雅安市网站建设_网站建设公司_jQuery_seo优化

二、嵌入式处理器

1.嵌入式处理器的结构类型

• 指令集：CISC（复杂）/RISC（精简）指令系统，包括：基本数据类型、寄存器、寻址模式、指令、中断以及外部I/O等。
• 存储结构

2.典型嵌入式处理器简介

2-1.ARM处理器

主流为32位，特点为耗电省、成本低、功能强。

• 单周期（RISC架构）
• 只使用加载/存储指令访问内存
• 指令长度固定
• 三地址指令格式
• 指令流水线技术
• 低功耗设计

2-2.ARM指令集的比较

• ARM指令集：全部是32位的指令，其基本指令主要进行8位、16位、32位整数的运算，可扩充浮点运算指令、数字信号处理指令等
• Thumb指令集：从ARMv4T开始，全部是16位字长的指令，可看作ARM指令的压缩模式
• Thumb-2指令集：混合的指令集，既有 16位又有32位

2-3.典型ARM处理器

分五类:经典ARM、ARM Cortex嵌入式处理器、ARM Cortex实时嵌入式处理器、ARM Cortex应用处理器、ARM专家处理器。

Cortex-R4：支持ARM/Thumb-2指令集，有可选的浮点数运算，可用于汽车电子

Cortex-A：常用于智能手机，除A50为64位，其他均为32位

Cortex-M嵌入式处理器

3.ARM处理器的工作状态及工作模式

3-1.ARM处理器的工作状态

（1）ARM状态：ARM处理器工作于32位指令的状态，所有指令均为32位宽度。

（2）Thumb状态：ARM处理器执行16位指令的状态，此时代码密度变大，占用内存空间减小。

（3）调试状态：处理器停机调试时进入调试状态。

1.除Cortex-M系列处理器外，所有ARM处理器复位后开始执行代码时总是处于ARM状态。

2.Cortex-M系列处理器因为只有Thumb-2指令集，所以只有Thumb状态和调试状态。

ARM和Thumb状态的切换：

（1）由ARM状态切换到Thumb状态

通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为1即可将ARM状态切换到Thumb状态。如果R0[0]=1，则执行BX R0指令进入Thumb状态。如果Thumb状态进入异常处理（异常处理要在ARM状态下进行），当异常返回时，将自动切换到Thumb状态。

（2）由Thumb状态切换到ARM状态

通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为0即可将Thumb状态切换到ARM状态。如果R0[0]=0，则执行BX R0指令进入ARM状态。如果进入异常处理，则从异常向量地址开始执行，将自动进入ARM状态。

3-2.ARM处理器的工作模式

ARM体系结构支持7种工作模式，取决于程序状态寄存器CPSR低5位的值。

ARM处理器工作模式之间可以相互转换，发生异常时，处理器自动改变CPSR[M4：M0]的值，从而改变模式。

4.ARM处理器的寄存器组织

4-1. ARM状态下的寄存器组织

ARM处理器在ARM状态下共有37个寄存器，其中31个为通用寄存器（包括PC），剩余6个为状态寄存器。

1）通用寄存器

• 公共寄存器: R7-R0为所有工作模式公用的通用寄存器，R8-R14根据不同模式有分别。
• PC寄存器: R15（PC）始终作为程序计数器使用，指向将要执行的下一条指令的地址。
• CPSR寄存器: 当前程序状态寄存器，记录当前程序的状态。
• SPSR寄存器：备份状态寄存器，对CPSR的备份，当从用户模式转到其他模式时，备份状态寄存器记录CPSR的状态，用于保护现场。

2）状态寄存器

程序寄存器（CPSR/SPSR）格式如下：前5位是条件码标志，后8位是控制位I、F、T、M4~M0。

NZCVQ标志位:

• N: 符号标志，N=1表示运算结果为负数，N=0表示运算结果为正数。
• Z: 零标志，运算结果为0时Z=1，否则Z=0。
• C: 进借位标志，加法有进位时C=1，无进位时C=0；减法有借位时C=0，无借位时C=1。
• V: 溢出标志，加减法运算结果有溢出时V=1，否则V=0。
• Q: 增强的DSP运算指令溢出标志，溢出时Q=1，否则Q=0。

中断控制位:

• I：禁止外部中断IRQ控制位，I=1禁止外部中断IRQ，I=0允许外部中断IRQ。
• F: 禁止快速中断FIQ的控制位，F=1禁止FIQ中断，F=0允许FIQ中断。
• T: ARM和Thumb指令切换位，T=1时执行Thumb指令，否则执行ARM指令。

模式选择位：M4~M0，决定控制器工作于何种模式。

4-2. Thumb状态下的寄存器组织

Thumb状态下的寄存器组是ARM状态下寄存器组的子集。R0-R7为低位寄存器，所有ARM处理器的不同状态均可使用，R8-R12在16位指令模式下不能使用，只有在32位指令状态下才可当作通用寄存器使用。R13 (SP)为堆栈指针，分为PSP（进程堆栈指针）和MSP（主堆栈指针）；R14 (LR)为链接寄存器；R15 (PC)是程序计数器；状态寄存器为 xPSR（包括CPSR和SPSR）。

5.ARM处理器的异常

异常是指在程序正常执行过程中，由于内部或外部事件引起的请求，使处理器暂停当前工作，去处理其他事情，处理完毕后返回原程序继续执行。在操作系统或组成原理中，中断和异常通常被归为同一类概念。中断可视为异常的一种，用于处理内部或外部事件。

5-1. 异常的种类

ARM体系结构（除Cortex外）中共有7种异常，异常优先级分为6级，复位(RESET)优先级最高，未定义指令(UND)和软件中断(SWI)优先级相同且最低。每个异常中断向量占据4个字节，异常向量地址用于定位异常处理程序的入口。复位异常优先级最高，发生时PC无条件指向0x00000000，通常此处放置无条件转移指令，跳转到系统初始化程序。

5-2. 异常的中断响应过程

1）保护现场

将CPSR的值保存到将要执行的异常中断对应的SPSR中，以实现对处理器当前状态、中断屏蔽及各标志位的保护。

2）设置CPSR相应位

设置CPSR中的M4~M0位，进入相应工作模式；设置I=1禁止IRQ中断；若进入复位模式或FIQ模式，还需设置F=1禁止FIQ中断。

3）保存断点地址

将引起异常指令的下一条地址（断点地址）保存到新的异常工作模式的LR(R14)中，以便异常处理程序执行完后能正确返回原程序。每种异常模式对应两个寄存器SP（R13_mode）和LR(R14_mode),分别存放堆栈指针和断点地址。

4）给PC赋值

给程序计数器PC强制赋值，转入异常向量地址，以便执行相应的处理程序。

5）恢复用户寄存器（除复位）

将SPSR_mode寄存器值复制到CPSR中，恢复原先的CPSR状态，根据异常类型将PC值恢复成断点地址，继续执行用户原来运行着的程序。

6）清除中断禁止标志

清除CPSR中的中断禁止标志I和F，开放外部中断IRQ和快速中断FIQ。

6.ARM的存储器格式及数据类型

ARM存储器是从0x00000000地址开始的以字节为单位的线性阵列，每个数据字32位占4个字节的地址空间，按0号、1号、2号、3号字节排列 。ARM支持的最大寻址空间为4GB。

6-1.ARM的两种存储字的格式

（1）大端模式

在大端模式下，32位数据字的高字节存储在低地址中，低字节存放在高地址中。如32位数据字0x32145678存放在起始地址为0x30001000时，高字节32存放在低地址0x30001000，低字节78存放在高地址0x30001003。

（2）小端模式

在小端模式下，32位数据字的高字节存放在高地址，低字节存放在低地址。如32位数据字0x12345678存放在起始地址为0x30001000时，低字节78存放在低地址0x30001000，高字节12存放在高地址0x30001003。

6-2. 存储器的数据类型

除Cortex-A50外，32位ARM处理器支持字节(8位)、半字(16位)、字(32位)三种数据类型。字需要4字节对齐（地址的低两位为0），半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）。每种数据类型又支持有符号数和无符号数，因此共有6种数据类型。ARM还支持其他类型的数据，如浮点数等数据类型。

7.ARM处理器中的MMU和MPU

7-1. MMU

1）MMU的功能

• 虚拟地址到物理地址映射: ARM处理器产生的地址是虚拟地址，MMU负责将这些虚拟地址转换为物理地址，通过查找页表完成转换。页表存储在内存储器中，记录虚拟地址与物理地址的对应关系。
• 存储器访问权限控制: 存储器的访问权限可以按块（页）为单位设置，包括不可访问、只读、可读/写等权限。访问具有不可访问权限的页时，会产生存储器异常信号通知ARM处理器。

2）存储器访问的顺序

（1）TLB查找: 执行加载/存储指令访问存储器时，MMU首先查找TLB（Translation Lookaside Buffer，转换后备缓冲器）中的转换表。

（2）页表查找: 如果TLB中没有找到对应项，则硬件自动查找主存储器内的页表，获取虚拟地址到物理地址的转换信息和访问权限信息。

（3）中断处理: 如果页表中也找不到转换信息，则产生中断（缺页中断），由操作系统（OS）进行处理。

7-2. MPU

MPU（Memory Protection Unit，存储器保护单元）是对存储器进行保护的可选组件。提供简单代替MMU的方法来管理存储器，通过定义域（区域）来控制指令内存和数据内存的访问。MPU允许ARM处理器的4GB地址空间定义8对域，分别控制8个指令区域和8个数据区域。每个域的首地址和界（或长度）均可编程。

8.ARM指令

8-1. ARM指令分类

ARM的指令集可分为分支指令、数据处理指令、程序状态寄存器(CPSR)处理指令、加载/存储指令、协处理器指令、异常产生指令六种。

• 分支指令: 如B、BL、BLX、BX等，用于控制程序流程，实现跳转。
• 数据处理指令: 如ADD、SUB、MUL等，用于进行算术和逻辑运算。
• 程序状态寄存器(CPSR)处理指令: 如MSR、MRS等，用于操作程序状态寄存器。
• 加载/存储指令: 如LDR、STR、LDM、STM等，用于数据在寄存器和存储器之间的传输。
• 协处理器指令: 如CDP、MCR、MRC等，用于与协处理器进行交互。
• 异常产生指令: 如SWI、BKPT等，用于产生异常或中断。

8-2. ARM指令格式

• <opcode>: 指令的操作码，即助记符，如MOV、ADD、B等，用于指定指令的功能。

• {cond}: 指令执行的条件码，如EQ、NE等，满足条件时指令才会执行。条件码共有16种，位于指令的最高4位。可省略。
• {S}：指令执行时是否更新CPSR，可省略。
• Rd：目的寄存器
• Rn：第一个源操作数
• op2：第二个源操作数

8-3.操作数符号

• 立即数符号(#): 表示立即数，其后可以是十进制数或十六进制数。
• 十六进制符号(0x): 表示其后的数据为十六进制数。
• 更新基址寄存器符号(!): 指令完成后，将最后地址写入基址寄存器。
• 复制SPSR到CPSR符号(^): 用于批量数据存储指令中放在寄存器后面当后缀，当其前面寄存器不包括PC时，该符号表示所用的寄存器是用户模式的寄存器；当其前面的寄存器包含PC时，该符号指示将SPSR的值复制到CPSR。
• 寄存器列表范围符号(-): 表示多个连续寄存器，如R0-R7。

8-4.移位操作

移位操作类型包括LSL(逻辑左移)、ASL(算术左移)、LSR(逻辑右移)、ASR(算术右移)、ROR(循环右移)以及RRX(带扩展的循环右移)。移位操作格式:Rm, <opsh> #<shift>，其中Rm为要移位的通用寄存器，<opsh>为移位操作符，<shift>为移位次数(0~31)。

9.ARM指令的寻址方式

1. 立即寻址

立即寻址也称立即数寻址，操作数本身就在指令中给出，取出指令即取到操作数。立即数前带有“#”前缀，十六进制立即数还需在“#”后加“0x”。例: MOV R0,#0x11，ADC R0,#99。

2. 寄存器寻址

利用寄存器中的数值作为操作数。例: ADD R3,R1,R2，将R1和R2的数据相加后存入R3。

3. 寄存器间接寻址

寄存器中存储的是操作数所在内存地址，通过该地址访问操作数。寄存器名用中括号[]括起来表示间接寻址。例: LDR R0,[R1]，将R1指向地址中的值加载到R0。

4. 基址加变址寻址

将基址寄存器的内容与指令中的地址偏移量相加，得到操作数的有效地址。常用于访问基地址附近的内存单元。例: LDR R0,[R1,#3]，将R1+3地址中的值加载到R0。

5. 相对寻址

以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，相加后得到操作数的有效地址。主要用于跳转指令。例: BL Subroutine_A，跳转到子程序Subroutine_A处执行。

6. 堆栈寻址

堆栈是一种数据结构，按先进后出(FILO)方式工作，使用堆栈指针指示当前操作位置。分为递增堆栈和递减堆栈，各有满栈和空栈两种工作方式。例: 满递增堆栈，堆栈指针指向最后压入的数据，地址由低向高生成。

7. 块拷贝寻址

又称多寄存器寻址，一条指令可完成多个寄存器值的传送。最多可传送16个通用寄存器的值。例:LDMIA R0，[R1,R2,R5,R9],表示[R0]->R1;[R0+4]->R2;[R0+8]->R5;[R0+12]->R9。

10.ARM支持的伪指令

在ARM汇编语言程序中，有一些特殊指令助记符没有相对应的操作码，通常称为伪指令。ARM汇编的伪指令类型包括符号定义、数据定义、汇编控制、宏指令等

10-1.符号定义伪指令

• 符号定义目的:定义符号，提供数据
• 符号定义内容:变量名与表达式
• 符号对应的地址:存储数据的地址，分为全局(global)和局部(local)
• 符号定义的数据类型:数值(arithmetic)、逻辑(logic)、字符(string)
• 符号赋值:使用set进行赋值，有初始化过程

10-2.数据定义伪指令

数据定义伪指令以d开头，b代表byte，即连续的字节；w代表半字，即每两个字节一组；d代表字；q代表双字，即连续的双字存储。示例:dcb表示定义连续的字节存储；dcw表示定义三个连续的半字存储，并初始化为123。

10-3.汇编控制伪指令

汇编控制伪指令类似于C语言中的if else和循环结构。if逻辑表达式为真时执行特定代码段，否则执行另一代码段。

汇编控制伪指令示例一（if else结构）:

GB ll test：生成全局逻辑变量test。

if test等于true，执行指定序列一；否则，执行指定序列二。

汇编控制伪指令示例二（循环结构）:

gbl a count：定义一个名为count的竖直边变量。

count set a 3：将count的值设置为3。

当count小于10时，执行循环体指令序列。

循环中可能包含使count逐渐加一的操作，直至满足终止条件。

10-4.其他伪指令

• 断明l指令:涉及程序、数据的分段，段有很多属性
• 段的属性:包括代码d、只读read only、可读可写read why、对齐a line、16位或32位指令集
• entry和end:汇编程序的入口和结束
• equ指令:定义一个常量，类似于C语言的define
• export指令:全局标号声明
• import指令:引入一个不在当前范围内的标号作为指令
• exchange指令:外部标号的引用

11.ARM汇编语言的语句格式

汇编语言的语句由标号、指令或伪指令以及注释组成。指令或伪指令的助记符可以全大写或全小写，但不可大小写混用。

符号约定:

• 区分大小写: 同名但大小写不同的符号被视为两个不同的符号。
• 唯一性: 符号在其作用范围内必须唯一，不允许重名。
• 避免与保留字重名: 自定义符号名不能与系统的保留字或指令、伪指令同名。

变量与常量:

• 变量: 其值在程序运行过程中可以改变的量。
• 常量: 其值在程序运行过程中不能改变的量。
• 变量代换: 程序中的变量可以通过代换操作取得一个常量值。

11-1.在汇编语言程序中的表达式和运算符

运算次序:

• 优先级相同的双目运算符从左到右运算。
• 括号运算符的优先级最高。
• 相邻的单目运算符从右到左运算，且单目运算符的优先级高于其他运算符。

数值表达式构成: 由数值常量、数值变量、数值运算符和括号构成。

常用运算符:

• • • 算术运算符: +、-、*、/ 及 MOD。
    • 移位运算符: ROL、ROR、SHL 及 SHR。
    • 数值逻辑运算符: AND、OR、NOT 及 EOR。

逻辑表达式构成: 由逻辑量、逻辑运算符和括号构成，运算结果为真或假。

常用运算符:

• • • 关系操作符: =、>、<、>=>=>=、<=<=<=、/=。
    • 逻辑运算符: LAND、LOR、LNOT 及 LEOR。

注意: 逻辑运算符前的“L”用于与位运算符区分。

字符串表达式构成: 由字符串常量、字符串变量、运算符和括号构成。字符串最大长度为512B。

常用运算符:

• • • 返回字符串长度运算符: LEN。
    • 字节整数转换为字符运算符: CHR。
    • 字符串转换运算符: STR。
    • 返回左端字符串运算符: LEFT。
    • 返回右端字符串运算符: RIGHT。
    • 合并字符串运算符: CC。

11-2. S3C2410系统引导程序代码

1）系统引导程序的功能

• 关看门狗定时器: 引导程序首先会关闭看门狗定时器和中断，以确保系统稳定启动。
• 设置CPU速率及时钟频率: 接着，设置CPU的速率和时钟频率，为系统提供基本的运行参数。
• 设置堆栈: 设置堆栈，为程序的运行提供必要的内存空间。
• 切换用户模式并初始化用户堆栈: 切换至用户模式，并初始化用户堆栈，为应用程序的运行做准备。
• 初始化设备寄存器: 如果使用DRAM或其他设备，还需要设置相关寄存器，初始化这些设备。
• 初始化存储空间: 初始化存储空间，为数据的存储和读取提供条件。
• 跳转到C程序入口: 最后，跳转到C程序的入口，开始执行主程序。

2）启动文件Startup.S及其代码分析

• 启动文件: 引导程序的主要实现文件是Startup.S，这是一个启动代码文件。
• 分析时机: 由于启动代码中涉及许多S3C2410内部硬件知识，建议在学习完第3章相关内容后，再详细分析Startup.S代码。

11-3. 顺序程序设计

顺序程序设计也称简单程序设计或直接程序设计，没有分支，也没有循环，是按照指令顺序一条一条执行下去的程序结构。

11-4. 分支程序设计

ARM分支程序结构通过分支指令B与条件执行相结合来实现。分支指令B通常与cmp等指令结合，根据cmp的比较结果或其他运算结果对状态寄存器的位进行改变，从而决定是否进行跳转。

例: 如三个数（8，2，6）的降序排序过程，首先比较a（8）与b（2），因a大于等于b，所以不变；接着比较b（2）与c（6），因b不大于c，所以交换b与c的位置，得到（8，6，2）；最后再次比较a（8）与b（6），因a大于等于b，所以排序完成，得到降序排列（8，6，2）。

11-5. 循环程序设计

1）循环控制部分

• 循环初始部分: 为开始循环准备必要的条件，如循环次数、循环体需要的初始值等。
• 循环体部分: 重复执行的程序代码，其中包括对循环条件修改的程序段。
• 循环控制部分: 判断循环条件是否成立，决定是否继续循环，是编程的关键和难点。分为先循环后判断和先判断后循环两种方式。

2）由计数控制循环

• 方法: 用一个通用寄存器Rn(n=0,1,2,3,4,5,6,7)作为计数器，先给初始值，然后每循环一次减1，直到循环次数为0结束循环。
• 程序结构: 初始化计数器→执行循环体→修改计数器值→判断计数器值是否为0→是则结束循环，否则继续循环。

3）由条件控制循环

11-6. 子程序设计

在汇编语言设计中，子程序设计是指将单独的功能块进行独立设计。目的是提高代码的模块化和可重用性。

子程序调用采用BL指令。格式为BL + 子程序名。BL指令会保存返回地址，以便子程序执行完毕后能够返回到调用处。

11-7. 多段结构程序设计

在ARM汇编语言程序中，除了可以使用一个代码段外，还可以定义多个数据段，以便对数据进行更灵活的操作。