嵌入式系统的概况。
1.1 嵌入式系统的定义和组成。
一）嵌入式系统的应用领域和定义。
嵌入式技术无处不在，各种使用嵌入式技术的电子产品有***、pda、手机、只能玩具、网络家电、智能家电、车载电子设备等。
在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于手工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。
二）嵌入式系统的定义。
给出的定义。
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。
2．国内普遍认同的定义。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
可从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：
1） 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才能具有生命力。
2） 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积的要求。
三）嵌入式系统的几个重要特征。
1.系统内核小。
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
2.专用性强。
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。
即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。
3.系统精简。
嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。
4．高实时性。
这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。软件**要求高质量和高可靠性、实时性。
5.嵌入式系统的开发。
嵌入式系统开发需要开发工具和开发环境（交叉开发环境）
四）嵌入式系统的发展趋势。
嵌入式技术将成为“后pc时代”的主宰：
1） 嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。
2） 使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。
3） 嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为“后pc时代”的主宰。
五）嵌入式处理器的分类。
1.嵌入式mpu（mico-processor unit）就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成rom/eprom、ram、总线、总线逻辑、定时/计数器、watchdog、i/o、串行口等各种必要功能和外设。
1）嵌入式mpu的特点。
1）其功能和微处理器基本一样，是具有32位以上的处理器。具有较高的性能。
2）具有体积小、功耗少、成本低、可靠性高的特点。有的可提供工业级应用。
2）流行的嵌入式mpu。
1）通用系列：8051、mcs251、mcs-96/196/296等。
2）半通用系列：支持i2c、can bus及众多专用mcu和兼容系列。
2.嵌入式dsp
嵌入式dsp（digital signal processing）是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，具有很高的编译效率和指令执行速度。
应用领域：数字滤波、频谱分析、fft。
流行的嵌入式dsp：tms320c2000系列（ti）、mcs-296（intel）等。
3.嵌入式soc
soc（system on chip，片上系统）是采用asic（application specific integrated circuits）设计方法学中的新技术，以嵌入式系统为核心，以ip复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。它是指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和i/o等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容。soc的设计基础是ip（intellectual property）复用技术。
为了加快soc芯片设计的速度，人们将已有的ic电路以模块的形式在soc芯片设计中调用，从而简化芯片的设计，缩短设计时间，提高设计效率。这些可以被重复使用的ic模块就叫作ip模块（或者叫作系统宏单元、芯核、虚拟器件）。ip模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。
它具有3中不同形式：软ip核（soft ip core）、固ip核（firm ip core）和硬ip核（hard ip core）。嵌入式soc是追求产品系统最大包容的集成器件。
1） soc具有以下几方面的特点。
1） 电量小：由于soc产品多采用内部信号的传输，可以大幅降低功能。
2） 体积小：数颗ic整合为一颗soc后，可有效缩小电路板上占用的面积。
3） 系统功能丰富：在相同的内部空间内，soc可整合更多的功能元件和组件。
4） 性效比高：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率将提升，而使产品性能有所提高。
5） 节省成本：理论上，ip模块的出现可以减少研发成本，缩短研发时间，可适度节省成本。
2） 流行的soc：smart xa（philips）。
4.嵌入式sopc
sopc（system-on-a-programmable-chip），即可编程片上系统。可用编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作sopc。可编程片上系统是一种特殊的嵌入式系统：
首先它是片上系统（soc），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。sopc结合了soc和pld、fpga各自的优点，一般具备以下基本特征：
1） 至少包含一个嵌入式处理器内核。
2） 具有小容量片内高速ram资源。
3） 丰富的ip core资源可供选择。
4） 足够的片上可编程逻辑资源。
5） 处理器调试接口和fpga编程接口。
6） 可能包含部分可编程模拟电路。
7） 单芯片、低功耗、微封装。
1.2嵌入式微处理器体系结构。
1.2.1arm体系的硬件架构。
arm是advanced risc machines 的缩写，它是一家未处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的risc（精简指令集计算机）处理器。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它提供arm技术知识产权（ip）核，将技授权给世界上许多著名的半导体、软件和oem厂商，并提供服务。
arm，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。
arm微处理器的应用领域及特点如下。
1）arm微处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔。
基于arm技术的32位微处理器，市场的占有率目前已经达到80%。
绝多数ic制造商都推出了自己的arm结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电信、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、philips、intel、samsung都推出了自己设计的基于arm核的处理器。
1） 应用一：工业控制领域。
作为32位的risc架构，基于arm核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，arm微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
2） 应用二：无线通信领域。
目前已有超过85%的无线通信设备采用了arm技术，arm以其高性能和低成本在该领域的地位日益巩固。
3） 应用三：网络设备。
随着宽带技术的推广，采用arm技术的adsl芯片正逐步获得竞争优势。此外，arm在语音及**处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对dsp的应用领域提出了挑战。
4） 应用四：消费类电子产品。
arm技术在目前流行是数字音频**器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
5） 应用五：成像和安全产品。
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用arm技术。手中的32位sim智能卡也采用了arm技术。
2）arm处理器的特点。
1）体积小、功耗低、成本低、性能高。
2）支持thumb（16位）/arm（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。
3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。
4）大多数数据操作都在寄存器中完成。
5）寻址方式灵活简单，执行效率高。
6）指令长度固定。
一）通用寄存器和程序计数器。
arm微处理器支持7种运行模式，分别为：
1） 用户模式（usr）：arm处理器正常的程序执行状态。
2） 快速终端模式（fiq）：用于高速数据传输或通道管理。
3） 外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理。
4） 管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。
5） 数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，用于虚拟存储及存储保护。
6） 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。
7） 未定义指令终止模式（und）：当未定义指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件**。
arm体系结构的存储器格式有以下两种：
1） 大端格式：字数据的高字节存储在低地址中，字数据的低字节存储在高地址中。
2） 小端格式：与大端存储格式相反，高地址存放数据的高字节，低地址存放数据的低字节。
arm处理器共有37个寄存器，其中包括：
1）31个通用寄存器，包括程序计数器（pc）在内，都是32位寄存器。
2）6个状态寄存器 ，都是32位寄存器，但目前只使用了其中12位。
通用寄存器可以分为3类：未备份寄存器（r0~r7）、备份寄存器（r8~r14）、和程序计数器pc（r15）。对于每一个未备份寄存器来说，在所有的处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。
对应备份寄存器r8~r12来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，这使得中断处理非常简单。例如，仅使用r8~r14寄存器时，fiq处理程序可以不必执行保存和恢复中断现场的指令，从而使中断处理过程非常迅速。对于备份寄存器r13和r14来说，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式和系统模式共用的，另外的5个对应于其他5中处理器模式。
二）arm程序状态寄存器。
在所有处理器模式下都可以访问当前的程序状态寄存器cpsr。cpsr包含条件码标志、中断禁止位、当前处理器模式以及其他状态和控制信息。每种异常模式都有一个程序状态保存寄存器spsr。
当异常出现时，spsr用于保存cpsr状态。
cpsr和spsr的格式如表1-1所示。
表1-1 cpsr和spsr的格式。
1） 条件码标志。
n，z，c，v大多数指令可以检测这些条件码标志以决定程序指令如何执行。
2） 控制位。
最低8位i、f、t和m位用作控制，当异常出现时可改变控制位。当处理器在特权模式下时也可以由软件改变。
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