个寄存器之间路径的时延应小于寄存器的时钟信号CLK的周期Tclk，亦即流水线锁存器的时钟周期Tclk应大于所有功能部件中的最长执行时间。同时要使流水线电路正常工作，并且系统处理速度尽可能快，流水线数据通路上的各个功能部件的执行时间因尽可能均衡。【例2．1】分别设计一个无流水线和有流水线的三阶有限冲激响应（FIR）数字滤波器的实现电路，并分析各自电路系统的速度（或时钟周期）。考虑三阶有限冲激响应（FIR）数字滤波器其框图实现如图2.6,流水线实现是通过引入两个附加锁存器而得到的，如图2.7所示。

图2.7三阶流水线FIR滤波器图2.6三阶FIR滤波器2．3．2微处理器指令流水线处理2．3．3ARM的3级指令流水线

由于ARM7本身的局限性，不可能同时访问程序存储器和数据存储器，因此指令流水线出现间断现象在多周期操作下不可避免的。这就要求合适的存储结构，ARM9TDMI使用了程序存储器和数据存储器分开独立编址的哈佛结构，并采用5级指令流水线，即取指、译码、执指、缓冲及写回。5级流水线的操作如图2．14所示。2．3．4ARM的5级指令流水线ARM体系结构目前被公认为业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。ARM处理器内核当前有6个系列产品，即ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCORE以及ARM11系列。另外还有IntelXscale微体系结构和StrongARM结构。在高性能的32位嵌入式片上系统设计中，几乎都是以ARM作为处理器核。ARM核已经是现在嵌入式SOC系统芯片的核心，也是现代嵌入式系统发展的方向。ARM处理器核作为基本处理单元，根据发展需求还集成了与处理器核密切相关的功能模块，这些基于微处理器核并集成这些IP核的标准配置的ARM核都具有基本处理器的配置，这些内核称为处理器核。ARM核与其它部件组合在一起才能构成实际的芯片。2．4ARM处理器内核结构2．4．1ARM处理器内核概述图2．15ARM核的命名规则及含义ARM7TDMI是ARM7系列成员中应用最为广泛的32位高性能嵌入式RISC处理器内核，其指令系统有32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。ARM7TDMI使用3级指令流水线技术，对存储器的访问采用单一32位数据总线传送指令和数据。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据可以是8位（字节），16位（半字）和32位〔字），字必须以4字节（32位）为边界对齐，半字必须以2字节（16位）为边界对齐。ARM7TDM工采用32位寻址空间、32位移位寄存器和32位ALU以及32位存储器传送。

1．ARM7TDMI的特点（1）采用ARM体系结构版本4T，支持64位乘法、半字、有符号字节存取；（2）支持Thumb指令集，可降低系统开销；（3）采用32×8DSP乘法器；（4）具有32位寻址空间——4GB线性地址空间；（5）包含了嵌入式在线仿真器模块，以支持嵌入式系统调试；（6）JTAG控制逻辑被认为是处理器核的一部分。2．4．2ARM7TDMI处理器内核2．ARM7TDMI处理器内核结构及功能图2．16ARM7TDMI处理器核内部结构图2．17ARM7TDMI内核的主处理器逻辑结构ARM主处理器逻辑用于对调试硬件的支持，嵌入式宏单元是用于产生调试异常（如断点异常等）的寄存器和比较器的集合，嵌入式ICETAP控制器用JTAG串行接口逻辑控制扫描链的动作，预定目标调试。

ARM7TDMI内核的主处理器逻辑结构如图2．17所示。主处理器逻辑由地址寄存器、地址增量器、寄存器组、乘法器、桶形移位器、ALU、写数据寄存器、指令流水线读数据寄存器/Thumb指令译码器以及指令译码和控制逻辑、扫描调试控制部件构成。其中地址寄存器连接32条地址线A31~A0，地址锁存允许信号（ALE）及地址总线允许信号（ABE），读写数据寄存器连接32位数据线D31~D0，指令译码和控制逻辑连接其它信号线。图2．18所示为ARM7TDMI处理器核功能框图，从中可以看出，ARM7TDMI处理器核分成若干功能模块，包括时钟、中断、总线控制、调试、存储器接口及协处理器接口等。下面将介绍存储器接口及调试接口等。图2．18ARM7TDMI处理器核功能框图ARM7TDMI采用冯．诺依曼结构，因此对存储器的控制没有专门的存储管理单元，存储器采用简单而直接的地址方式来表示实际的物理地址，没有进行段或页的转换。

1．总线接口信号

ARM7TMDI的总线接口信号包括时钟与时钟控制信号、地址类信号、存储器请求信号、数据时序信号4大类。

1）时钟和时钟控制类信号（1）MCLK为主时钟输人信号。（2）nWAIT