微機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

前言

　　嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用已廣泛地滲透于現(xiàn)實(shí)社會(huì)的科研、生產(chǎn)、軍事和日常民用中，并且還在向更廣的范圍和深度快速發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)涉及到微機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，需要設(shè)計(jì)人員有較高的綜合能力。　　以往的教材多以Intel公司的X86為模型機(jī)講解微機(jī)原理，著重講解微型計(jì)算機(jī)的基本概念和原理；而在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，則認(rèn)為讀者已具備了微機(jī)原理知識(shí)，僅補(bǔ)充學(xué)習(xí)嵌入式微處理器原理，在現(xiàn)有的課程體系中，需要通過(guò)不同的課程，來(lái)學(xué)習(xí)微機(jī)原理和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)?！　”緯?shū)是作者基于多年的微機(jī)原理和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)與科研的積累而寫(xiě)成的，結(jié)合了微機(jī)原理基本概念和嵌入式微控器原理與應(yīng)用，力圖使讀者較快地、有針對(duì)性地學(xué)習(xí)微機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短讀者學(xué)習(xí)的周期，旨在為學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人員提供入門(mén)級(jí)的微機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)。　　本書(shū)以最常用的嵌入式微處理器ARM7為模型機(jī)，系統(tǒng)地講解了微型計(jì)算機(jī)的基本概念、組織結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而講解了廣泛使用的恩智浦公司的嵌入式微控器LPC2132的基本原理，包括LPC2000系列微控器的指令系統(tǒng)、常用資源的原理和應(yīng)用等。基礎(chǔ)較好的讀者在學(xué)習(xí)過(guò)程中，可以結(jié)合恩智浦公司給出的LPC2132數(shù)據(jù)手冊(cè)深入地學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)?！　W(xué)習(xí)本課程時(shí)要注意基本概念和基本理念的建立，更要注意在實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)概念的理解。本書(shū)使用周立功公司的EasyARM2131開(kāi)發(fā)板作為學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)價(jià)格低廉，其低層次的系統(tǒng)封裝更有助于對(duì)嵌入式系統(tǒng)工作原理的理解，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)至少要掌握一種開(kāi)發(fā)工具，本書(shū)給出了ARM公司的嵌入式開(kāi)發(fā)工具ADS的簡(jiǎn)介，便于讀者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中初步掌握該工具的使用。

內(nèi)容概要

　　《微機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)》以ARM7TDMI處理器為模型機(jī)講述了微型計(jì)算機(jī)原理，同時(shí)講述了常用的嵌入式微控器LPC2132的基本組成結(jié)構(gòu)和工作原理。《微機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)》共分為8章，主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、ARM7體系結(jié)構(gòu)、ARM7指令系統(tǒng)與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器原理與擴(kuò)展、輸入/輸出與中斷技術(shù)、LPC2132系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與資源原理以及ARM開(kāi)發(fā)工具ADS?！段C(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)》結(jié)構(gòu)合理，概念清晰，講解深入淺出，既可作為高等院校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)“微型計(jì)算機(jī)原理”和“嵌入式設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”等課程的教材，也可作為廣大嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)愛(ài)好者的入門(mén)學(xué)習(xí)教材。

書(shū)籍目錄

第1章 計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí) 11.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 11.1.1 引言 11.1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 11.1.3 馮?諾伊曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 21.1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 51.1.5 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 51.2 數(shù)制和計(jì)算機(jī)中的數(shù)值表示與處理 61.2.1 無(wú)符號(hào)數(shù)的十進(jìn)制、十六進(jìn)制、二進(jìn)制表示法與運(yùn)算 71.2.2 帶符號(hào)數(shù)的原碼、反碼和補(bǔ)碼表示 111.2.3 補(bǔ)碼的運(yùn)算、溢出及其判斷方法 141.2.4 真值與機(jī)器數(shù) 181.3 計(jì)算機(jī)中的其他信息編碼 191.3.1 BCD編碼 191.3.2 字符ASCII編碼 211.4 嵌入式系統(tǒng)概述 231.4.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 231.4.2 嵌入式處理器的分類(lèi)與發(fā)展概況 241.4.3 常見(jiàn)的幾種嵌入式操作系統(tǒng)介紹 26本章小結(jié) 29習(xí)題 30第2章 ARM7體系結(jié)構(gòu) 322.1 概述 322.1.1 RSIC處理器與CISC處理器結(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)介 332.1.2 ARM7 TDMI 332.1.3 ARM7處理器的三級(jí)流水線 352.2 ARM7的狀態(tài)與模式 372.3 ARM7的寄存器 392.3.1 ARM狀態(tài)下的寄存器 392.3.2 ARM處理器特別功能寄存器 412.3.3 Thumb狀態(tài)下的寄存器 452.4 ARM7當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR） 462.4.1 CPSR中的控制位 472.4.2 CPSR中的狀態(tài)標(biāo)志位 482.5 ARM7的異常與異常處理 492.5.1 ARM7的異常 492.5.2 ARM7的異常處理 492.6 ARM7的存儲(chǔ)系統(tǒng) 522.6.1 ARM7處理器尋址空間 532.6.2 存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)組織的形式 53本章小結(jié) 54習(xí)題 55第3章 ARM7 TDMI指令系統(tǒng) 573.1 ARM7 TDMI編程模型 573.2 ARM7 TDMI的尋址方式 573.2.1 數(shù)據(jù)處理指令操作數(shù)尋址方式 583.2.2 存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令操作數(shù)尋址方式 593.3 ARM7 TDMI指令的條件執(zhí)行 613.4 ARM指令集 633.4.1 ARM指令的基本格式 633.4.2 ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令 653.4.3 ARM數(shù)據(jù)處理指令 723.4.4 ARM分支指令 773.4.5 ARM雜項(xiàng)指令 783.4.6 ARM軟中斷指令 813.4.7 ARM偽指令 813.5 Thumb指令集 843.5.1 Thumb存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令 853.5.2 Thumb數(shù)據(jù)處理指令 863.5.3 Thumb分支指令 873.5.4 Thumb軟中斷指令 873.5.5 Thumb偽指令 87本章小結(jié) 88習(xí)題 89第4章 ARM7 TDMI匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 914.1 匯編語(yǔ)言的基本概念 914.2 ARM匯編程序的組成與結(jié)構(gòu) 924.2.1 匯編器偽指令 944.2.2 ARM匯編程序中的數(shù)據(jù)定義 944.3 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基本方法 974.3.1 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的基本概念 974.3.2 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的流程 984.3.3 順序程序設(shè)計(jì) 994.3.4 分支程序設(shè)計(jì) 1004.3.5 循環(huán)程序設(shè)計(jì) 1014.3.6 子程序設(shè)計(jì) 1054.4 匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言交叉編程 1094.4.1 匯編程序與C程序間變量互訪 1094.4.2 匯編程序調(diào)用C程序 1104.4.3 C程序調(diào)用匯編程序 1114.4.4 C程序中內(nèi)嵌匯編代碼 112本章小結(jié) 113習(xí)題 114第5章 存儲(chǔ)器原理與擴(kuò)展 1155.1 概述 1155.1.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類(lèi) 1165.1.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的常用術(shù)語(yǔ) 1175.1.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo) 1185.2 隨機(jī)存儲(chǔ)器 1195.2.1 靜態(tài)RAM 1195.2.2 動(dòng)態(tài)RAM 1245.3 只讀存儲(chǔ)器 1275.3.1 掩膜式ROM 1275.3.2 一次編程式ROM 1285.3.3 多次編程式ROM 1285.4 Flash存儲(chǔ)器 1305.4.1 類(lèi)型及特點(diǎn) 1305.4.2 芯片介紹 1325.5 存儲(chǔ)器與CPU連接 1335.5.1 連接時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 1335.5.2 地址空間劃分及存儲(chǔ)器連接 1345.6 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 1395.6.1 位擴(kuò)展 1395.6.2 字?jǐn)U展 1405.6.3 字位同時(shí)擴(kuò)展 140本章小結(jié) 142習(xí)題 143第6章 輸入/輸出與中斷技術(shù) 1446.1 計(jì)算機(jī)接口概述 1446.2 輸入/輸出接口電路 1456.2.1 輸入/輸出接口電路的基本功能與端口分類(lèi) 1456.2.2 I/O端口的編址 1466.3 CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸控制方式 1466.3.1 無(wú)條件數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式 1466.3.2 狀態(tài)查詢(xún)數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式 1476.3.3 中斷數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式 1496.3.4 DMA方式數(shù)據(jù)訪問(wèn)傳輸 1496.4 ARM中的GPIO 1516.4.1 概述 1516.4.2 GPIO原理及端口寄存器說(shuō)明 1526.4.3 GPIO應(yīng)用舉例 1546.5 中斷技術(shù) 1556.5.1 基本概念 1556.5.2 中斷系統(tǒng)的功能 1566.5.3 中斷處理過(guò)程 1586.6 ARM中斷系統(tǒng)基礎(chǔ) 1606.6.1 ARM中的中斷源 1606.6.2 ARM中的向量中斷控制器 1616.6.3 ARM的中斷響應(yīng)過(guò)程 1626.6.4 ARM的中斷返回 1626.6.5 ARM的外中斷 163本章小結(jié) 170習(xí)題 170第7章 LPC2132系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與資源原理 1717.1 LPC2132芯片簡(jiǎn)介 1717.1.1 特性 1717.1.2 器件信息 1727.1.3 結(jié)構(gòu)原理 1727.1.4 片內(nèi)存儲(chǔ)器 1737.1.5 LPC2132管腳 1747.2 LPC2132地址空間分配 1797.2.1 存儲(chǔ)器映射 1807.2.2 存儲(chǔ)器重映射 1807.2.3 引導(dǎo)模塊 1817.3 管腳連接模塊 1837.3.1 概述 1837.3.2 結(jié)構(gòu)原理 1847.3.3 端口寄存器與操作 1847.4 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1867.4.1 概述 1867.4.2 結(jié)構(gòu)原理 1877.4.3 管腳描述 1897.4.4 端口寄存器 1897.4.5 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用舉例 1967.5 通用異步收發(fā)器 1987.5.1 概述 1987.5.2 異步通信及其協(xié)議 1997.5.3 LPC2000器件UART特性 2027.5.4 結(jié)構(gòu)原理 2027.5.5 管腳描述 2067.5.6 端口寄存器與操作 2077.5.7 串行通信應(yīng)用舉例 2147.6 向量中斷控制器 2177.6.1 概述 2177.6.2 ARM的中斷源 2187.6.3 VIC結(jié)構(gòu)原理 2197.6.4 端口寄存器與操作 2207.6.5 中斷方式應(yīng)用舉例 228本章小結(jié) 233習(xí)題 234第8章 ARM開(kāi)發(fā)工具ADS 2368.1 ADS簡(jiǎn)介 2368.1.1 ADS環(huán)境下ARM程序開(kāi)發(fā)方式 2368.1.2 ADS工具介紹 2388.2 ADS中的工程管理工具CodeWarrior IDE 2398.2.1 ADS系統(tǒng)中的文件類(lèi)型 2398.2.2 工程模板 2398.2.3 創(chuàng)建工程 2408.2.4 工程管理 2438.3 ADS中的調(diào)試工具AXD 2438.3.1 調(diào)試工具條 2448.3.2 AXD調(diào)試器中常用的調(diào)試窗口 2458.4 ADS環(huán)境匯編程序設(shè)計(jì)實(shí)例 2478.4.1 編輯實(shí)例 2478.4.2 工程的調(diào)試 2498.4.3 配置AXD IDE調(diào)試環(huán)境 250本章小結(jié) 251習(xí)題 252參考文獻(xiàn) 253

章節(jié)摘錄

　　中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）也稱(chēng)為“處理器”，是計(jì)算機(jī)的核心部件，其重要性好比大腦對(duì)于人一樣。其主要功能是解釋并執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令，完成數(shù)據(jù)處理和對(duì)計(jì)算機(jī)其他各部分進(jìn)行控制?！　PU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成。其中運(yùn)算器主要完成諸如加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和左右移位、與、或、非等邏輯運(yùn)算；控制器主要完成機(jī)器指令的解析和執(zhí)行，控制運(yùn)算器進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，控制數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)各組成部分之間傳送，控制計(jì)算機(jī)各組成部分有條不紊地協(xié)調(diào)工作等：寄存器組是處理器內(nèi)部的一組存儲(chǔ)單元，一般又可分為兩類(lèi)，即數(shù)據(jù)寄存器（主要用于暫存數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的中間結(jié)果）和專(zhuān)用寄存器（用于標(biāo)志系統(tǒng)的狀態(tài)和設(shè)置系統(tǒng)的工作方式等）。CPU內(nèi)部的這些功能部件通過(guò)內(nèi)部總線互聯(lián)并構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體?！　PU依靠執(zhí)行指令來(lái)完成計(jì)算和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。每款CPU 在設(shè)計(jì)之初就規(guī)定了一套與其硬件電路相配合的機(jī)器指令。人們將一款CPU　所支持的機(jī)器指令全集稱(chēng)為這款CPI了的“指令系統(tǒng)”，這些機(jī)器指令以二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼方式存在，CPU能夠直接譯碼并執(zhí)行這些以二進(jìn)制方式存在的機(jī)器指令。 人們使用這些指令編程控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，人們編寫(xiě)的用于控制計(jì)算機(jī)工作的指令序列稱(chēng)為計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序完成數(shù)據(jù)的處理。

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