1. 嵌入式微處理器的基本結(jié)構

(1)嵌入式硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲器和輸入/輸出部分組成。

(2)嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心，通常由控制單元、算術邏輯單元和寄存器3大部分組成：

A、控制單元：主要負責取指、譯碼和取數(shù)等基本操作并發(fā)送主要的控制指令。

B、算術邏輯單元：主要處理數(shù)值型數(shù)據(jù)和進行邏輯運算工作。

C、寄存器：用于暫存臨時性的數(shù)據(jù)。

2. 嵌入式微處理器的分類(根據(jù)用途)

(1)嵌入式微控制器(MCU)：又稱為單片機，片上外設資源一般比較豐富，適合于控制。最大的特點是單片化，體積小，功耗和成本低，可靠性高。目前約占70%的市場份額。

(2)嵌入式微處理器(EMPU)：又稱為單板機，由通用計算機中的 CPU 發(fā)展而來，它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能。通常嵌入式微處理器把 CPU、ROM、RAM 及 I/O 等模塊做到同一個芯片上。

(3)嵌入式 DSP 處理器(DSP)：專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構和指令算法方面進行了特殊設計，使其處理速度比最快的 CPU 還快10～50倍，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面獲得了大量的應用。

(4)嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)：追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，其最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件的無縫結(jié)合，直接在微處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。

3. 典型的微處理器的結(jié)構和特點

(1)8位微處理器：以8051為重點，徹底搞清楚8位單片機的工作原理，外設控制、存儲分布 、尋址方式以及典型應用。

(2)16位微處理器：典型的微處理器可以參考 MSP430，找一本這方面的書看看關于 MSP430的結(jié)構原理以及典型應用。

(3)32位微處理器：32位處理器采用32位的地址和數(shù)據(jù)總線，其地址空間達到了2 32 =4GB 。目前主流的32位嵌入式處理器系統(tǒng)主要有 ARM 系列、MIPS 系列、PoewrPC系列等。ARM 微處理器體系結(jié)構目前被公認為是嵌入式應用領域領先的32位嵌入式 RISC 處理器結(jié)構。按照目前的發(fā)展形式，ARM 幾乎成了嵌入式應用的代名詞。

4、單片機系統(tǒng)的基本概念

(1)單片機組成：中央處理器、存儲器、I/O 設備。

(2) 存儲器：物理實質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入/輸出和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路，用于充當設備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。

A、ROM(只讀存儲器)：一般用于存放固定的程序或數(shù)據(jù)表格等，數(shù)據(jù)在掉電后仍然會保留下來。

B、RAM(隨機存儲器)：用于暫存程序和數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果，或用作堆棧用等，數(shù)據(jù)在掉電后就會丟失。

(3) I/O 端口：單片機與外界聯(lián)系的通道，它可以對各類外部信號(開關量、模擬量、頻率信號)進行檢測、判斷、處理，并可控制各類外部設備。現(xiàn)在的單片機 I/O 口已經(jīng)集成了更多的特性和功能，對 I/O端口的功能進行了拓展和復用，例如外部中斷、ADC 檢測以及 PWM 輸出等等。

(4)輸出電平：高電平電壓(輸出“1”時)和低電平電壓(輸出“0”時)

A、TTL 電平：正邏輯，5V 為邏輯正，0V 為邏輯負，例如單片機的輸出。

B、RS232電平：負邏輯，-12V 為邏輯正，+12V 為邏輯負，例如 PC 的輸出。

注：因此在單片機和 PC 進行通訊的時候需要一個 MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。

(5)堆棧：它是一種線性的數(shù)據(jù)結(jié)構，是一個只有一個進出口的一維空間。

A、堆棧特性：后進先出(LIFO)

B、堆棧指針：用于指示棧頂?shù)奈恢?地址)，當發(fā)生壓?；蛘叱鰲２僮鲿r，導致棧頂位置變化時，堆棧指針會隨之變化。

C、堆棧操作：壓棧操作(PUSH)和出棧操作(POP)。

D、堆棧類型：“向上生長”型堆棧，每次壓棧時堆棧指針加1;“向下生長”型堆棧，每次壓棧堆棧時指針減1。

E、堆棧應用：調(diào)用子程序、響應中斷時，堆棧用于保護現(xiàn)場;還可以用作臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來使用。

F、使用注意：堆棧溢出問題，壓棧和出棧的匹配問題。

(6)定時計數(shù)器：實質(zhì)都是計數(shù)器。用作定時器時是對單片機內(nèi)部的時鐘脈沖進行計數(shù)，而在用作計數(shù)器時是對單片機外部的輸入脈沖進行計數(shù)，其作用如下：

A、計時、定時或延時控制;

B、脈沖技術;

C、測量脈沖寬度或頻率(捕獲功能)

(7)中斷：優(yōu)先級更高的事件發(fā)生，打斷優(yōu)先級低的時間進程。引起中斷的事件稱為中斷源。一個單片機可能支持多個中斷源，這些中斷源可以分為可屏蔽中斷和非可屏蔽中斷，而這些中斷源并不都是系統(tǒng)工作所需的，我們可以根據(jù)系統(tǒng)需求屏蔽那些不需要的中斷源。

A、中斷嵌套：當一個低級中斷尚未執(zhí)行完畢，又發(fā)生了一個高級優(yōu)先級的中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行高級中斷服務程序，待處理完高級中斷后再回過頭來執(zhí)行低級中斷服務程序。

B、中斷響應時間是指從發(fā)出中斷請求到進入中斷處理所用的時間;中斷處理時間是指中斷處理開始到中斷處理結(jié)束的時間。

C、中斷響應過程：

a、保護現(xiàn)場：將當前地址、累加器 ACC、狀態(tài)寄存器保存到堆棧中。b、切換 PC 指針：根據(jù)不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷，切換到相應的入口地址。c、執(zhí)行中斷服務處理程序。d、恢復現(xiàn)場：將保存在堆棧中的主程序地址、累加器 ACC、狀態(tài)寄存器恢復。e、中斷返回：從中斷處返回到主程序，繼續(xù)執(zhí)行。

D、中斷入口地址：單片機為每個中斷源分配了不同的中斷入口地址，也稱為中斷向量。

(8)復位：通過外部電路給單片機的復位引進一個復位信號，讓系統(tǒng)重新開始運行。

A、復位發(fā)生時的動作：

a、PC 指針從起始位置開始執(zhí)行(大多數(shù)單片機都時從0x0000處開始執(zhí)行)。b、I/O 端口設置成缺省狀態(tài)(高阻態(tài)、或者輸出低電平)。c、部分專用控制寄存器 SFR 恢復到缺省狀態(tài)。d、普通 RAM 不變(如果時上電復位，則是隨即數(shù))。

B、兩種不同的復位啟動方式：

a、冷啟動：也叫上電復位，指在斷電狀態(tài)下給系統(tǒng)加電，讓系統(tǒng)開始正常運行。b、熱啟動：在不斷電的狀態(tài)下，給單片機復位引進一個復位信號，讓系統(tǒng)重新開始。

C、兩種類型的復位電路：高電平復位和低電平復位。

D 注意事項：

a、 注意復位信號的電平狀態(tài)及持續(xù)時間必須滿足系統(tǒng)要求。b、 注意避免復位信號抖動。[!--empirenews.page--]

(9)時鐘電路：單片機是一種時序電路，必須提供脈沖電路才能正常工作。時鐘電路相當于單片機的心臟，它的每一次跳動(振動節(jié)拍)都控制著單片機的工作節(jié)奏。振蕩得慢時，系統(tǒng)工作速度就慢，振蕩得快時，系統(tǒng)工作速度就快(功耗也增大)。

A、振蕩周期：振蕩源的振蕩節(jié)拍。B、機器周期：單片機完成一個基本操作需要的振蕩周期(節(jié)拍)。C、指令周期：執(zhí)行一條指令需要幾個機器周期。不同的指令需要的機器周期數(shù)不同。

5、 ARM 體系結(jié)構的基本概念

(1) ARM ：Advanced RISC Machine。

(2) ARM 體系結(jié)構中支持兩種指令集：ARM 指令集和 Thumb 指令集。

(3) ARM 內(nèi)核有 T 、 D 、 M 、 I 四個功能模塊：

A、T 模塊：表示16位 Thumb，可以在兼顧性能的同時減少代碼尺寸。B、D 模塊：表示 Debug，內(nèi)核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構，通常為一個邊界掃描鏈 JTAG。C、M 模塊：表示8位乘法器。D、I 模塊：表示 EmbeddedICE Logic，用于實時斷點觀測及變量觀測的邏輯電路部分。

(4) ARM 處理器有7 種運行模式：

A、用戶模式(User)：正常程序執(zhí)行模式，用于應用程序。D、快速中斷模式(FIQ)：快速中斷處理，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理。C、外部中斷模式(IRQ)：用于通用的中斷處理。D、管理模式(SVE)：供操作系統(tǒng)使用的一種保護模式。E、數(shù)據(jù)訪問中止模式(Abort)：用于虛擬存儲及存儲保護。F、未定義指令中止模式(Undefined)：當未定義指令執(zhí)行時進入該模式。G、系統(tǒng)模式(System)：用于運行特權級的操作系統(tǒng)任務。

除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為 特權模式，在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源 ，也可以任意地進行處理器模式切換，其中，除了系統(tǒng)模式外，其他的5種特權模式又稱為 異常模式。處理器模式可以通過 軟件控制進行切換，也可以通過 外部中斷或異常處理過程進行切換。大多數(shù)的用戶程序運行在用戶模式下，這時，應用程序不能訪問一些受操作系統(tǒng)保護的系統(tǒng)資源，應用程序也不能直接進行處理器模式切換。當需要進行處理器模式切換時，應用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理中進行處理器模式的切換。這種體系結(jié)構可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的資源。當應用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進入相應的異常模式。在每一種異常模式種都有一組寄存器，供相應的異常處理程序使用，這樣就可以保證進入異常模式時，用戶模式下的寄存器不被破壞。系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器，但是系統(tǒng)模式屬于特權模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進行處理器模式切換，它主要供操作系統(tǒng)任務使用。

(5) ARM 處理器共有 37 個寄存器： 31 個通用寄存器和6個狀態(tài)寄存器

A、通用寄存器包括 R0~R15，可以分為3類：

a、未備份寄存器 R0~R7：在所有的處理器模式下，未備份寄存器都是指向同一個物理寄存器。

b、備份寄存器 R8~R14：對于 R8~R12來說，每個寄存器對于2個不同的物理寄存器，它們每次所訪問的物理寄存器都與當前的處理器運行模式有關。對于 R13、R14來說，每個寄存器對于6個不同的物理寄存器，其中一個是用戶模式和系統(tǒng)模式共用。R13在 ARM 指令種常用作堆棧指針。由于處理器的每種運行模式都有自己獨立的物理寄存器R13，所有在用戶應用程序的初始化部分，一般要初始化每種模式下的 R13，使其指向該運行模式的?？臻g。R14又稱為連接寄存器(LR)，在 ARM 體系種具有下面兩種特殊作用：在通過 BL 或 BLX 指令調(diào)用子程序時，存放當前子程序的返回地址;在 異常中斷發(fā)生時，存放異常模式將要返回的地址。

c、程序計數(shù)器 R15(PC)。

由于 ARM 采用了流水線機制，在三級流水線中，當正確讀取了 PC 的值時，該值為當前指令地址值加8個字節(jié)。也就是說，PC 指向當前指令的下兩條指令的地址。在 ARM 指令狀態(tài)下，PC 的0和1位是0 ，在 Thumb 指令狀態(tài)下，PC 的0位是0。

B、程序狀態(tài)寄存器

a、ARM 體系結(jié)構包含1個當前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)和5個備份的程序狀態(tài)寄存器(SPSR)，使用MSR 和 MRS 指令來設置和讀取這些寄存器。

b、當前程序狀態(tài)寄存器 CPSR：保存當前處理器狀態(tài)的信息，可以在任何處理器模式下被訪問。

c、備份程序狀態(tài)寄存器 SPSR：每一種異常處理器模式下都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器。當特定的異常中斷發(fā)生時，這個寄存器用于存放當前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，在異常中斷程序退出時，可以用 SPSR 中保存的值來恢復 CPSR。

d、由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒有 SPSR，當在這兩種模式下訪問 SPSR 時，結(jié)果是未知的。

(6) ARM 指令的尋址方式

所謂尋址方式就是處理器根據(jù)指令中給出的地址信息來尋找物理地址的方式。

A、 立即尋址：操作數(shù)本身就在指令中給出，只要取出指令也就取到了操作數(shù)。ADD R0, R0, #1 ;R0=R0+1

B、 寄存器尋址：利用寄存器中的數(shù)值作為操作數(shù)。ADD R0, R1, R2 ;R0=R1+R2

C、 寄存器間接尋址：以寄存器中的值作為操作數(shù)地址，而操作數(shù)本身存放在存儲器中。ADD R0, R1, [R2] ;R0=R1+[R2]LDR R0, [R1] 　　　;R0=[R1]STR R0, [R1]　　　 ;[R1]=R0

D、 基址變址尋址：將寄存器(該寄存器一般稱作基址寄存器)的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到一個操作數(shù)的有效地址。LDR R0, [R1, #4] 　　 ;R0=[R1+4]LDR R0, [R1, #4]!　　 ;R0=[R1+4] R1=R1+4LDR R0, [R1], #4 　 　;R0=[R1] R1=R1+4LDR R0, [R1, R2]!　　 ;R0=[R1+R2]

E、 多寄存器尋址：一條指令可以完成多個寄存器值的傳送。LDMIA R0, {R1, R2, R3} 　　;R1=[R0] R2=[R0+4] R3=[R0+8]

F、 相對尋址：以程序計數(shù)器 PC 的當前值作為基地址，指令中的地址標號作為偏移量，兩者相加之后得到操作數(shù)的有效地址。

BL NEXT ;跳轉(zhuǎn)到子程序 NEXT 處執(zhí)行……NEXT……MOV PC, LR ;從子程序返回

G、 堆棧尋址：支持4種類型的堆棧工作方式：

a、 滿遞增堆棧：堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生長。b、 滿遞減堆棧：堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生長。c、 空遞增堆棧：堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生長。d、 空遞減堆棧：堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生長。[!--empirenews.page--]

(7) ARM 的存儲方法

A、大端模式：數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，低字節(jié)存儲在高地址中。B、小端模式：數(shù)據(jù)的低字節(jié)存儲在低地址中，高字節(jié)存儲在高地址中。

(8) ARM 中斷與異常

A、ARM 內(nèi)核支持7種中斷，不同的中斷處于不同的處理模式，具有不同的優(yōu)先級，而且每個中斷都有固定的中斷地址入口。當一個中斷發(fā)生是，相應的 R14(LR)存儲中斷返回地址，SPSR 存儲當前程序狀態(tài)寄存器 CPSR 的值。

B、由于 ARM 內(nèi)核支持流水線工作，LR 寄存器存儲的地址可能是發(fā)生中斷后面指令的地址，所以不同的中斷處理完成后，必須將 LR 寄存器值經(jīng)過處理后再寫P15(PC)寄存器。

C、ARM 異常的具體含義：

a、復位：當處理器的復位電平有效時，產(chǎn)生復位異常，程序跳轉(zhuǎn)到異常復位異常處理程序處執(zhí)行。

b、未定義的指令：當 ARM 處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時，產(chǎn)生未定義指令異常?？梢允褂迷摦惓C制進行軟件仿真。

c、軟件中斷：該異常由執(zhí)行 SWI 指令產(chǎn)生，可用于用戶模式下的程序調(diào)用特權操作指令?？墒褂迷摦惓C制實現(xiàn)操作系統(tǒng)調(diào)用功能。

d、指令預取中止：如果處理器預取指令的地址不存在或該地址不允許當前指令訪問，存儲器向處理器發(fā)出中止信號，但當預取的指令被執(zhí)行時，才會產(chǎn)生指令預取中止異常。

e、數(shù)據(jù)訪問中止：如果處理器數(shù)據(jù)訪問指令的目標地址不存在，或者該地址不允許當前指令訪問 ，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常。

f、外部中斷請求：當 ARM 外部中斷請求管腳有效，而且 CPSR 中的 I 位為0時，產(chǎn)生 IRQ 異常 。系統(tǒng)的外設可以通過該異常請求中斷服務。

g、快速中斷請求：當 ARM 快速中斷請求管腳有效，而且 CPSR 的 F 位為0時，產(chǎn)生 FIQ 異常。

D、ARM 處理器對異常中斷的響應過程

a、將下一條指令的地址存入相應的連接寄存器 LR 中。b、將 CPSR 復制到相應的 SPSR 中。c、根據(jù)異常的類型，強制設置 CPSR 的運行模式位。d、強制 PC 從相關的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應的異常處理程序處。

E、ARM 處理器從異常中斷處理程序中返回

a、恢復中斷的程序的處理器狀態(tài)，將 SPSR 復制到 CPSR 中。b、若在進入異常處理時設置了中斷禁止位，要在此清除。c、將連接寄存器 LR 的值減去相應的偏移量后送到 PC。

F、復位異常中斷處理程序不需要返回。在復位異常中斷程序開始整個用戶程序的執(zhí)行。