《嵌入式系统设计师》笔记之二——嵌入式微处理器与接口知识

2.1嵌入式微处理器的结构和类型

2.1.1 嵌入式微处理器的分类  

1、嵌入式硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入/输出部分组成。

2、嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，通常由控制单元、算术逻辑单元和寄存器

A、控制单元：主要负责取指、译码和取数等基本操作并发送主要的控制指令。

B、算术逻辑单元：主要处理数值型数据和进行逻辑运算工作。

C、寄存器：用于暂存临时性的数据。

3、嵌入式微处理器的分类（根据用途）

（1）嵌入式微控制器（MCU）：又称为单片机，片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。最大的特点是单片化，体积小，功耗和成本低，可靠性高。目前约占70%的市场份额。

（2）嵌入式微处理器（EMPU）：又称为单板机，由通用计算机中的CPU发展而来，它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能。通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等模块做到同一个芯片上。

（3）嵌入式DSP处理器（DSP）：专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，使其处理速度比最快的CPU还快10～50倍，在数字滤波、FFT、频谱分析等方面获得了大量的应用。

（4）嵌入式片上系统（SOC）：追求产品系统最大包容的集成器件，其最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合，直接在微处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

2.1.2 典型8位微处理器的结构和特点

寻址方式

1、直接寻址

MOV A,68H 把内部ARM中的68H单元中的数据内容传送到累加器A中。特殊寄存器智能用直接寻址。

2、寄存器寻址

MOV A,R1 把R3的内容送到累加器A中

3、寄存器间接寻址

MOV A,@R0 把寄存器R0只想地址单元中的内容送到累加器A。不能用于访问特殊功能寄存器。

4、立即寻址

MOV A,#0EH  将0EH这个操作数送到累加器A中。

5、変址寻址

MOV A,@A+DPTR 实际访问的地址是@A+DPTR

MOVX A,@A+PC

JMP@A+DPTR 无条件转移指令

A作为偏移量寄存器，DPTR或PC作为変址寄存器，

6、位寻址

7、相对寻址

 

2.1.3 典型16位微处理器的结构和特点

1、单片机组成：中央处理器、存储器、I/O设备。

2、存储器：物理实质是一组或多组具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。

A、ROM（只读存储器）：一般用于存放固定的程序或数据表格等，数据在掉电后仍然会保留下来。

B、RAM（随机存储器）：用于暂存程序和数据、中间计算结果，或用作堆栈用等，数据在掉电后就会丢失。

3、I/O端口：单片机与外界联系的通道，它可以对各类外部信号（开关量、模拟量、频率信号）进行检测、判断、处理，并可控制各类外部设备。 

4、输出电平：高电平电压（输出"1"时）和低电平电压（输出"0"时）

A、TTL电平：正逻辑，5V为逻辑正，0V为逻辑负，例如单片机的输出。

B、RS232电平：负逻辑，－12V为逻辑正，＋12V为逻辑负，例如PC的输出。

注：因此在单片机和PC进行通讯的时候需要一个MAX232芯片进行电平转换。

 

5、堆栈：它是一种线性的数据结构，是一个只有一个进出口的一维空间。

A、堆栈特性：后进先出（LIFO）

B、堆栈指针：用于指示栈顶的位置（地址），当发生压栈或者出栈操作时，导致栈顶位置变化时，堆栈指针会随之变化。

C、堆栈操作：压栈操作（PUSH）和出栈操作（POP）。

D、堆栈类型："向上生长"型堆栈，每次压栈时堆栈指针加1；"向下生长"型堆栈，每次压栈堆栈时指针减1。

E、堆栈应用：调用子程序、响应中断时，堆栈用于保护现场；还可以用作临时数据缓冲区来使用。

F、使用注意：堆栈溢出问题，压栈和出栈的匹配问题。

 

6、定时/计数器：实质都是计数器。用作定时器时是对单片机内部的时钟脉冲进行计数，而在用作计数器时是对单片机外部的输入脉冲进行计数，其作用如下：

A、计时、定时或延时控制；

B、脉冲技术；

C、测量脉冲宽度或频率（捕获功能）

 

7、中断：优先级更高的事件发生，打断优先级低的时间进程。引起中断的事件称为中断源。一个单片机可能支持多个中断源，这些中断源可以分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断，而这些中断源并不都是系统工作所需的，我们可以根据系统需求屏蔽那些不需要的中断源。

A、中断嵌套：当一个低级中断尚未执行完毕，又发生了一个高级优先级的中断，系统转而执行高级中断服务程序，待处理完高级中断后再回过头来执行低级中断服务程序。

B、中断响应时间是指从发出中断请求到进入中断处理所用的时间；中断处理时间是指中断处理开始到中断处理结束的时间。

C、中断响应过程：

a、保护现场：将当前地址、累加器ACC、状态寄存器保存到堆栈中。

b、切换PC指针：根据不同的中断源所产生的中断，切换到相应的入口地址。

c、执行中断服务处理程序。

d、恢复现场：将保存在堆栈中的主程序地址、累加器ACC、状态寄存器恢复。

e、中断返回：从中断处返回到主程序，继续执行。

D、中断入口地址：单片机为每个中断源分配了不同的中断入口地址，也称为中断向量。

 

8、复位：通过外部电路给单片机的复位引进一个复位信号，让系统重新开始运行。

A、复位发生时的动作：

a、PC指针从起始位置开始执行（大多数单片机都时从0x0000处开始执行）。

b、I/O端口设置成缺省状态（高阻态、或者输出低电平）。

c、部分专用控制寄存器SFR恢复到缺省状态。

d、普通RAM不变（如果时上电复位，则是随即数）。

B、两种不同的复位启动方式：

a、冷启动：也叫上电复位，指在断电状态下给系统加电，让系统开始正常运行。

b、热启动：在不断电的状态下，给单片机复位引进一个复位信号，系统重新开始。

C、两种类型的复位电路：高电平复位和低电平复位。

D注意事项：

a、注意复位信号的电平状态及持续时间必须满足系统要求。

b、注意避免复位信号抖动。

 

9、时钟电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲电路才能正常工作。时钟电路相当于单片机的心脏，它的每一次跳动（振动节拍）都控制着单片机的工作节奏。振荡得慢时，系统工作速度就慢，振荡得快时，系统工作速度就快（功耗也增大）。

A、振荡周期：振荡源的振荡节拍。

B、机器周期：单片机完成一个基本操作需要的振荡周期（节拍）。

C、指令周期：执行一条指令需要几个机器周期。不同的指令需要的机器周期数不同。

 

 2.1.4 典型32位处理器的结构和特点

1、ARM：Advanced RISC Machine。

2、ARM体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。

3、ARM内核有T、D、M、I四个功能模块：

A、T模块：表示16位Thumb，可以在兼顾性能的同时减少代码尺寸。

B、D模块：表示Debug，内核中放置了用于调试的结构，通常为一个边界扫描链JTAG。

C、M模块：表示8位乘法器。

D、I模块：，用于实时断点观测及变量观测的逻辑电路部分。

4、ARM处理器有7种运行模式：

A、用户模式（User）：正常程序执行模式，用于应用程序。

B、管理模式（SVE）：供操作系统使用的一种保护模式。

C、系统模式（System）：用于运行特权级的操作系统任务。

D、快速中断模式（FIQ）：快速中断处理，用于高速数据传输和通道处理。

E、外部中断模式（IRQ）：用于断处理。

F、数据访问中止模式（Abort）：用于虚通用的中拟存储及存储保护。

G、未定义指令中止模式（Undefined）：当未定义指令执行时进入该模式。

（1）除了用户模式之外的其他6种处理器模式称为特权模式，在这些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换，其中，除了系统模式外，其他的5种特权模式又称为异常模式。

（2）处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程进行切换。大多数的用户程序运行在用户模式下，这时，应用程序不能访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式切换。当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式的切换。这种体系结构可以使操作系统控制整个系统的资源。

（3）当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式种都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。

（4）系统模式并不是通过异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器，但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换，它主要供操作系统任务使用。

 

5、ARM处理器共有37个寄存器：31个通用寄存器和6个状态寄存器

A、通用寄存器包括R0~R15，可以分为3类：

a、未备份寄存器R0~R7：在所有的处理器模式下，未备份寄存器都是指向同一个物理寄存器。

b、备份寄存器R8~R14：对于R8~R12来说，每个寄存器对于2个不同的物理寄存器，它们每次所访问的物理寄存器都与当前的处理器运行模式有关。对于R13、R14来说，每个寄存器对于6个不同的物理寄存器，其中一个是用户模式和系统模式共用。R13在ARM指令种常用作堆栈指针。由于处理器的每种运行模式都有自己独立的物理寄存器R13，所有在用户应用程序的初始化部分，一般要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空间。R14又称为连接寄存器（LR），在ARM体系种具有下面两种特殊作用：在通过BL或BLX指令调用子程序时，存放当前子程序的返回地址；在异常中断发生时，存放异常模式将要返回的地址。

c、程序计数器R15（PC）。由于ARM采用了流水线机制，在三级流水线中，当正确读取了PC的值时，该值为当前指令地址值加8个字节。也就是说，PC指向当前指令的下两条指令的地址。在ARM指令状态下，PC的0和1位是0，在Thumb指令状态下，PC的0位是0。

B、程序状态寄存器CPSR

31	30	39	28	27-8	7	6	5	4	3	2	1	0
N	Z	C	V	DNM	I	F	T	M4	M3	M2	M1	M0

条件标志

N：负标志

Z：零标志

C：进位标志

V：举出标志

中断标志

I：置1表示禁止IRQ中断响应

F：置1表示禁止FIQ中断响应

T：置1表示执行16bit的Thumb指令，0则32bit的ARM指令

M0-M4模式控制位

a、ARM体系结构包含1个当前程序状态寄存器（CPSR）和5个备份的程序状态寄存器（SPSR），使用MSR和MRS指令来设置和读取这些寄存器。

b、可以在任何处理器模式下被访问。

c、每一种异常处理器模式下都有一个专用的物理状态寄存器。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容，在异常中断程序退出时，可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。

d、由于用户模式和系统模式不属于异常模式，它们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR时，结果是未知的。

6、ARM指令的寻址方

多寄存器寻址：一条指令可以完成多个寄存器值的传送。

相对寻址：

G、堆栈寻址：支持4种类型的堆栈工作方式：

a、满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生长。

b、满递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生长。

c、空递增堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向高地址生长。

d、空递减堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生长。

7、ARM的存储方法

A、大端模式：数据的高字节存储在低地址中，低字节存储在高地址中。

B、小端模式：数据的低字节存储在低地址中，高字节存储在高地址中。

8、ARM中断与异常

A、ARM内核支持7种中断，不同的中断处于不同的处理模式，具有不同的优先级，而且每个中断都有固定的中断地址入口。当一个中断发生是，相应的R14（LR）存储中断返回地址，SPSR存储当前程序状态寄存器CPSR的值。

B、由于ARM内核支持流水线工作，LR寄存器存储的地址可能是发生中断后面指令的地址，所以不同的中断处理完成后，必须将LR寄存器值经过处理后再写入P15（PC）寄存器。

C、ARM异常的具体含义：

复位	处理器的复位电平有效时，产生复位异常
软件中断	执行SWI指令产生，可使用该异常机制实现操作系统调用功能。
外部中断	ARM外部中断请求管脚有效，而且CPSR的I位为0时，
快速中断请求	ARM快速中断请求管脚有效，而且CPSR的F位为0时，
指令预取中止	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，存储器向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时，产生指异常。
未定义的指令	ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生异常。
数据访问中止	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

D、ARM处理器对异常中断的响应过程

a、将下一条指令的地址存入相应的连接寄存器LR中。

b、将CPSR复制到相应的SPSR中。

c、根据异常的类型，强制设置CPSR的运行模式位。

d、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。

E、ARM处理器从异常中断处理程序中返回

a、恢复中断的程序的处理器状态，将SPSR复制到CPSR中。

b、若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。

c、将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC。

F、复位异常中断处理程序不需要返回。在复位异常中断程序开始整个用户程序的执行。

 

9、ARM的数据类型

字Word：在ARM体系结构中，字的长度为32位，而8/16位处理器体系中是16位。

半字Half-Word：在ARM体系结构中，半字长度为16位。

字节Byte：在ARM体系结构中和8/16位处理器体系结构中均为8位。

10、用户采用16位Thumb指令集最大的好处是可以获得更高的代码密度和降低功耗

11、内存和IO地址

a) IO端口的编址方法有两种:IO映射编址和存储器映射编址

b) IO映射编址：IO端口与内存单元分开编址，互不影响。优点IO单元不占用内存空间，易区分IO程序，缺点只用IO指令访问，功能有限，微处理器复杂化，X86多用这个方式。

c) 存储器映射编址：IO单元与内存单元在共享同一地址空间。优点可采用丰富的内存操作指令访问IO单元，无需单独IO地址译码电路，无需专用IO指令；缺点外设占用内存空间，不易区分IO程序，ARM多数采用这个方式。