對(duì)于嵌入式系統(tǒng)微處理器的詳細(xì)剖析

1. 嵌入式微處理器的基本結(jié)構(gòu)

（1）嵌入式硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)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(shù)邏輯單元和寄存器3大部分組成：

A、控制單元：主要負(fù)責(zé)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(shù)邏輯單元：主要處理數(shù)值型數(shù)據(jù)和進(jìn)行邏輯運(yùn)算工作。

C、寄存器：用于暫存臨時(shí)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(jī)，片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制。最大的特點(diǎn)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(chǎng)份額。

（2）嵌入式微處理器（EMPU）：又稱為單板機(jī)，由通用計(jì)算機(jī)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(gè)芯片上。

（3）嵌入式 DSP 處理器（DSP）：專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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(yīng)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(diǎn)是成功實(shí)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(gòu)和特點(diǎn)

（1）8位微處理器：以8051為重點(diǎn)，徹底搞清楚8位單片機(jī)的工作原理，外設(shè)控制、存儲(chǔ)分布 、尋址方式以及典型應(yīng)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(guān)于 MSP430的結(jié)構(gòu)原理以及典型應(yīng)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(dá)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(gòu)目前被公認(rèn)為是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的32位嵌入式 RISC 處理器結(jié)構(gòu)。按照目前的發(fā)展形式，ARM 幾乎成了嵌入式應(yīng)用的代名詞。

4、單片機(jī)系統(tǒng)的基本概念

（1）單片機(jī)組成：中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O 設(shè)備。

（2） 存儲(chǔ)器：物理實(shí)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(chǔ)功能的集成電路，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。

A、ROM（只讀存儲(chǔ)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(huì)保留下來。

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

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

（4）輸出電平：高電平電壓（輸出“1”時(shí)）和低電平電壓（輸出“0”時(shí)）

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

B、RS232電平：負(fù)邏輯，－12V 為邏輯正，＋12V 為邏輯負(fù)，例如 PC 的輸出。

注：因此在單片機(jī)和 PC 進(jìn)行通訊的時(shí)候需要一個(gè) MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

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

A、堆棧特性：后進(jìn)先出（LIFO）

B、堆棧指針：用于指示棧頂?shù)奈恢茫ǖ刂罚?，?dāng)發(fā)生壓棧或者出棧操作時(shí)，導(dǎo)致棧頂位置變化時(shí)，堆棧指針會(huì)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(shí)堆棧指針加1；“向下生長”型堆棧，每次壓棧堆棧時(shí)指針減1。

E、堆棧應(yīng)用：調(diào)用子程序、響應(yīng)中斷時(shí)，堆棧用于保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；還可以用作臨時(shí)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(shí)計(jì)數(shù)器：實(shí)質(zhì)都是計(jì)數(shù)器。用作定時(shí)器時(shí)是對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，而在用作計(jì)數(shù)器時(shí)是對(duì)單片機(jī)外部的輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其作用如下：

A、計(jì)時(shí)、定時(shí)或延時(shí)控制；

B、脈沖技術(shù)；

C、測(cè)量脈沖寬度或頻率（捕獲功能）

（7）中斷：優(yōu)先級(jí)更高的事件發(fā)生，打斷優(yōu)先級(jí)低的時(shí)間進(jìn)程。引起中斷的事件稱為中斷源。一個(gè)單片機(jī)可能支持多個(gè)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(dāng)一個(gè)低級(jí)中斷尚未執(zhí)行完畢，又發(fā)生了一個(gè)高級(jí)優(yōu)先級(jí)的中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行高級(jí)中斷服務(wù)程序，待處理完高級(jí)中斷后再回過頭來執(zhí)行低級(jí)中斷服務(wù)程序。

B、中斷響應(yīng)時(shí)間是指從發(fā)出中斷請(qǐng)求到進(jìn)入中斷處理所用的時(shí)間；中斷處理時(shí)間是指中斷處理開始到中斷處理結(jié)束的時(shí)間。

C、中斷響應(yīng)過程：

a、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)：將當(dāng)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(yīng)的入口地址。c、執(zhí)行中斷服務(wù)處理程序。d、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：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(fù)。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(jī)為每個(gè)中斷源分配了不同的中斷入口地址，也稱為中斷向量。

（8）復(fù)位：通過外部電路給單片機(jī)的復(fù)位引進(jìn)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，讓系統(tǒng)重新開始運(yùn)行。

A、復(fù)位發(fā)生時(shí)的動(dòng)作：

a、PC 指針從起始位置開始執(zhí)行（大多數(shù)單片機(jī)都時(shí)從0x0000處開始執(zhí)行）。b、I/O 端口設(shè)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(fù)到缺省狀態(tài)。d、普通 RAM 不變（如果時(shí)上電復(fù)位，則是隨即數(shù)）。

B、兩種不同的復(fù)位啟動(dòng)方式：

a、冷啟動(dòng)：也叫上電復(fù)位，指在斷電狀態(tài)下給系統(tǒng)加電，讓系統(tǒng)開始正常運(yùn)行。b、熱啟動(dòng)：在不斷電的狀態(tài)下，給單片機(jī)復(fù)位引進(jìn)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，讓系統(tǒng)重新開始。

C、兩種類型的復(fù)位電路：高電平復(fù)位和低電平復(fù)位。

D 注意事項(xiàng)：

a、 注意復(fù)位信號(hào)的電平狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間必須滿足系統(tǒng)要求。b、 注意避免復(fù)位信號(hào)抖動(dòng)。

（9）時(shí)鐘電路：單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須提供脈沖電路才能正常工作。時(shí)鐘電路相當(dāng)于單片機(jī)的心臟，它的每一次跳動(dòng)（振動(dòng)節(jié)拍）都控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。振蕩得慢時(shí)，系統(tǒng)工作速度就慢，振蕩得快時(shí)，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(jī)器周期：單片機(jī)完成一個(gè)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(gè)機(jī)器周期。不同的指令需要的機(jī)器周期數(shù)不同。

5、 ARM 體系結(jié)構(gòu)的基本概念

（1） ARM ：Advanced RISC Machine。

（2） ARM 體系結(jié)構(gòu)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(gè)功能模塊：

A、T 模塊：表示16位 Thumb，可以在兼顧性能的同時(shí)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(gòu)，通常為一個(gè)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(shí)時(shí)斷點(diǎn)觀測(cè)及變量觀測(cè)的邏輯電路部分。

（4） ARM 處理器有7 種運(yùn)行模式：

A、用戶模式（User）：正常程序執(zhí)行模式，用于應(yīng)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(hù)模式。E、數(shù)據(jù)訪問中止模式（Abort）：用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。F、未定義指令中止模式（Undefined）：當(dāng)未定義指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式。G、系統(tǒng)模式（System）：用于運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)。

除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為 特權(quán)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(jìn)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(quán)模式又稱為 異常模式。處理器模式可以通過 軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過 外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理中進(jìn)行處理器模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式種都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證進(jìn)入異常模式時(shí)，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(jìn)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(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。

（5） ARM 處理器共有 37 個(gè)寄存器： 31 個(gè)通用寄存器和6個(gè)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(gè)物理寄存器。

b、備份寄存器 R8~R14：對(duì)于 R8~R12來說，每個(gè)寄存器對(duì)于2個(gè)不同的物理寄存器，它們每次所訪問的物理寄存器都與當(dāng)前的處理器運(yùn)行模式有關(guān)。對(duì)于 R13、R14來說，每個(gè)寄存器對(duì)于6個(gè)不同的物理寄存器，其中一個(gè)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(yùn)行模式都有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，所有在用戶應(yīng)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(yùn)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(shí)，存放當(dāng)前子程序的返回地址；在 異常中斷發(fā)生時(shí)，存放異常模式將要返回的地址。

c、程序計(jì)數(shù)器 R15（PC）。

由于 ARM 采用了流水線機(jī)制，在三級(jí)流水線中，當(dāng)正確讀取了 PC 的值時(shí)，該值為當(dāng)前指令地址值加8個(gè)字節(jié)。也就是說，PC 指向當(dāng)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(gòu)包含1個(gè)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）和5個(gè)備份的程序狀態(tài)寄存器（SPSR），使用MSR 和 MRS 指令來設(shè)置和讀取這些寄存器。

b、當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 CPSR：保存當(dāng)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(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，在異常中斷程序退出時(shí)，可以用 SPSR 中保存的值來恢復(fù) 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(dāng)在這兩種模式下訪問 SPSR 時(shí)，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(chǔ)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(gè)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(gè)寄存器值的傳送。LDMIA R0, {R1, R2, R3} ;R1=[R0] R2=[R0+4] R3=[R0+8]

F、 相對(duì)尋址：以程序計(jì)數(shù)器 PC 的當(dāng)前值作為基地址，指令中的地址標(biāo)號(hào)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(gè)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(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生長。

（7） ARM 的存儲(chǔ)方法

A、大端模式：數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，低字節(jié)存儲(chǔ)在高地址中。B、小端模式：數(shù)據(jù)的低字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，高字節(jié)存儲(chǔ)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(jí)，而且每個(gè)中斷都有固定的中斷地址入口。當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生是，相應(yīng)的 R14（LR）存儲(chǔ)中斷返回地址，SPSR 存儲(chǔ)當(dāng)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(chǔ)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(fù)位：當(dāng)處理器的復(fù)位電平有效時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到異常復(fù)位異常處理程序處執(zhí)行。

b、未定義的指令：當(dāng) ARM 處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時(shí)，產(chǎn)生未定義指令異常?？梢允褂迷摦惓C(jī)制進(jìn)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(quán)操作指令?？墒褂迷摦惓C(jī)制實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)調(diào)用功能。

d、指令預(yù)取中止：如果處理器預(yù)取指令的地址不存在或該地址不允許當(dāng)前指令訪問，存儲(chǔ)器向處理器發(fā)出中止信號(hào)，但當(dāng)預(yù)取的指令被執(zhí)行時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生指令預(yù)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(biāo)地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)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(qǐng)求：當(dāng) ARM 外部中斷請(qǐng)求管腳有效，而且 CPSR 中的 I 位為0時(shí)，產(chǎn)生 IRQ 異常 。系統(tǒng)的外設(shè)可以通過該異常請(qǐng)求中斷服務(wù)。

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

D、ARM 處理器對(duì)異常中斷的響應(yīng)過程

a、將下一條指令的地址存入相應(yīng)的連接寄存器 LR 中。b、將 CPSR 復(fù)制到相應(yīng)的 SPSR 中。c、根據(jù)異常的類型，強(qiáng)制設(shè)置 CPSR 的運(yùn)行模式位。d、強(qiáng)制 PC 從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)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(fù)中斷的程序的處理器狀態(tài)，將 SPSR 復(fù)制到 CPSR 中。b、若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)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(yīng)的偏移量后送到 PC。

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