嵌入式系统考试知识点

中南大学嵌入式系统考试知识点总结

教材《嵌入式系统原理及应用教程》清华大学出版社孟祥连

1.1嵌入式系统概念

#嵌入式系统是指：“嵌入到对象体系中的、用于执行独立功能的专用计算机系统”。定义为以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通信技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境等有严格要求的专用计算机系统。 P1 #嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件、和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微控制器，支撑硬件主要包括定时器、微控制器、存储器、传感器等，嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、操作系统、应用软件系统等。 P1 #实质上与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在ROM、RAM或Flash存储器中，而不是存储于磁盘等载体中。 P1 #只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。 P2 #嵌入式、专用性与计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。 P2 #与通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下显著特点：1系统内核小 2专用性强 3运行环境差异大 4可靠性要求高 5系统精简和高实时性操作系统 6具有固化在非易失性存储器中的代码 7嵌入式系统开发工作和环境 P2 1.2嵌入式系统发展概述

#在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即∑模式与创新模式。∑模式本质上是通用计算机直接芯片化的模式，创新模式则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用#要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。 P4 #SCM即单片机微型计算机阶段，MCU即微控制器阶段。 P4 #必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。 P4 #嵌入式系统的功能：1提供强大的网络服务 2小型化、低成本、低功耗 3人性化的人机界面 4完善的开发平台 P4 1.3嵌入式系统的硬件和软件特征

#嵌入式系统的组成部分是嵌入式系统硬件平台、嵌入式实时操作系统（RTOS）和嵌入式系统应用。 P6 #嵌入式系统原有的3层结构逐步演化成为4层结构。这个新增加的中间层成为硬件抽象层，有时也称板级支持包。 P6 #嵌入式系统的硬件平台是以嵌入式处理器为核心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成的。 P6 #当操作系统或应用程序使用硬件抽象层API进行设计时，只要硬件抽象层API能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以移植。 P6 #硬件抽象层接口的定义和代码设计应具有以下特点： P7 #嵌入式系统完成系统初始化及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能，主要特点有P8 1．4嵌入式系统分类

#按嵌入式微处理器的位数分类

#按软件的实时性需求分类:嵌入式系统可分为非实时系统（如PDA）、软实时系统（如消费类产品）和硬实时系统（如工业实时控制系统）。

#硬实时系统是指系统对响应的时间有严格的要求

#按嵌入式的复杂程度分类:：可分为小型嵌入式系统、中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统

P9 1.5嵌入式系统应用

#应用领域：（1）工业过程控制（2）工业嵌入式系统的发展趋势是网络化、智能化和控制的分散化。（3）网络通信设备（4）消费电子产品（5）航天航空设备（6）军事电子设备和现代武器P10-P11 2.1 ARM微处理器概述

#ARM有三种含义，他是一个公司的名称，是一类微处理器的通称，还是一种技术的名称。ARM公式专注于设计，设计的芯片内核耗电少、成本低、功能强。特有16/32为双指令集。ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额P12 #ARM微处理器的特点P12 #ARM内核采用冯·诺依曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有三级流水线，执行ARMv4指令集。微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对成本和功耗要求较高的消费类产品。P13 #ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核P14 #ARM9系列于1997年问世。由于采用了5级指令流水线，ARM9处理器能够运行在比ARM7更高的时钟频率上。存储器系统根据哈佛结构区分了数据总线和指令总线。

ARM9系列的第一个处理器是ARM920T，它包含独立的数据指令cache和MMU（存储器管理单元）P14 #ARM9的特点P14 -P15 #ARM9E系列的特点P15 #表2-2 P18 2.6 寄存器组织

#ARM微处理器中的寄存器不能被同时访问，但在任何时候，通常寄存器R0~R14，程序计数器PC，一个或两个状态寄存器都是可访问的。P27 #通用寄存器包括R0~R15，可以分为三类：未分组寄存器R0~R7；分组寄存器R8~R14；程序计数器PC(R15) P28 #寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针P28 #R14也成为自程序链接寄存器或连寄存器LR P28 #在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值复制给R14，执行完子程序后，又将R14的值复制回PC，即可完成子程序的调用返回。P29 #寄存器R15用作程序计数器（PC) P29 #当前程序状态寄存器是在任何运行模式下都可以访问的通用状态寄存器，它包括条件标志位，中断禁止位，当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。P29 #为了安全的进行中断处理，各种异常模式都有一个专用的物理状态寄存器，称为备份的程序状态寄存器。P29 #ARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器和5个备份的程序状态寄存器。P31 #备份的程序状态寄存器用来进行异常出来，其功能：保存ALU中的当前操作信息；控制允许和禁止中断；设置处理器的运行模式。P31 #CPSR的低8位（包括I,F,T和M[4：0])称为控制位。中断禁止位I,F:I=1 禁止IRQ中断；F=1 禁止FIQ中断。T标志位：该位反映处理器的运行状态。当T=1时，程序运行于Thumb 状态，否则运行于ARM状态。P32 2.7 异常

#当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常。P33 #当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行以下几步操作。P34 #异常处理完毕之后，ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回。P35 3.1 ARM处理器

#所谓寻址方式就是处理器根据指令中给出的地址信息来寻找物理地址的方式。P37 #堆栈是一种数据结构，按先进后出的方式工作，使用一个称做堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置，堆栈指示总是指向栈顶。P41 3.2 ARM指令集

#在ARM微处理器的数据传送中，数据的源和数据的目标只有两种：一种是ARM的寄存器R0~R15；另一种就是外部存储器。P43 # 加载/存储指令可分为：单一数据加载/存储指令，批量数据加载/存储指令以及数据交换指令3类。P43 #数据处理指令只能对寄存器的内容进行操作，不允许对存储器中的数据进行操作，也不允许指令直接使用存储器的数据或在寄存器与寄存器之间传送数据。P47 #数据处理指令可分为三大类：数据传送指令，算术逻辑运算指令和比较指令。P47 #算术逻辑运算指令完成常用的算术与逻辑的运算，该类指令不但将运算结果保存在目的寄存器中，同时更新CPSR中的相应条件标志位。P47 #比较指令是对指定的两个寄存器进行比较，不保存运算结果，只影响CPSR中相应的条件标志位。P47 #在ARM指令集中，没有专门的子程序调用指令，把分支和子程序调用看成是同一种操作，分支指令用于实现程序流程的跳转，在ARM程序中可以通过使用专门的跳转指令或是直接向程序计数器PC写入跳转地址值的方法来实现。P54 #ARM指令集中的跳转指令可以完成从当前指令向前或向后的32MB的地址空间的跳转，包括以下3条指令。 B BL BX P54 #ARM处理器可支持多达16个协处理器，每个协处理都有自己的编号，命名为Pn，每个协处理器都有自己的寄存器，命名为Cn。P55 Thumb指令集

#Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，允许指令编码为16位的长度。与等价的32位代码相比较，Thumb指令集在保留32位代码优势的同时，大大地节省系统的存贮空间

P57 #Thumb指令集与ARM指令集在以下几个方面有区别：

跳转指令。条件跳转在范围上有更多的限制，转向子程序只具有无条件转移。

数据处理指令。对通用寄存器进行操作，操作结果须放入其中一个操作数寄存器。而不是第三个寄存器。

单寄存器加载和存储指令。Thumb状态下，单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0~R7. 批量寄存器加载和存储指令。LDM和STM指令可以将任何范围为R 0~R7的寄存器子集加载或存储，PUSH和POP指令使用堆栈指针R13作为基址实现满递减堆栈，除R0~R7外。PUSH指令还可以存储连接寄存器R14，并且POP指令可以加载程序指令PC。

Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此，在异常中断时还是需要使用ARM指令。这种限制决定了Thumb指令不能单独使用而需要与ARM指令配合使用。

P57

#堆栈指针是隐含的地址基址，Thumb指令中堆栈是满递减堆栈，堆栈向下增长，堆栈指针总是指向最后入栈的数据。P58 4.1 伪指令

#在ARM汇编语言程序中，有一些特殊指令助记符。这些助记符与指令系统的助记符不同，没有相对应的操作码，通常称这些特殊指令助记符为伪指令。P61 #通用伪指令包括符号定义伪指令、数据定义伪指令、汇编控制伪指令及其他一些常用伪指令等。P61 #宏是一段功能完整的程序，能够实现一个特定的功能，在使用中可以把它视为一个子程序。

P65 #调用宏的好处是不占用传送参数的寄存器，不用保护现场。P65 #IF、ELSE、ENDIF是条件分支伪指令，能根据条件的成立与否决定是否执行某个语句。

P66 #若在汇编程序中包含ARM指令和Thumb指令时可用CODE16伪指令定义后面的代码编译成16位的Thumb指令，CODE32伪指令定义后面的代码编译成32位的ARM指令。P68 #在一个完整的汇编程序中至少要有一个ENTRY，编译程序在编译连接时依据程序入口进行连接。在只有一个入口时，编译程序会把这个入口的地址定义为系统复位后的程序起始点。但在一个源文件里最多只能有一个ENTRY. P68 #与ARM指令相关的伪指令共有4条。（ADR,ADRL,LDR,NOP）P69 ADR在P69，ADRL，LDR和NOP在P69

汇编语言的语句格式

#汇编语言的源程序主要由指令、伪指令、语句标号和注释组成。P72 #汇编器在编译时，当发现一个分号后，把后面的内容解释为注释，不予以编译。P72 #ARM汇编程序所支持的变量有数字变量、逻辑变量和字符串变量三种形式。P72 #数字可以是十进制、十六进制、N进制、ASII形式。十六进制有两种表达方法。一种是在数值前加“0X”；另一种是在数值前加“&”。例如：0x12A,&FF00 P73 #/单目运算符，双目运算符P75 #运算符优先级- P76 4.4 汇编语言与C/C++的混合编程

#ARM体系结构支持C/C++以及与汇编语言的混合编程。P77 #基于ATPCS规定了在子程序调用时的一些基本规则，包括一下三个方面的内容：各寄存器的使用规则及其相应的名字；数据栈的实验规则；参数传递的规则；子程序结构返回规则。

P78 #在汇编中使用C程序全局变量，具体访问方法见P80页下。P80 #C程序中调用汇编函数主要由两个主要工作：一是在C中声明函数原型，并加extern关键字；二是在汇编中用EXPORT导出函数名，并用该函数名作为汇编代码段的标识，最后用MOV PC,LR返回。P81 #在汇编中调用C的函数，需要在汇编中使用伪指令IMPORT声明将要调用的C函数。P81

#当C与C++互相调用时必须使用伪指令extern “C”{...}。

（1）被extern”C”限定的函数或变量是extern类型。

（2）被extern”C”修饰的变量和函数是按照C语言方式编译和连接的。

（3）extern”C”的习惯用法见83页。P83

第5章嵌入式内部可编程模块

5.1存储控制模块

#S3C2440A内部除了ARM920T内核外，还包括如存储器、I/O端口、中断系统等模块，其中许多是可编程控制的。P85 #0号存储块可以外接SDRAM类型的存储器或者具有SDRAM接口特性的ROM存储器，

其数据总线宽度应设定为16位或者32位。P86 #S3C2440A的驱动代码可以在外部的NAND Flash存储器上被执行。为了支持NAND Flash 的boot loader，S3C2440A配备了一个内部的STRAM缓冲器名为“Steppingstone”。启东市，NAND Flash上的前4KB将被装载到Steppingstone，且执行启动代码。P90 5.2 GPIO

#输入输出口是嵌入式系统硬件平台的重要组成部分，通过输入输出端口可以连接各种类型的外部输入输出设备。P100 #S3C2440A芯片中共有130个GPIO端口，分为9组，GPA~GPI,；P100

#若选定某个GPIO端口的功能，用户应在主程序运行之前编程设置对应的控制寄存器，从而选定所需GPIO端口的功能。P100

#S3C2440A芯片的9个GPIO端口是：P101 端口A（GPA）有23个输出引脚的端口。

端口B（GPB）有11个输入输出引脚的端口。

端口C（GPC）有16个输入输出引脚的端口。

端口D（GPD）有16个输入输出引脚的端口。

端口E（GPE）有16个输入输出引脚的端口。

端口F（GPF）有8个输入输出引脚的端口。

端口G（GPG）有16个输入输出引脚的端口。

端口H（GPH）有11个输入输出引脚的端口。

端口J（GPJ）有13个输入输出引脚的端口。

#端口A的引脚有两种功能，第一种功能是作为普通的输出口；第二种红能主要用作外接储存器的地址信号和存储块选择信号。P102 #外部中断控制寄存器共有三个，分别为EXTINT0 、EXTINT1、EXTINT2，它们均是可读可写的，用于对24个外部中断请求信号的有效方式进行选择。P116 #I/O应用实例通过控制GPF3,、4、5、6，实现对LED1、2、3、4亮灭的控制；蜂鸣器通过I/O口GPB0通过NPN型三极管控制的。P125 5.2 中断系统

#本节主要介绍外部中断请求（IRQ）和快速中断请求（FIQ）P126 #S3C2440A中的中断控制器可以从60个中断源接受中断请求。P126 #如果在ARM920T核内部的程序状态寄存器的F位置1，CPU不能接收来自中断控制器的FIQ，如果程序状态寄存器的I为被置1，则CPU不能接收来自中断控制器的IRQ。所以，通过给程序状态寄存器中的F位和I位清零，且对INTMASK寄存器中的相应位清零，中断控制器可以接收中断。P126 #在中断控制器中有5个控制寄存器；中断源未决寄存器，中断模式寄存器，屏蔽寄存器，优先级寄存器和中断未决寄存器。P129 #中断编程实例P136.

5.3DMA

#DMA控制方式主要用于高速I/O设备与存储器之间进行大批量数据传送。DMA控制器控制数据直接在I/O设备与存储器之间传送，而不必经过微处理器内部的寄存器，这样就大大提高了数据传送的效率。P137 #DMA的主要优点就是其传输数据不受CPU的干涉。DMA操作可以通过软件来启动，也可以通过内部设备的请求、或外部请求引脚的请求信号来启动。P137 #DMA操作可以用包括三个状态的有限状态机（FSM）来表述。P137 #S3C2440A芯片有4个通道DMA，共有36个寄存器，其中有6个用于控制DMA传输，3

个用于监视DMA控制器的状态。因此，用户均可以通过访问这些寄存器的值来控制每一个DMA通道的操作。P139 5.5定时器部件

#S3C2440A芯片看门狗定时器是用于噪声或系统错误引起的故障时，恢复控制器操作的定时器，看门狗定时器是一个普通的16位时间间隔定时器，定时溢出来请求终端服务。P147 #看门狗的时钟频率和定时器时钟周期公式：

T_watchdog=1/[PCLK/(prescaler value+1)]/division_factor P148 #看门狗的相关寄存器：看门狗定时器控制寄存器、看门狗定时器数据寄存器、看门狗定时器计数寄存器P149 5.6UART串口

#S3C2440A通用异步接收器和发送器（UART）提供了三个独立的异步串行I/O（SIO）端口，每个端口可以在中断模式或DMA模式下操作。P169 #采用系统时钟时，可支持的最大波特率为115.2kbps，每个通道包括两个64位的FIFO

#每个UART通道中包括一个波特率发生器、一个发送器、一个计数器和一个控制单元

P169 #波特率产生的计算P172 5.7 ADC级触摸屏接口

#S3C2440A具有一个由8通道多路复用器的10位CMOS工艺制作的ADC。2.5MHz转换时钟下的最大转换率在500KSPS.支持片上采样并具有掉电采样模式。P178 #触摸屏接口模式：（1）正常转换模式（2）分离XY坐标转换模式（3）自动（连续）XY 坐标准换模式（4）等待中断模式（5）备用模式P179 #AD转换的数据可以通过中断或查询的方式来访问P180