第1 部分嵌入式系统导论1、嵌入式系统的定义●通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。
●嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
2、嵌入式计算机与通用计算机的异同3、嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。
4、为什么需要嵌入式操作系统1)让应用程序脱离硬件，这样应用程序的移植性会更好；2)操作系统为复杂的系统提供管理机制。
5、嵌入式系统的特点及每个特点的说明[不是简答]1)嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的2)嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持3)嵌入式系统通常极其关注成本4)嵌入式系统有实时性和可靠性的要求5)嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统6)嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法1）嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的：一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。
它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。
嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。
2）嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持：通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。
嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。
在嵌入式微处理器产业链上，IP 设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。
大家分工协作，形成多赢模式。
有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。
3）嵌入式系统通常极其关注成本：嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。
嵌入式的系统成本包括:一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等批量产品的总体成本=NRE 成本+每个产品成本*产品总量每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=（NRE 成本/产品总量）+每个产品成本4）嵌入式系统有实时性和可靠性的要求：一方面大多数实时系统都是嵌入式系统。
另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载到内存中运行具有快速启动的功能。
并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。
嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。
在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启动机制。
5）嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统：由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。
大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。
可根据应用的情况进行剪裁、配置。
嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十KB，能与应用软件一样固化运行。
一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。
6）嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法：多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：产品定义，软件与硬件设计与实现，软件与硬件集成，产品测试与发布，维护与升级6、嵌入式系统的分类[填空]按嵌入式处理器的位数来分类：4、8、16、32、64按应用来分类：信息家电类、移动终端类、通信类、工业控制类、汽车电子类按速度分类：强实时系统、一般实时系统、弱实时系统按确定性来分类：硬实时、软实时按嵌入式系统软件结构来分类：循环轮询系统、有限状态机系统、前后台系统、单处理器多任务系统、多处理器多任务系统第2 部分嵌入式系统硬件设计1、嵌入式硬件系统由哪几部分组成嵌入式系统的硬件是以包含嵌入式微处理器的SoC 为核心，主要由SoC、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。
2、几个基本概念：冯.诺依曼与哈佛结构、CISC 和RISC、主存、外存、MPU、MMU、Cache、TCM、Write buffer、总线、异常、交叉编译、交叉开发、寻址方式、堆栈、串行总线冯.诺依曼：将指令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。
哈佛结构：程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。
CISC：复杂指令集RISC：精简指令集主存：主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据。
大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。
系统上电后在主存中的代码直接运行。
主存储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM、NorFlash、SRAM、DRAM 等存储器件。
外存：外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息，相对主存而言具有价格低、容量大的特点。
在嵌入式系统中除部分采用硬盘外，大多数采用电子盘做外存，电子盘的主要种类有：NandFlash SD（Secure Digital）CompactFlash U 盘MPU–内存保护单元：控制内存访问权限，控制内存区域的属性（cacheable, bufferable）MMU–内存管理单元：具有MPU 的所有特性，另外提供虚拟地址到物理地址的转换Cache（高速缓存）：快速的本地内存，存放最近被访问过的内存的副本TCM –紧耦合内存：快速的本地内存，特定的地址范围Write buffer（写缓存区）：减少了写数据到外部内存的次数总线：总线是CPU 与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。
异常：是由内部或者外部原因引起的，当异常发生时CPU 将暂停执行当前指令自动到指定的向量地址读取指令并且执行。
交叉编译：在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码交叉开发：主机环境下开发，目标机上运行。
寻址方式：寻址方式是根据指令中给出的地址字段来实现寻找真实操作数地址的方式。
堆栈：堆栈是一个按特定顺序进行存取的存储区，操作顺序为“先进后出”。
串行总线：串行总线是指按位传送数据的通路。
其连接线少、接口简单、成本低、传送距离远，被广泛用于嵌入式系统与外设的连接和计算机网络。
3、CISC 和RISC 的异同[选择题]CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/2 原则：80%的程序只使用20%的指令RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令使CPU 硬件结构设计变得更为简单大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
类别CISC RISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15 字节编码长度固定，通常为 4 个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器进行算术和逻辑操作，Load/Store 体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序4、ARM 处理器的特点●集成度●体系结构:算术格式定点运算功能单元流水线单周期执行指令●指令集:●性能:低端低价低性能50MIPS 中档低功耗150MIPS 高端高强度计算●功耗和管理降低电压提供不同的时钟频率关闭暂时不使用的功能块提供功耗管理机制●成本●ARM 内核是一种32 位RISC 微处理器，具有功耗低、性价比高、代码密度高等三大特色。
ARM 处理器的分类结构体系版本（Architecture）ARM v4T——ARM7 ARM9ARM v5TE——ARM9 ARM10ARM v6——ARM11ARM Cortex (v7)——ARM Cortex按应用特征分类应用处理器Application Processor 特征：MMU, Cache 最快频率、最高性能、合理功耗实时控制处理器Real-time Controller 特征：MPU, Cache 实时响应、合理性能、较低功耗微控制器Micro-controller 特征：no sub-memory system 一般性能、最低成本、极低功耗ARM 的异常类型及对异常的处理过程(进入异常，处理器完成那些操作；退出异常，处理器完成那些操作)，异常的优先级类型：BL、软件中断SWI、未定义指令、预取指中断、快中断、中断、数据中止、复位进入：1.在适当的LR 中保存下一条指令的地址，当异常入口来自：▪ARM 状态，那么ARM7TDMI 将当前指令地址加4 或加8 复制（取决于异常的类型）到LR 中；▪为Thumb 状态，那么ARM7TDMI 将当前指令地址加2、4 或加8 （取决于异常的类型）复制到LR 中；异常处理器程序不必确定状态。
2.将CPSR 复制到适当的SPSR 中；3.将CPSR 模式位强制设置为与异常类型相对应的值；4.强制PC 从相关的异常向量处取指。
ARM7TDMI 内核在中断异常时置位中断禁止标志，这样可以防止不受控制的异常嵌套。
注：异常总是在ARM 状态中进行处理。
当处理器处于Thumb 状态时发生了异常，在异常向量地址装入PC 时，会自动切换到ARM 状态。
退出：1.将LR（R14 ）中的值减去偏移量后存入PC，偏移量根据异常的类型而有所不同；2.将SPSR 的值复制回CPSR；3.清零在入口置位的中断禁止标志。
注：恢复CPSR 的动作会将T、F 和I 位自动恢复为异常发生前的值。
异常优先级：复位、数据终止、FIQ、IRQ、预取终止、未定义指令、SWI（软件中止）ARM 微处理器的编程模型支持哪些数据类型，CPU 模式，CPU 模式转变需通过什么方式，处理器的工作状态及切换处理器状态用什么汇编指令切换及切换到何状态，寄存器及每个寄存器的作用，寄存器个数等编程模型：数据类型最低两位字节型数据：数据宽度为8bits半字数据类型：数据宽度为16bits，存取式必须以2 字节对齐的方式字数据类型：数据宽度为32bits，存取式必须以4 字节对齐的方式CPU 模式的转变：软件控制异常外部中断⏹处理器有两种工作状态：⏹ARM：32 位，执行字对准的ARM 指令⏹Thumb：16 位，执行半字对准的Thumb 指令ARM 和Thumb 之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容⏹进入Thumb 状态：⏹执行BX 指令，并设置操作数寄存器的状态（位[0]）为1。
