9.1.5 嵌入式微处理器简介
1.嵌入式系统
嵌入式系统(embedded system)被定义为一种完全嵌入受控器件内部,为特定应用而设计的专用计算机系统,具有以下重要特征。
(1)系统内核小
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统系统要小得多。
(2)专用性强
嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植,需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。
(3)系统精简
嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,另一方面利于实现系统安全。
(4)高实时性的系统软件
这是嵌入式软件的基本要求,软件还要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。
2.嵌入式微处理器
作为嵌入式系统硬件层的核心,嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)是由通用计算机中的CPU演变而来的,具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群专用所设计的系统中,它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化,同时还具有很高的效率和可靠性。
嵌入式微处理器具有以下特点。
①对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
②具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。
③具有可扩展的处理器结构,以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
④必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统,如需要功耗只需毫瓦级甚至是微瓦级。
3.ARM系列微处理器
ARM(Advanced RISC Machine)系列微处理器是英国ARM公司的产品。ARM微处理器是一个32位精简指令集(RISC)处理器。据统计全世界99%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。
(1)ARM微处理器的特点
①体积小、低功耗、低成本、高性能。
②支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好地兼容8位/16位器件。
③大量使用寄存器,指令执行速度更快。
④大多数数据操作都在寄存器中完成。
⑤寻址方式灵活简单,执行效率高。
⑥指令长度固定。
(2)寄存器结构
ARM微处理器共有37个寄存器,被分为若干个组(BANK),这些寄存器包括:
①31个通用寄存器,包括程序计数器(PC指针),均为32位的寄存器;
②6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,只使用了其中的一部分。
(3)指令结构
ARM支持两种指令集:ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令的长度为32位,Thumb指令的长度为16位。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省30%～40%的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。