嵌入式处理器的分类及性能特点。________：嵌入式微控制器、嵌入式微处理器[1]、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统________：嵌入式处理器保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机[2]相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。进入ARM状态执行BX指令BX：带状态切换的跳转指令[3]当操作数[4]寄存器[5]的最低位[0]为0时，可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态BX R0;R0的最低位[0]为0处理器工作在Thumb状态，如果发生异常并进入异常处理子程序[6]，则进入时处理器自动从Thumb状态切换到ARM状态ARM状态下的寄存器组织通用寄存器[7]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[8]R15 (PC)未分组寄存器R0～R7在所有的工作模式下，每个未分组寄存器都指向对应的一个物理寄存器在中断或异常处理进行工作模式转换时，由于不同的处理器工作模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏分组寄存器R8～R14R8～R12每个寄存器对应2个不同的物理寄存器当使用FIQ模式时，访问R8_fiq～R12_fiq当使用其他模式时，访问R8_usr～R12_usrR13、R14每个寄存器对应6个不同的物理寄存器其中一个寄存器是用户模式与系统模式共用另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的工作模式R13寄存器常用作堆栈指针SP（Stack Pointer），一种习惯用法也可使用其他的寄存器作为堆栈指针在Thumb指令集中，某些指令强制使用R13作为堆栈指针在应用程序初始化时，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该工作模式的栈空间R14寄存器也称链接寄存器LR（Link Register）当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份BL Label；下一条指令地址LR, LabelPC当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值其他情况下，R14用作通用寄存器R15寄存器R15寄存器用作程序计数器（PC）在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC在Thumb状态下，位[0]为0，位[31:1]用于保存PC由于ARM体系结构采用了多级流水结构，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前执行指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前执行指令的地址值加8个字节R15也可用作通用寄存器，但一般不这么使用因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的CPSR寄存器用作CPSR(Current Program Status Register)CPSR可在任何工作模式下被访问，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异常模式下有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register）当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR用户模式和系统模式不属于异常模式，没有SPSRThumb状态下的寄存器组织Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）程序计数器（PC）堆栈指针（SP）连接寄存器（LR）CPSR在每一种异常模式下都有一组SP、LR和SPSR两种状态下寄存器比较程序状态寄存器的构成一个当前程序状态寄存器（CPSR）五个备份程序状态寄存器（SPSR）备份的程序状态寄存器用来进行异常处理程序状态寄存器的功能保存ALU中的当前操作信息控制允许和禁止中断设置处理器的工作模式条件码标志（Condition Code Flags）N、Z、C、V均为条件码标志位它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的在Thumb状态下，仅有分支指令[9]B是有条件执行的标志位N当用两个补码表示的带符号[10]数进行运算时N=1表示运算结果为负数N=0表示运算结果为正数或零标志位ZZ=1表示运算结果为零；Z=0表示运算结果为非零标志位V对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出对于其他的非加/减运算指令，V的值通常不改变标志位C加法运算（包括比较指令CMN）：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0减法运算（包括比较指令CMP）：当运算时产生了借位（无符号数溢出），C=1，否则C=0对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变中断禁止位I和FI=1禁止IRQ中断；I=0允许IRQ中断F=1禁止FIQ中断；F=0允许IRQ中断运行状态控制位T对于ARM v5及以上的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态对于ARM v5及以上的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起未定义指令异常；当该位为0时，表示运行于ARM状态工作模式位M[4:0]这些位决定了处理器的工作模式指令助记符ExampleCode:C codevoid swap ( int v[ ] , int k )(int temp ;temp = v[ k ] ;v[ k ] = v[ k + 1 ] ;v[ k + 1 ] = temp ;)寄存器分配[11]vRN0;vKRN1;ktempRN2;local variabletemp2RN3;temporary for v[k+1]vkaddrRN12;to hold address of v[k]ARM codeswap:addvkaddr, v, k, LSL #2; reg vkaddr=v+k*4; reg vkaddr has the address of v[k]LDRtemp, [vkaddr, #0]; temp = v[ k ]LDR temp2, [vkaddr, #4]; temp2 = v[ k + 1 ]STR temp2, [vkaddr, #0]; v[ k ] = temp2STR temp, [vkaddr, #4]; v[ k + 1 ] = tempmovpc, lr; return to calling routine利用硬件握手进行发送和接收数据的工作过程计算机A接收计算机B发送当计算机A准备好，则使DTR有效。计算机B通过采集DSR知道当计算机A准备好接收数据，则可以发送数据当计算机A未准备好，则使DTR无效。计算机B通过采集DSR知道当计算机A未准备好接收数据，则可以停止发送数据计算机B接收计算机A发送当计算机B准备好，则使DTR有效。计算机A采集DSR，知道当计算机B准备好接收数据，则可以发送数据当计算机B未准备好，则使DTR无效。计算机A通过采集DSR知道当计算机B未准备好接收数据，则可以停止发送数据一个USB系统定义为三个部分主机（Host）一个USB系统只有一个主机设备（Device）一个USB系统最多有127个设备集线器[12]也是设备互连（Interconnect）主从结构，只有主机才能启动数据传输[13]–采用主机轮询[14]方式通信（类似程序查询方式）主机与设备可以通信，设备之间不能通信________（单片机）：和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统[15]工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。________________________：DSP处理器是专门用于信号处理[16]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的执行速度。在数字滤波[17]、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成[18]和编码解码器[19]中得到了广泛应用。________：SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言[20]，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路[21]板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件[22]库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

嵌入式处理器的分类及性能特点。

________：嵌入式微控制器、嵌入式微处理器^[1]、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统

________：嵌入式处理器保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机^[2]相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

进入ARM状态

执行BX指令

BX：带状态切换的跳转指令^[3]

当操作数^[4]寄存器^[5]的最低位[0]为0时，可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态

BX R0;R0的最低位[0]为0

处理器工作在Thumb状态，如果发生异常并进入异常处理子程序^[6]，则进入时处理器自动从Thumb状态切换到ARM状态

ARM状态下的寄存器组织

通用寄存器^[7]

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^[8]R15 (PC)

未分组寄存器R0～R7

在所有的工作模式下，每个未分组寄存器都指向对应的一个物理寄存器

在中断或异常处理进行工作模式转换时，由于不同的处理器工作模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏

分组寄存器R8～R14

R8～R12

每个寄存器对应2个不同的物理寄存器

当使用FIQ模式时，访问R8_fiq～R12_fiq

当使用其他模式时，访问R8_usr～R12_usr

R13、R14

每个寄存器对应6个不同的物理寄存器

其中一个寄存器是用户模式与系统模式共用

另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的工作模式

R13寄存器

常用作堆栈指针SP（Stack Pointer），一种习惯用法

也可使用其他的寄存器作为堆栈指针

在Thumb指令集中，某些指令强制使用R13作为堆栈指针

在应用程序初始化时，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该工作模式的栈空间

R14寄存器

也称链接寄存器LR（Link Register）

当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份

BL Label；下一条指令地址LR, LabelPC

当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值

其他情况下，R14用作通用寄存器

R15寄存器

R15寄存器用作程序计数器（PC）

在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC

在Thumb状态下，位[0]为0，位[31:1]用于保存PC

由于ARM体系结构采用了多级流水结构，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前执行指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前执行指令的地址值加8个字节

R15也可用作通用寄存器，但一般不这么使用

因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的

CPSR寄存器

用作CPSR(Current Program Status Register)

CPSR可在任何工作模式下被访问，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

异常模式下有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register）

当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR

用户模式和系统模式不属于异常模式，没有SPSR

Thumb状态下的寄存器组织

Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集

程序可以直接访问

8个通用寄存器（R7～R0）

程序计数器（PC）

堆栈指针（SP）

连接寄存器（LR）

CPSR

在每一种异常模式下都有一组SP、LR和SPSR

两种状态下寄存器比较

程序状态寄存器的构成

一个当前程序状态寄存器（CPSR）

五个备份程序状态寄存器（SPSR）

备份的程序状态寄存器用来进行异常处理

程序状态寄存器的功能

保存ALU中的当前操作信息

控制允许和禁止中断

设置处理器的工作模式

条件码标志（Condition Code Flags）

N、Z、C、V均为条件码标志位

它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行

在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的

在Thumb状态下，仅有分支指令^[9]B是有条件执行的

标志位N

当用两个补码表示的带符号^[10]数进行运算时

N=1表示运算结果为负数

N=0表示运算结果为正数或零

标志位Z

Z=1表示运算结果为零；Z=0表示运算结果为非零

标志位V

对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出

对于其他的非加/减运算指令，V的值通常不改变

标志位C

加法运算（包括比较指令CMN）：

当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0

减法运算（包括比较指令CMP）：

当运算时产生了借位（无符号数溢出），C=1，否则C=0

对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位

对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变

中断禁止位I和F

I=1禁止IRQ中断；I=0允许IRQ中断

F=1禁止FIQ中断；F=0允许IRQ中断

运行状态控制位T

对于ARM v5及以上的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态

对于ARM v5及以上的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起未定义指令异常；当该位为0时，表示运行于ARM状态

工作模式位M[4:0]

这些位决定了处理器的工作模式

指令助记符

ExampleCode:

C code

void swap ( int v[ ] , int k )

{

int temp ;

temp = v[ k ] ;

v[ k ] = v[ k + 1 ] ;

v[ k + 1 ] = temp ;

}

寄存器分配^[11]

vRN0;v

KRN1;k

tempRN2;local variable

temp2RN3;temporary for v[k+1]

vkaddrRN12;to hold address of v[k]

ARM code

swap:addvkaddr, v, k, LSL #2; reg vkaddr=v+k*4

; reg vkaddr has the address of v[k]

LDRtemp, [vkaddr, #0]; temp = v[ k ]

LDR temp2, [vkaddr, #4]; temp2 = v[ k + 1 ]

STR temp2, [vkaddr, #0]; v[ k ] = temp2

STR temp, [vkaddr, #4]; v[ k + 1 ] = temp

movpc, lr; return to calling routine

利用硬件握手进行发送和接收数据的工作过程

计算机A接收计算机B发送

当计算机A准备好，则使DTR有效。计算机B通过采集DSR知道当计算机A准备好接收数据，则可以发送数据

当计算机A未准备好，则使DTR无效。计算机B通过采集DSR知道当计算机A未准备好接收数据，则可以停止发送数据

计算机B接收计算机A发送

当计算机B准备好，则使DTR有效。计算机A采集DSR，知道当计算机B准备好接收数据，则可以发送数据

当计算机B未准备好，则使DTR无效。计算机A通过采集DSR知道当计算机B未准备好接收数据，则可以停止发送数据

一个USB系统定义为三个部分

主机（Host）

一个USB系统只有一个主机

设备（Device）

一个USB系统最多有127个设备

集线器^[12]也是设备

互连（Interconnect）

主从结构，只有主机才能启动数据传输^[13]

–采用主机轮询^[14]方式通信（类似程序查询方式）

主机与设备可以通信，设备之间不能通信

________（单片机）：和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统^[15]工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

________________________：DSP处理器是专门用于信号处理^[16]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的执行速度。在数字滤波^[17]、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成^[18]和编码解码器^[19]中得到了广泛应用。

________：SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言^[20]，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路^[21]板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件^[22]库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。