第5章嵌入式系統原理5.1計算機組成原理5.2嵌入式系統概述5.3ARM微處理器5.1計算機組成原理5.1.1計算機系統計算機系統由計算機硬件和軟件兩部分組成。硬件包括中央處理機、存儲器和外部設備等，軟件是計算機的運行程序和相應的文檔。計算機系統具有接收和存儲信息，按程序快速計算和判斷并輸出處理結果等功能，其內核是硬件系統，是進行信息處理的物理裝置。最外層是使用計算機的人，即用戶。人與硬件系統之間的接口界面是軟件系統，它大致可分為系統軟件、支援軟件和應用軟件三層。5.1計算機組成原理5.1計算機組成原理1.硬件硬件系統主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出控制系統和各種外部設備組成。中央處理器是對信息進行高速運算處理的主要部件，其處理速度最高可達每秒幾億次操作。2.軟件軟件系統的最內層是系統軟件，它由操作系統、實用程序、編譯程序等組成：操作系統實施對各種軟硬件資源的管理控制；實用程序是為方便用戶所設，如文本編輯等；編譯程序的功能是把用戶用匯編語言或某種高級語言所編寫的程序，翻譯成機器可執行的機器語言程序。5.1計算機組成原理5.1.2系統總線1.系統總線概述系統總線，又稱內總線或板級總線，是用來連接微機各功能部件來構成完整微機系統的。系統總線上傳送的信息包括數據信息、地址信息、控制信息，因此，系統總線包含有三種不同功能的總線，即數據總線DB（DataBus）、地址總線AB（AddressBus）和控制總線CB（ControlBus）5.1計算機組成原理2.工作原理CPU通過系統總線對存儲器的內容進行讀寫，同樣通過總線，實現將CPU內數據寫入外設，或由外設讀入CPU。3.功能分類（1）數據總線DB。用于傳送數據信息。數據總線是雙向三態形式的總線，既可以把CPU的數據傳送到存儲器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數據傳送到CPU。（2）地址總線AB。是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或輸入輸出端口，所以地址總線總是單向三態的，這與數據總線不同。（3）控制總線CB。用來傳送控制信號和時序信號。5.1計算機組成原理5.1.3CPU1.CPU定義中央處理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一臺計算機的運算核心和控制核心。CPU、內部存儲器和輸入/輸出設備是電子計算機三大核心部件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。2.工作原理CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼。3.基本結構CPU包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件。5.1計算機組成原理（1）運算邏輯部件，可以執行定點或浮點的算術運算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執行地址的運算和轉換。（2）寄存器部件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。（3）控制部件，主要負責對指令譯碼，并且發出為完成每條指令所要執行的各個操作的控制信號。5.1.4存儲系統1.存儲器概述存儲器（Memory）是計算機系統中的記憶設備，用來存放程序和數據。5.1計算機組成原理2.存儲器的構成構成存儲器的存儲介質，目前主要采用半導體器件和磁性材料。存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩態半導體電路或一個CMOS晶體管或磁性材料的存儲元，它可存儲一個二進制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然后再由許多存儲單元組成一個存儲器。存儲器的主要功能是存儲程序和各種數據，并在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數據的存取。3.存儲器用途根據存儲器在計算機系統中所起的作用，可分為主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器、控制存儲器等。5.1計算機組成原理高速緩沖存儲器Cache：高速存取指令和數據存取速度快，但存儲容量小。主存儲器：內存存放計算機運行期間的大量程序和數據，存取速度較快，存儲容量不大。外存儲器：外存存放系統程序和大型數據文件及數據庫，存儲容量大，位成本低。按照與CPU的接近程度，存儲器分為內存儲器與外存儲器，簡稱內存與外存。5.1計算機組成原理4.常用存儲器1）硬盤：硬盤（HardDiscDrive）是電腦主要的存儲媒介之一，由一個或者多個鋁制或者玻璃制的碟片組成。這些碟片外覆蓋有鐵磁性材料。絕大多數硬盤都是固定硬盤，被永久性地密封固定在硬盤驅動器中。2）光盤：光盤以光信息做為存儲物的載體，用來存儲數據，采用聚焦的氫離子激光束處理記錄介質的方法存儲和再生信息。3）U盤：U盤，全稱“USB閃存盤”，英文名“USBflashdisk”。4）ROM：ROM是只讀內存（Read-OnlyMemory）的簡稱，是一種只能讀出事先所存數據的固態半導體存儲器。5）RAM：RAM（隨機存取存儲器）RAM-randomaccessmemory隨機存儲器。5.1計算機組成原理5.1.5輸入/輸出系統1.輸入輸出系統控制方式1）程序查詢方式這種方式通過在程序控制下CPU與外設之間交換數據來實現。程序查詢方式是一種程序直接控制方式,這是主機與外設間進行信息交換的最簡單的方式,輸入和輸出完全是通過CPU執行程序來完成的。這種方式的優點是結構簡單，只需要少量的硬件電路即可，缺點是由于CPU的速度遠遠高于外設，因此通常處于等待狀態，工作效率很低。5.1計算機組成原理2）中斷方式中斷是主機在執行程序過程中，遇到突發事件而中斷程序的正常執行，轉去處理突發事件，待處理完成后返回原程序繼續執行的過程。中斷過程如下：中斷請求，中斷響應，中斷處理和中斷返回。中斷處理方式的優點是顯而易見的，它不但為CPU省去了查詢外設狀態和等待外設就緒所花費的時間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設的實時要求。缺點是對系統的性能要求較高。5.1計算機組成原理3）直接存儲器訪問方式（DMA）DMA方式指高速外設與內存之間直接進行數據交換，不通過CPU并且CPU不參加數據交換的控制。工作過程如下：外設發出DMA請求，CPU響應DMA請求，把總線讓給DMA控制器，在DMA控制器的控制下通過總線實現外設與內存之間的數據交換。見圖5-5。DMA最明顯的一個特點是它不是用軟件而是采用一個專門的控制器來控制內存與外設之間的數據交流，無須CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。5.1計算機組成原理2.輸入輸出設備1)輸入設備常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。（1）鍵盤的分類。（2）鼠標的分類。（3）掃描儀。2）輸出設備常用的輸出設備有顯示器、打印機等。（1）顯示器（2）打印機3）其它輸入輸出設備數碼相機DC，數碼攝像機DV，手寫筆，投影機，掃描儀，繪圖儀等5.1計算機組成原理3.I/O接口1）接口的功能使主機和外設能夠按照各自的形式傳輸信息。2）幾種接口（1）顯示卡：主機與顯示器之間的接口。（2）硬盤接口：IDE接口，EIDE接口，ULTRA接口和SCSI接口等。（3）串行接口：COM端口，也稱串行通信接口。（4）并行接口：是一種打印機并行接口標準。5.2嵌入式系統概述5.2.1嵌入式系統的基本概念1.定義IEEE的定義是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”。從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。國內普遍認同的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用系統對功能，可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。5.2嵌入式系統概述可從幾方面來理解嵌入式系統：（1）嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力，才更具有優勢。（2）嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術，電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。（3）嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。5.2嵌入式系統概述2.歷史20世紀60年代，嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面，嵌入式系統在20世紀60年代就用于電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統”。20世紀70年代出現微處理器。20世紀80年代，總線技術飛速發展，把微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉換、串行接口以及RAM、ROM等部件統統集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，也俗稱單片機。20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進一步加速發展。21世紀進入全面的網絡時代，使嵌入式計算機系統應用到各類網絡中去也必然是嵌入式系統發展的重要方向。5.2嵌入式系統概述3.特點1）內核小。2）專用性強。3）系統精簡。4）高實時性。5）多任務。6）需開發環境。5.2嵌入式系統概述5.2.2嵌入式系統的分類根據嵌入式系統的復雜程度，可以將嵌入式系統分為以下四類：1.單個微處理器2.不帶計時功能的微處理器裝置3.帶計時功能的組件4.在制造或過程控制中使用的計算機系統

5.2嵌入式系統概述5.2.3嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，是控制、輔助系統運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的４位處理器，目前仍在大規模應用的８位單片機，到最新受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。（1）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用計算機中的CPU演變而來的（2）嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)，也稱微控制器，其典型代表是單片機。5.2嵌入式系統概述（3）嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。（4）嵌入式片上系統(SystemOnChip，SoC)最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。5.2.4嵌入式系統的組成作為一個“專用計算機系統”的嵌入式系統由軟件系統和硬件系統兩大部分組成。1．嵌入式系統硬件部分嵌入式系統硬件部分的核心部件就是嵌入式處理器。ARM處理器是一個典型的嵌入式處理器，現在全世界嵌入式處理器的品種已經超過1000多種，流行的體系結構多達30多個。5.2嵌入式系統概述嵌入式系統硬件部分除了嵌入式處理器核心部分外，還包括豐富的外圍接口。也正是基于這些豐富的外圍接口，才帶來嵌入式系統越來越豐富的應用。2．嵌入式系統軟件部分嵌入式系統軟件部分一般是由嵌入式操作系統和應用軟件兩部分組成。嵌入式系統軟件可以分成啟動代碼（BootLoader）、操作系統內核與驅動（Kernel&Driver）、文件系統與應用程序（FileSystem&Application）等幾部分。文件系統則可以讓嵌入式軟件工程師靈活方便地管理系統。應用程序才是真正針對需求的，才有可能是嵌入式軟件工程師完全自主開發的。5.2嵌入式系統概述5.2.5嵌入式系統的應用（1）工業控制。（2）交通管理。（3）信息家電。（4）家庭智能管理系統。（5）POS網絡及電子商務。（6）環境工程與自然。（7）機器人。（8）機電產品方面應用。5.3ARM微處理器5.3.1ARM微處理器概述1.ARM處理器簡介ARM（Advanced

RISC

Machines）是一類嵌入式微處理器，同時也是一個公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英國劍橋，它是一家專門從事16/32位RISC微處理器知識產權設計的供應商。ARM公司從成立至今，在短短幾十年的時間就占據了75%的市場份額，如今，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域。5.3ARM微處理器2.ARM處理器特點（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令執行速度更快；（4）大多數數據操作都在寄存器中完成；（5）尋址方式靈活簡單，執行效率高；（6）指令長度固定。3.應用到目前為止，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域：（1）工業控制領域（2）無線通訊領域（3）應用（4）消費類電子產品（5）成像和安全產品5.3ARM微處理器5.3.2ARM微處理器結構1.體系結構1）CISC（Complex

Instruction

SetComputer，復雜指令集計算機）在CISC指令集的各種指令中，大約有20%的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80%。而余下的80%的指令卻不經常使用，在程序設計中只占20%。2）RISC（Reduced

Instruction

Set

Computer，精簡指令集計算機）RISC結構優先選取使用頻最高的簡單指令，避免復雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯