嵌入式系统开发技术——学习笔记.pdf_嵌入式系统编程开发

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嵌入式系统开发技术——学习总结

1. 嵌入式系统概论

1.1. 嵌入式系统特点、分类、发展、应用和逻辑组成

1.1.1. 嵌入式系统特点

从技术角度，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、适应

应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等多种约束的专用计算机系统。

嵌入式系统的软件固化一般在只读存储器（ROM）中，用户通常不能随意变更其中的程

序功能。

嵌入式系统特点：括号内的为组记特点的特性。

 专用性（具体应用）

 隐蔽性

 资源受限

 高可靠性（控制应用）

 实时性（过程控制、数据收集）

 软件固化

1.1.2. 嵌入式系统的逻辑组成

嵌入式系统由硬件和软件组成。硬件的主体是中央处理器和存储器。它们通过输入输出

接口和输入输出设备与外部世界联系，并借助总线相互连接，连同嵌入式软件构成完整的嵌

入式系统。

中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）分为运算器、控制器和存储器。

处理器

能按照指令的要求高速完成二进制数据的算术和逻辑运算的部件称为处理器。

CPU 的字长有 4 位、8 位、16 位、32 位和 64 位之分。现在嵌入式系统使用最多的还是

8 位和 16 位，但是 32 位 CPU 是技术发展的主流。

CPU 的 4 个特点：支持实时处理、低功耗、结构可扩展、集成了测试电路。

存储器

存储器的任务就是存储数据和程序。如下图所示

I/O 设备与 I/O 接口

略

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数据总线

略

软件

略

1.1.3. 嵌入式处理芯片

嵌入式处理芯片分为微处理器、数字信号处理器（DSP）、微控制器（单片机）（MCU）

和片上系统（SoC）。

1.1.4. 嵌入式系统的分类

按照嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类，则分为低端系统、中端系统和高端

系统。主要区别如下表格

类型

硬件特征

应用举例

低端系统

采用 4 位或 8 位单片机

在工控领域和白色家电领域占主导地位

中端系统

采用 8 位/16 位/32 位单片机

主要用于普通手机、摄像机、录像机、电子游戏机等。

高端系统

采用 32 位/64 位单片机且支持连接

网络

主要用于智能手机、调制解调器、掌上计算机、路由

器、数码相机等。

其他的分类如下：

 用途：军用、工业用、民用

 实时性：非实时系统、软实时系统、硬实时系统

 产品形态：系统级产品、板级产品、片级产品

1.1.5. 嵌入式系统的发展

嵌入式系统是从 20 世纪 70 年代微处理器出现后发展起来的。

嵌入式经历的阶段：

1) 20 世纪 70 年代，主要以 4 位到 8 位单片机为心的可编程控制系统。

2) 20 世纪 80 年代中期，主要以 8 位到 16 位处理器为基础配置简单的操作系统。

3) 20 世纪 90 年代中期，主要以 32 位精简指令集计算机处理器和嵌入式操作系统为

标志。

连通性和多媒体化将是嵌入式系统技术上的两个主要发展趋势。

1.2. 嵌入式处理芯片主要类型、SoC 开发流程和 IP 核的意义

1.2.1. SoC 芯片开发流程

 总体设计

 逻辑设计

 综合与仿真

 芯片制造

1.2.2. IP 核及其应用

按照 IC 设计文件的类型，IP 核通常分为 3 种，即软核、固核、硬核。

核库中的设计文件均属于知识产权 IP 保护的范畴，所以称为“知识产权核”或“IP 核”。

IP 核的复用可以减少研发成本，缩短研发时间，是实现 SoC 的快速设计，尽早投放市场

的有效途径。

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2. 嵌入式处理器

嵌入式系统的硬件核心是嵌入式处理器。

2.1. 嵌入式处理器的结构特点及分类、工作状态和工作模式

2.1.1. 嵌入式处理器主要内核系列

 按指令集分为：复杂指令集结构（CISC）和精简指令集结构（RISC）。

 按存储机制分为：冯诺依曼结构和哈佛结构。

 按字长分为：8 位、16 位、32 位和 64 位。

冯诺依曼结构和哈佛结构之间的区别

两者连接 CPU（运算器和控制器）和存储器的方式不同。

2.1.2. ARM 处理器的主要特点

ARM 与其他处理器内核相比，主要特点

 耗电省

 功能强

 成本低

 16 为 Thumb 与 32 位 ARM 和

Thumb-2 双指令集具

ARM 结构的主要特点：

 采用 RISC 结构

 16/32 位指令集

 多处理器状态模式

 采用先进的片内 AMBA 总线技术

 低功耗设计技术

技术特征：

 单周期操作

 采用加载/存储指令访问内存

 固定的 32 位长指令

 三地址指令格式

 指令流水线技术

2.1.3. ARM 工作状态

ARM 结构体系中，处理器存在 3 中工作状态：

 ARM 状态：ARM 处理器工作于 32 位指令的状态，即所有的指令均为 32 位宽度

 Thumb 状态及 Thumb-2 状态：Thumb 是 ARM 执行 16 位指令状态；Thumb-2 内核

兼有 16 位及 32 位指令长度

 调试状态：处理器停机进入调试状态

详细说明：在 Thumb 模式下，指令代码只有 16 位，使代码密度变大，占用内存空

间减小，提供比 32 位程序代码更佳的效能。Thumb-2 内核兼有 16 位及 32 位指令长度，

实现了性能更高，功耗更小及占用内存更少的目标。

工作状态之间的转换

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，可通过下面的方

法切换到 Thumb 状态或 Thumb-2 状态

 ARM 状态切换到 Thumb 指令状态：通过 BX 指令，将操作数寄存器的最低位设置

为 1 即可。如果 R0[0]=1，则执行 BX R0 指令将进入 Thumb 状态

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洛苡澄

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