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1、嵌入式系统全册配套最完整嵌入式系统全册配套最完整 精品课件精品课件 嵌入式系统技术嵌入式系统技术 2021-8-303 今日授课内容 o 第一部分：第一部分：教学安排和要求教学安排和要求 o 第二部分：嵌入式系统概述第二部分：嵌入式系统概述 2021-8-304 课程特点课程特点 本课程以本课程以ARM9微处理器微处理器S3C2410A为应用实例，介绍嵌为应用实例，介绍嵌 入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特 点：点： 1、理论与实践相结合、理论与实践相结合 2、软硬件结合、软硬件结合 3、注重学以致用、工程动手能力的培养。、注重

2、学以致用、工程动手能力的培养。 2021-8-305 教学内容教学内容 嵌入式系统技术嵌入式系统技术是本专业是本专业核心课程核心课程，教学内容包括：，教学内容包括： 嵌入式系统概论；嵌入式系统概论； ARM体系结构；体系结构； 嵌入式系统存储器结构与接口；嵌入式系统存储器结构与接口； 嵌入式系统输入输出接口技术；嵌入式系统输入输出接口技术； 嵌入式系统总线与通信接口；嵌入式系统总线与通信接口； 嵌入式操作系统介绍；嵌入式操作系统介绍； 嵌入式系统设计与开发；嵌入式系统设计与开发； 嵌入式系统应用实例分析。嵌入式系统应用实例分析。 2021-8-306 先修基础知识先修基础知识 模拟电路模拟电路

3、 数字电路数字电路 计算机硬件基础计算机硬件基础 微机原理与接口技术微机原理与接口技术 计算机操作系统计算机操作系统 C语言程序设计等语言程序设计等 2021-8-307 教材与参考书教材与参考书 o 黄智伟等黄智伟等, ARM9嵌入式系统设计基础教程嵌入式系统设计基础教程. 北京航空航天北京航空航天 大学出版社大学出版社 o 王志英等王志英等,嵌入式系统原理与设计嵌入式系统原理与设计. 高等教育出版社高等教育出版社 o 杨刚等杨刚等, 嵌入式系统设计与实践嵌入式系统设计与实践. 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 o 符意德符意德, 嵌入式系统设计原理及应用嵌入式系统设计原理及应用

4、. 清华大学出版社清华大学出版社 o 2021-8-308 教学目标（期望）教学目标（期望） 掌握掌握嵌入式系统设计的基本原理、基本方法嵌入式系统设计的基本原理、基本方法； 熟悉熟悉ARM微处理器体系结构，掌握一套主流的开发工具微处理器体系结构，掌握一套主流的开发工具 及其开发方法及其开发方法； 具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力； 为进一步研究和处理实际工程问题打下基础为进一步研究和处理实际工程问题打下基础。 2021-8-309 考核方式考核方式 课堂表现课堂表现占总成绩占总成绩10 教学实验教学实验占总成绩占总成绩30 闭卷考试闭卷考试占总成

5、绩占总成绩60 上课时间：上课时间： 单周单周2下午下午5、6节节 周周4下午下午5、6节节 实验时间和地点待定。实验时间和地点待定。 2021-8-3010 今日授课内容 o 第一部分：第一部分：教学安排和要求教学安排和要求 o 第二部分：嵌入式系统概述第二部分：嵌入式系统概述 2021-8-3011 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？ 2021-8-3012 生活中的嵌入式系统生活中的嵌入式系统 2021-8-3013 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 o IEEE:“Device used to control，monitor，or assist the

6、operation of equipment，machinery or plants”. o 从技术的角度定义：以从技术的角度定义：以应用应用为中心、以为中心、以计算机技术计算机技术为基础、为基础、 软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的体积、功耗严格要求的专用计算机系统专用计算机系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技 术与各个行业的具体应用相结合后的产物。术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 2021-8-3014 嵌入式系统示例嵌入式系统

7、示例 汽车控制系统 2021-8-3015 马达 控制器 车灯 嵌入式系统示例嵌入式系统示例 汽车控制系统 尾灯控制 系统 后车门控 制系统前车门控 制系统 座椅控制 系统 发动器控 制系统 所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统 2021-8-3016 即使远在火星即使远在火星 火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的 “兄弟”，在2003年8月27日这一天，迎来 6万年来“最亲密的接触”，火星距离地球 最近达到55756622(5千多万)公里。 面对6万年才有一次的 机会，科学家们积极行 动起来从6月开 始，先后有欧洲的“火 星快车”、美国“勇气 号”和“机遇号”等三 颗火星探测器飞往

8、火星， 而日本一颗本已在太空 “迷失方向”的火星探 测器也在关键时刻及时 “醒”来，开始了久违 的火星之旅。 “勇气号”火星探测器 2021-8-3017 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 o 嵌入式系统一般由嵌入式嵌入式系统一般由嵌入式 硬件和软件组成硬件和软件组成 o 硬件系统一般由嵌入式微硬件系统一般由嵌入式微 处理器、存储器和输入处理器、存储器和输入 输出部分组成，其中嵌入输出部分组成，其中嵌入 式微处理器是嵌入式硬件式微处理器是嵌入式硬件 系统的核心。系统的核心。 o 软件包括：初始化代码及软件包括：初始化代码及 驱动、嵌入式操作系统和驱动、嵌入式操作系统和 应用程序等，这些软件有应

9、用程序等，这些软件有 机地结合在一起，形成系机地结合在一起，形成系 统特定的一体化软件。统特定的一体化软件。 2021-8-3018 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类用途用途 o 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Micro Controller Unit,MCU) o 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU) o 嵌入式嵌入式DSP(Digital Signal Processor) o 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip) 2021-8-3019 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称，它是将整个计算机系统集成 到一

10、块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内 核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻 辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输 出、A/D、等各种必要功能和外设。 嵌入式处理器的字长宽度可分为4位、8位、16位、32位 和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器 （Embedded Micro Controller ） 特点特点：单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高； 缺点缺点：MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处 理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困 难，运行操作系统就更难。 2021-8-3020 嵌

11、入式微控制器嵌入式微控制器 o 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的 通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS- 96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、 68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约 70的市场份额。 复位 部件 看门狗 部件 晶振 部件 I/O 部件 中断 部件 ROM 部件 SRAM 部件 定时器 部件 CPU核 2021-8-3021 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit， EMPU）由通用计算机中的CPU发展而来，嵌入式

12、微处理 器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，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特 殊要求。同时，其在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面一般都做了各种增强。 优点：优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高； 缺点：缺点：片内周片电路不足，必须配备ROM，RAM，总线接 口，各种外设接口等； 2021-8-3022 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 o 嵌入式微处理器把嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及及I/O等做等做 到同一个芯片上。到同一个芯片上。32位微处理器采用位微处理器采用32位的地址位的地址 和数据总线，其地址空间达到了和数据总线，其地址空间达到了232

13、4GB。目前。目前 主流的主流的32位嵌入式微处理器系列主要有：位嵌入式微处理器系列主要有： n ARM系列系列 n MIPS系列系列 n PowerPC系列等。 2021-8-3023 ARM系列系列 o ARM（Advanced RISC Machine）公司的公司的ARM微处理器微处理器 体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入位嵌入 式式RISC微处理器结构。微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了体系结构目前发展并定义了7 种不同的版本。从版本种不同的版本。从版本1到版本到版本7，ARM体系的指令集功能体系的指令集功能 不断扩

14、大。不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现处理器系列中的各种处理器，虽然在实现 技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的 ARM体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。 o 目前，目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒和机顶盒 等都已采用了等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM 的授权用户，如的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST 等公司。等公司。 2021-8

15、-3024 MIPS系列系列 o 美国斯坦福大学的美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的教授领导的研究小组研制的 MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无互锁流水级的微处理器，无互锁流水级的微处理器）是世界上很流行的一是世界上很流行的一 种种RISC处理器，其机制是处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中尽量利用软件办法避免流水线中 的数据相关问题的数据相关问题。 o 从从20世纪世纪80年代初期年代初期MIPS处理器发明到现在，处理器发明到现在，MIPS处理处理 器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接

16、入、路由器、器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、 调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、DVD播播 放等广泛的领域。放等广泛的领域。 o 和和ARM公司一样，公司一样，MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动公司本身并不从事芯片的生产活动 （只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必 须得到须得到MIPS公司的许可。公司的许可。 2021-8-3025 PowerPC o PowerPC是是Freescale（原（原Motorola）公司的产品。）公司的产品。 PowerPC

17、 RISC处理器采用了处理器采用了超标量处理器设计超标量处理器设计和和调整内调整内 存缓冲器存缓冲器，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的 指令数比指令数比CISC处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。 o PowerPC内核内核采用独特分支处理单元采用独特分支处理单元可以让指令预取效率可以让指令预取效率 大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响 到其运算单元的运算效率。到其运算单元的运算效率。PowerPC RISC处理器设计了处理器设计了 多级

18、内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被 访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。 2021-8-3026 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器 o DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部处理器是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部 采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬 件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用指令，可用 来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最来快速地

19、实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最 快的快的CPU还快还快1050倍。在数字滤波、倍。在数字滤波、FFT、谱分析等各、谱分析等各 种仪器上种仪器上DSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。 o 1982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解芯片。在语音合成和编码解 码器中得到了广泛应用。码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应的运算速度进一步提高，应 用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 2021-8-3027 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器 o 有代表性的产品是有代表性的产品是Texas

20、Instruments的的TMS320系列和系列和 Motorola的的DSP56000系列。系列。 o TMS320系列处理器包括用于控制的系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通系列，移动通 信的信的C5000系列，以及性能更高的系列，以及性能更高的C6000和和C8000系列。系列。 o Motorola公司的公司的DSP56000已经发展成为已经发展成为DSP56000， DSP56100,DSP56200和和DSP56300等几个不同系列的等几个不同系列的 处理器。处理器。 2021-8-3028 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC) o SoC就是就是System on C

21、hip，SoC是一种基于是一种基于IP （Intellectual Property）核嵌入式系统设计技术。核嵌入式系统设计技术。 o 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加或是其他的微处理器核心，加 上通信的接口单元，例如通用串行端口（上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、）、TCP/IP 通信单元、通信单元、GPRS通信接口、通信接口、GSM通信接口、通信接口、IEEE1394、 蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是

22、依照各单元的功能 做成一个个独立的处理芯片。做成一个个独立的处理芯片。 o SOC可以分为通用和专用两类。可以分为通用和专用两类。 n通用系列包括通用系列包括Infineon(Siemens)的的TriCore，Motorola的的 M-Core，Echelon和和Motorola联合研制的联合研制的Neuron芯片等。芯片等。 n专用专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是 Philips的的Smart XA 2021-8-3029 SOC体系结构体系结构 SOC芯片已在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应 用领域中广泛应用。 202

23、1-8-3030 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 随着社会经济的发展和科学技术的进步，嵌入式系统在消随着社会经济的发展和科学技术的进步，嵌入式系统在消 费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都得到广费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都得到广 泛应用。泛应用。 2021-8-3031 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 o 家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、 存储设备的核心。存储设备的核心。 2021-8-3032 嵌入式视频服务器嵌入式视频服务器 2021-8-3033 现代化家庭现代化家庭 2021-8-3034

24、嵌入式嵌入式Internet应用应用 2021-8-3035 智能玩具与机器人智能玩具与机器人 2021-8-3036 嵌入式技术应用嵌入式技术应用工业控制工业控制 o 工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技 术升级的重要基础术升级的重要基础 2021-8-3037 军事侦察军事侦察 阿富汗参加反恐作战的 “赫耳墨斯”价值4万美元， 可携带2架摄像机，发挥了 很好作用。 2021-8-3038 反恐防暴反恐防暴 2002年11月28 日，以色列一 选举投票点， 发生枪击事件， 造成至少7人 死亡，数十人 受伤。以警方 用机器人在检

25、查一具巴勒斯 坦枪手的尸体。 2021-8-3039 空中飞行器空中飞行器 微型飞行器-“黑寡妇” 2021-8-3040 基于基于RTLinux的仿人机器人的仿人机器人 2021-8-3041 基于基于VXworks的火星探路者的火星探路者 2021-8-3042 基于基于OMAP5912的智能手持设备方案的智能手持设备方案 2021-8-3043 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 1.系统内核小：系统内核小： 嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此 内核较传统的操作系统要小得多；内核较传统的操作系统要小得多； 2.专用性强：

26、专用性强： 软、硬件按对象要求裁剪，两者结合紧密；软、硬件按对象要求裁剪，两者结合紧密； 软件的编译下载与系统相结合，软件的编译下载与系统相结合，“通用通用”、“升级升级”的概念的概念 一般不适用；一般不适用； 3.系统精简：系统精简： n没有系统软件和应用软件的区分没有系统软件和应用软件的区分 2021-8-3044 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 4.嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统开发需要开发工具和环境 用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境；用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境； 开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种辅助开发工具一般基于通用

27、计算机上的软硬件设备以及各种辅助 仪器；仪器； 主机：用于程序的开发；主机：用于程序的开发； 目标机：最后的执行机；目标机：最后的执行机； 开发是交替式的。开发是交替式的。 2021-8-3045 嵌入式系统开发特点嵌入式系统开发特点 o 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产 品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有 一套专门的开发环境。一套专门的开发环境。 o 该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、 测试

28、等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境 如图所示。如图所示。 2021-8-3046 嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史 o 从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的 广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到20世纪世纪60年代中年代中 期，例如阿波罗飞船的导航控制系统期，例如阿波罗飞船的导航控制系统AGC（Apollo Guidance Computer）。嵌入式系统的发展历程，大致。嵌入式系统的发展历程，大致 经历了以下经历了以下4个阶

29、段。个阶段。 n（1）无操作系统阶段）无操作系统阶段 n（2）简单操作系统阶段）简单操作系统阶段 n（3）实时操作系统阶段）实时操作系统阶段 n（4）面向）面向Internet阶段阶段 2021-8-3047 无操作系统阶段无操作系统阶段 o 单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控 制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些 单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能， 一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。由单

30、一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。由单 片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，在工业片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，在工业 控制领域中得到了非常广泛的应用。控制领域中得到了非常广泛的应用。 返回返回 2021-8-3048 简单操作系统阶段简单操作系统阶段 o 20世纪世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入 式式CPU（如（如Power PC等），芯片上集成有微处理器、等），芯片上集成有微处理器、I/O 接口、串行接口及接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向等部件，面向I/O设计的微设计的微 控制器在嵌入式

31、系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系 统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一 些简单的些简单的“操作系统操作系统”开发嵌入式应用软件。此时的嵌入开发嵌入式应用软件。此时的嵌入 式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼 容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期， 提高了开发效率。提高了开发效率。 返回返回 2021-8-3049 实时操作系统阶段实时操作系统阶段 o

32、 20世纪世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和 信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着 硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩 大，实时多任务操作系统（大，实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）逐渐形成，系统能够运行在各种不同类）逐渐形成，系统能够运行在各种不同类 型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多 任务、

33、网络、图形用户界面（任务、网络、图形用户界面（Graphic User Interface， GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口）等功能，并提供了大量的应用程序接口 （Application Programming Interface，API），从而），从而 使应用软件的开发变得更加简单。使应用软件的开发变得更加简单。 返回返回 2021-8-3050 面向面向Internet阶段阶段 o 进入进入21世纪，世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等技术与信息家电、工业控制技术等 的结合日益紧密，嵌入式技术与的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在技术的结合

34、正在 推动着嵌入式系统的飞速发展。推动着嵌入式系统的飞速发展。 2021-8-30 补充内容：相关基本知识补充内容：相关基本知识 1.冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构 冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构 特点：特点： 数据和指令都存储在同一存数据和指令都存储在同一存 储器中。储器中。 通用通用PC， ARM 7。 2021-8-30 哈佛体系结构哈佛体系结构 特点：特点： 1. 数据存储器和程序都数据存储器和程序都 存储分开；存储分开； 2. 数据存储器的带宽较数据存储器的带宽较 宽；宽； DSP、ARM9 哈佛体系结构哈佛体系结构 2021-8-30 CISC 而T

35、humb 指令集具有较高的代码密度，却仍然保持ARM的大多 数性能上的优势，它是ARM指令集的子集。所有的 ARM指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有 一条指令具备条件执行功能。ARM程序和Thumb程序 可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。 2021-8-30169 ARM指令系统指令系统 o ARM指令集与指令集与Thumb指令集的关系指令集的关系 Thumb指令集 具有灵活、小 巧的特点 ARM指令集支持 ARM核所有的特 性，具有高效、 快速的特点 2021-8-30170 内容提要内容提要 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 指令集介绍指令集介绍 2021-8-30

36、171 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类 寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来实 现寻找真实操作数地址的方式。ARM处理器具有9 种基本寻址方式。 1.寄存器寻址；2.立即寻址； 3.寄存器移位寻址；4.寄存器间接寻址； 5.基址寻址；6.多寄存器寻址； 7.堆栈寻址；8.块拷贝寻址； 9.相对寻址。 2021-8-30172 操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段指出的是 寄存器编号，指令执行时直接取出寄存器值来操作。寄存器 寻址指令举例如下： MOV R1,R2 ;将R2的值存入R1 SUB R0,R1,R2 ;将R1的值减去R2的值，结果保存到R0 0

37、 xAA 0 x55 R2 R1 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类寄存器寻址寄存器寻址 MOV R1,R2 0 xAA 2021-8-30173 立即寻址指令中的操作码字段后面的地址码部分即是 操作数本身，也就是说，数据就包含在指令当中，取出指 令也就取出了可以立即使用的操作数(这样的数称为立即数)。 立即寻址指令举例如下： SUBSR0,R0,#1 ;R0减1，结果放入R0，并且影响标志位 MOVR0,#0 xFF000 ;将立即数0 xFF000装入R0寄存器 0 x55R0 MOV R0,#0 xFF00 程序存储 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o

38、寻址方式分类寻址方式分类立即寻址立即寻址 MOV R0,#0 xFF00 0 xFF00 从代码中获得数据 2021-8-30174 寄存器移位寻址是ARM指令集特有的寻址方式。当第2 个操作数是寄存器移位方式时，第2个寄存器操作数在与第1 个操作数结合之前，选择进行移位操作。寄存器移位寻址指 令举例如下： MOVR0,R2,LSL #3 ;R2的值左移3位，结果放入R0，即是R0=R28 ANDSR1,R1,R2,LSL R3 ;R2的值左移R3位，然后和R1相“与” ，放入 R1 0 x55R0 R20 x01 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类寄存器移位寻址

39、寄存器移位寻址 MOV R0,R2,LSL #3 0 x08 0 x08 逻辑左移3位 2021-8-30175 寄存器间接寻址指令中的地址码给出的是一个通用寄存器 的编号，所需的操作数保存在寄存器指定地址的存储单元中， 即寄存器为操作数的地址指针。寄存器间接寻址指令举例如下： LDR R1,R2;将R2指向的存储单元的数据读出保存在R1中 SWP R1,R1,R2;将寄存器R1的值和R2指定的存储单元的内容交换 0 x55R0 R2 0 x40000000 0 xAA0 x40000000 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类寄存器间接寻址寄存器间接寻址 LDR

40、R1,R2 0 xAA 2021-8-30176 基址寻址就是将基址寄存器的内容与指令中给出的偏移 量相加，形成操作数的有效地址。基址寻址用于访问基址附 近的存储单元，常用于查表、数组操作、功能部件寄存器访 问等。基址寻址指令举例如下： LDRR2,R3,#0 x0C ;读取R3+0 x0C地址上的存储单元的内容，放入R2 STRR1,R0,#-4! ;先R0=R0-4，然后把R1的值寄存到保存到R0指定 的存储单元 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类基址寻址基址寻址 0 x55R2 R3 0 x40000000 0 xAA0 x4000000C LDR R2,R

41、3,#0 x0C 0 xAA 将R3+0 x0C作 为地址装载数 据 2021-8-30177 多寄存器寻址一次可传送几个寄存器值，允许一条指令 传送16个寄存器的任何子集或所有寄存器。多寄存器寻址指 令举例如下： LDMIAR1!,R2-R7,R12 ;将R1指向的单元中的数据读出到 ;R2R7、R12中(R1自动加1) STMIAR0!,R2-R7,R12 ;将寄存器R2R7、R12的值保 ;存到R0指向的存储; 单元中 ;(R0自动加1) 0 x40000000R1 R20 x?0 x010 x40000000 0 x?R3 R40 x? R60 x? 0 x02 0 x03 0 x04

42、 0 x40000004 0 x40000008 0 x4000000C 存储器 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类多寄存器寻址多寄存器寻址 LDR R1!,R2-R4,R6 0 x01 0 x02 0 x03 0 x04 0 x40000010 2021-8-30178 堆栈是一个按特定顺序进行存取的存储区，操作顺 序为“后进先出” 。堆栈寻址是隐含的，它使用一个 专门的寄存器(堆栈指针)指向一块存储区域(堆栈)，指 针所指向的存储单元即是堆栈的栈顶。存储器堆栈可分 为两种： 向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈 向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈 A

43、RM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类堆栈寻址堆栈寻址 2021-8-30179 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类堆栈寻址堆栈寻址 栈底 栈顶 栈区 SP 堆栈存 储区 栈顶 栈底 栈区 SP 向下 增长 向上 增长 0 x12345678 0 x12345678 堆栈压栈 堆栈压栈 2021-8-30180 栈顶SP 栈顶SP 栈底 空堆栈 栈底 满堆栈 堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项， 称为满堆栈；堆栈指针指向下一个待压入数据的空 位置，称为空堆栈。 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类堆栈寻址堆栈

44、寻址 0 x12345678 0 x12345678栈顶SP0 x12345678 栈顶SP 压栈压栈 2021-8-30181 所以可以组合出四种类型的堆栈方式： 满递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向内含有效 数据项的最高地址。指令如LDMFA、STMFA等； 空递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向堆栈上的 第一个空位置。指令如LDMEA、STMEA等； 满递减：堆栈向下增长，堆栈指针指向内含有效 数据项的最低地址。指令如LDMFD、STMFD等； 空递减：堆栈向下增长，堆栈指针向堆栈下的第 一个空位置。指令如LDMED、STMED等。 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式

45、分类堆栈寻址堆栈寻址 2021-8-30182 多寄存器传送指令用于将一块数据从存储器的 某一位置拷贝到另一位置。 如： STMIAR0!,R1-R7;将R1R7的数据保存到存储器中。 ;存储指针在保存第一个值之后增加， ;增长方向为向上增长。 STMIBR0!,R1-R7;将R1R7的数据保存到存储器中。 ;存储指针在保存第一个值之前增加， ;增长方向为向上增长。 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类块拷贝寻址块拷贝寻址 2021-8-30183 相对寻址是基址寻址的一种变通。由程序计数 器PC提供基准地址，指令中的地址码字段作为偏移 量，两者相加后得到的地址即为

46、操作数的有效地址。 相对寻址指令举例如下： BLSUBR1;调用到SUBR1子程序 BEQLOOP;条件跳转到LOOP标号处 . LOOPMOVR6,#1 . SUBR1. ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 o 寻址方式分类寻址方式分类相对寻址相对寻址 2021-8-30184 内容提要内容提要 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 指令集介绍指令集介绍 ARM指令集 Thumb指令集 2021-8-30185 o 简单的简单的ARM程序程序 ;文件名：TEST1.S ;功能：实现两个寄存器相加 ;说明：使用ARMulate软件仿真调试 AREAExample1,CODE,READONLY ;

47、声明代码段Example1 ENTRY ;标识程序入口 CODE32 ;声明32位ARM指令 START MOVR0,#0 ;设置参数 MOVR1,#10 LOOPBLADD_SUB ;调用子程序ADD_SUB BLOOP ;跳转到LOOP ADD_SUB ADDSR0,R0,R1 ;R0 = R0 + R1 MOVPC,LR ;子程序返回 END ;文件结束 使用“；”进行注释 标号顶格写 实际代码段 声明文件结束 2021-8-30186 o 简单的简单的ARM程序程序 ;文件名：TEST1.S ;功能：实现两个寄存器相加 ;说明：使用ARMulate软件仿真调试 AREAExample1

48、,CODE,READONLY ;声明代码段Example1 ENTRY ;标识程序入口 CODE32 ;声明32位ARM指令 START MOVR0,#0 ;设置参数 MOVR1,#10 LOOPBLADD_SUB ;调用子程序ADD_SUB BLOOP ;跳转到LOOP ADD_SUB ADDSR0,R0,R1 ;R0 = R0 + R1 MOVPC,LR ;子程序返回 END ;文件结束 2021-8-30187 内容提要内容提要 ARM处理器寻址方式处理器寻址方式 指令集介绍指令集介绍 ARM指令集 Thumb指令集 2021-8-30188 ARM指令集 o 1.指令格式 o 2.条件

49、码 o 3.存储器访问指令 o 4.数据处理指令 o 5.乘法指令 o 6.ARM分支指令 o 7.协处理器指令 o 8.杂项指令 o 9.伪指令 2021-8-30189 ARM指令集 o 1.指令格式 o 2.条件码 o 3.存储器访问指令 o 4.数据处理指令 o 5.乘法指令 o 6.ARM分支指令 o 7.协处理器指令 o 8.杂项指令 o 9.伪指令 2021-8-30190 ARM指令的基本格式如下： 指令集介绍指令集介绍 o ARM指令集指令集指令格式指令格式 S , 其中号内的项是必须的，号内的项是可选的。 各项的说明如下： opcode：指令助记符；cond：执行条件； S

50、：是否影响CPSR寄存器的值； Rd：目标寄存器； Rn：第1个操作数的寄存器； operand2：第2个操作数； 2021-8-30191 ARM指令的基本格式如下： 指令集介绍指令集介绍 o ARM指令集指令集第第2个操作数个操作数 S , 灵活的使用第2个操作数“operand2”能够提高代码 效率。它有如下的形式： #immed_8r常数表达式； Rm寄存器方式； Rm,shift寄存器移位方式； ADDR1,R1,R1,LSL #3;R1=R1+R1*8=9*R1 ANDR1,R2,#0 x0F SUBR1,R1,R2 2021-8-30192 ARM指令集 o 1.指令格式 o 2