哈工大嵌入式系统作业一

### 哈工大嵌入式系统作业一：深度解析 #### 冯诺依曼与哈佛结构的区别 在计算机架构领域，冯诺依曼结构与哈佛结构是两种经典的内存架构模型，它们在处理指令和数据的方式上存在显著差异。冯诺依曼结构，因冯·诺依曼而得名，其特点是程序指令和数据共享同一存储空间和数据路径。这意味着在执行指令时，CPU必须先取出指令进行解码，再根据解码结果取出操作数执行指令，这种顺序性限制了处理速度。 相比之下，哈佛结构则采用了不同的设计哲学。它将指令和数据分别存储在不同的存储器中，拥有独立的地址和数据总线，使得指令的读取和数据的操作可以并行进行，有效提高了处理效率。这种架构特别适用于嵌入式系统，因为其能够同时处理多个任务，提高系统的实时性和响应速度。 #### 交叉开发环境详解 交叉开发是一种常见的嵌入式软件开发模式，其中，软件在高性能的主机环境中编写和编译，但最终在低性能的目标硬件（如嵌入式设备）上运行。这种模式克服了目标设备资源有限的问题，使得开发者能够在功能强大的主机上进行高效的开发工作，同时确保软件能在目标设备上正确运行。 交叉开发环境主要由交叉编译器和交叉链接器组成。交叉编译器是一种特殊的编译器，它能在一种类型的计算机上编译代码，但生成的目标代码却可以在另一种类型的计算机上运行。例如，在x86架构的主机上使用ARM交叉编译器，可以生成能在ARM架构的目标设备上运行的二进制代码。交叉链接器则负责将这些编译后的目标代码链接成一个完整的可执行程序。 #### ARM异常处理机制 ARM处理器提供了七种异常处理机制，包括复位、未定义指令、软中断指令、指令预取终止、数据访问终止、外部中断和快速中断。每种异常都有特定的触发条件和处理流程，如复位异常会在系统启动时触发，用于初始化系统；而外部中断则用于处理来自外部硬件设备的中断请求。 异常处理过程中，ARM处理器会保存当前的处理器状态寄存器(CPSR)到相应的保存程序状态寄存器(SPSR)，并对CPSR进行必要的设置，如更改工作模式、禁止中断等。此外，还会将下一条指令的地址存入链接寄存器(LR)，以便在异常处理完成后能够准确地返回到中断前的位置继续执行。异常处理结束后，处理器会从SPSR恢复CPSR的状态，并将LR的值送回程序计数器(PC)，从而恢复中断前的执行流程。 #### CPSR状态位的作用及操作 CPSR(程序状态寄存器)是ARM处理器中的一个关键寄存器，它包含了处理器的各种状态信息，如条件码标志、控制位标志、运行状态控制位以及工作模式位。条件码标志(N、Z、C、V)反映了最近一次算术或逻辑运算的结果，用于决定后续指令的执行条件。例如，N位表示结果的符号，Z位表示结果是否为零，C位表示是否有进位，V位表示是否有溢出。 控制位标志(I、F、T)用于控制中断的使能和处理器的工作状态。I位禁止IRQ中断，F位禁止FIQ中断，T位控制ARM和Thumb状态的切换。工作模式位(M[4:0])决定了处理器的工作模式，如用户模式、系统模式、管理模式等。 通过使用特定的指令，如CMP、CMN、TEQ、TST等，可以设置条件码标志；而MSR指令则可以直接修改CPSR中的各个位，包括控制位和工作模式位。例如，通过MSR指令设置T位，可以在ARM状态和Thumb状态之间进行切换。 #### 异常的进入和退出编程实现 在ARM汇编语言中，可以编程实现异常的进入和退出过程，以下是以SWI异常为例的编程示例： ```assembly SWI 0x24 SPSR_svc = CPSR ; 保存当前CPSR到SPSR_svc CPSR[4:0] = 0b10011 ; 设置为FIQ模式 CPSR[5] = 0 ; 切换到ARM工作状态 CPSR[7] = 1 ; 禁止新的IRQ异常 R14_svc = ReturnLink ; 保存返回链接到R14_svc PC = 0x00000008 ; 跳转到异常处理程序入口 ; 以上由硬件自动完成 0x00000008: CPSR[4:0] = 0b10001 ; 设置为FIQ模式 MOVS PC, R14_svc ; 恢复现场，返回异常前状态 ``` 这段代码首先触发了一个SWI异常，保存当前的CPSR状态至SPSR_svc，然后设置CPSR进入FIQ模式并禁止IRQ中断，保存返回链接到R14_svc寄存器，最后跳转到0x00000008地址处的异常处理程序入口。异常处理完成后，通过将CPSR恢复为FIQ模式并从R14_svc寄存器恢复PC值，实现了异常的退出。 通过以上深入解析，我们可以看到，嵌入式系统的设计和开发涉及到了许多复杂的技术细节，包括内存架构的选择、交叉开发环境的构建、异常处理机制的理解以及对处理器状态寄存器的精细控制。掌握这些核心知识点对于嵌入式软件工程师而言至关重要，有助于他们开发出更加高效、稳定和安全的嵌入式应用程序。