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1、1嵌入式处理器体系结构教学大纲课程编码：0611102803 课程名称：嵌入式处理器体系结构学时/学分：48/3先修课程：程序设计基础 数字逻辑 计算机组成原理 汇编语言与微机原理等适用专业：计算机科学与技术开课教研室：嵌入式教研室一、课程性质与任务1课程性质：本课程是计算机科学与技术专业的专业课，是计算机科学与技术专业学生的选修课。2课程任务：ARM 是业界嵌入式开发的通用体系，产检产品几乎都是采用了 ARM 体系的MCU。本课程主要介绍 ARM 的体系结构、ARM 开发语言、开发平台以及基于 ARM 的编程。通过本课程的学习，使学生能够理解基本的嵌入式开发流程、开发使用的工具，掌握嵌入式产
2、品的开发方法及编程。二、课程教学基本要求本课程围绕目前流行的 ARM 处理器，讲述嵌入式系统的概念、软硬件组成、开发过程以及嵌入式应用程序开发设计方法。课程教学所要达到的目的是：使学生掌握嵌入式系统体系结构，嵌入式处理器结构，异常处理、系统控制过程、存储处理、ARM 内部资源、各种 I/O 接口；嵌入式系统开发应用方法。本课程将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。本课程为工科本科生的选修课程之一，在强调概念和理论的同时，更要注重加强引导学生对课程内容的深入理解，注重引导学生自学，注重加强学生上机练习。课程的要求学生必须同时掌握硬件与软件方面的基本知识与技能，了解和熟悉一些常用的嵌
3、入式系统的开发工具和开发方法，还可以培养学生软件与硬件综合测试与调试的技能。成绩考核形式：末考成绩（闭卷考试）（70%）平时成绩（平时测验、作业、课堂提问、课堂讨论等）（30)。成绩评定采用百分制，60 分为及格。三、课程教学内容第一章 ARM 概述及其编程模型1.教学基本要求理解和掌握 ARM 处理器的应用领域、ARM 处理器的分类以及处理器的基本构成。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解 ARM 体系版本的命名格式、以及 ARM 处理器各个2系列比如 ARM7、ARM9 等之间的差异，了解 ARM 处理器的组成，主要包括 ARM 寄存器、ARM 存储系
4、统、异常中断系统等。3.教学重点和难点教学重点是 ARM 处理器各个系列的性能参数、中断响应和存储空间格式。教学难点是各系列间的差异、中断响应过程、存储空间访问。4.教学内容（1）ARM 技术的应用领域及其特点主要知识点：IP 核。（2）ARM 的体系结构的版本及命名方式主要知识点：ARM 体系的各个版本的特点。（3 ） ARM 处理器系列主要知识点：ARM7 、ARM9 等各个系列的特点。（4 ） ARM 处理器模式主要知识点：7 种模式以及特点。（5 ） ARM 处理器寄存器介绍主要知识点：37 个寄存器的功能和使用方法。（6 ） ARM 体系的异常中断主要知识点：异常中断的类型、中断响应
5、过程、中断程序的返回。 （7 ） ARM 体系中的存储系统主要知识点：存储器空间、存储器格式。第二章 ARM 指令分类及其寻址方式1.教学基本要求理解和掌握 ARM 指令集分类以及寻址方式。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解数据处理的操作数寻址方式、各种 Load/Store 指令的寻址方式。3.教学重点和难点教学重点是寻址方式。教学难点是字及无符号操作字节的 Load/Store 指令的寻址方式、杂类 Load/Store 指令的寻址方式、批量 Load/Store 指令的寻址方式、协处理器 Load/Store 指令的寻址方式。34.教学内容（1）A
6、RM 指令集概要介绍主要知识点：ARM 指令的分类；ARM 指令的编码格式；ARM 指令的条件码域。（2）ARM 指令寻址方式主要知识点：数据处理的操作数寻址方式；字及无符号操作字节的 Load/Store 指令的寻址方式；杂类 Load/Store 指令的寻址方式；批量 Load/Store 指令的寻址方式；协处理器 Load/Store指令的寻址方式。第三章 ARM 指令集介绍1.教学基本要求理解和掌握常用的 ARM 指令集、基本的 ARM 指令功能段以及 Thumb 指令。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解 ARM 指令集，主要包括跳转、数据处理指
7、令、状态寄存器访问指令、异常中断产生指令等，并且需要掌握算术逻辑运算指令的应用、跳转指令的应用、批量 Load/Store 指令的应用等。3.教学重点和难点教学重点是各个指令集的格式、各种指令功能段的应用。教学难点是各种指令功能段的应用。4.教学内容（1）ARM 指令集主要知识点：跳转指令、数据处理指令、乘法指令、杂类的算术指令、状态寄存器访问指令、Load/Store 内存访问指令、批量 Load/Store 指令访问指令、异常中断产生指令。（2）一些基本的 ARM 指令功能段主要知识点：算术逻辑运算指令的应用、跳转指令的应用、批量 Load/Store 指令的应用。（3 ） Thumb 指
8、令介绍主要知识点：Thumb 指令的功能。第四章 ARM 汇编语言程序设计1.教学基本要求理解和掌握伪操作的定义以及形成伪操作的方式、ARM 汇编语言的伪指令，了解 ARM 汇编语言的语句格式和程序格式，并且要掌握汇编语言编译器 armasm 的使用，最终让学生掌握 ARM汇编语言设计的方法。42.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解伪操作如何定义，主要包括数据定义伪操作、符号定义伪操作、汇编控制伪操作、栈中数据描述伪操作等，了解汇编语言的符号、汇编语言的表达式、汇编语言的程序格式以及子程序调用等。3.教学重点和难点教学重点是汇编语言的伪操作、汇编语言的符号和
9、表达式以及程序格式和子程序调用。教学难点是汇编语言的伪操作、汇编语言的程序格式和程序调用。4.教学内容（1）伪操作主要知识点：符号定义伪操作、数据定义伪操作、汇编控制伪操作、框架描述伪操作、信息报告伪操作。（2）ARM 汇编语言伪指令主要知识点：ADR；ADRL；LDR；NOP。（3 ） ARM 汇编语言语句格式主要知识点：变量；标号；局部标号；数字常量；字符串表达式；数字表达式；基于寄存器和基于 pc 的表达式；逻辑表达式。（4 ） ARM 汇编语言程序格式主要知识点：段的概念以及用 AREA 定义段；BL 命令调用子程序。（5 ） ARM 汇编编译器的使用主要知识点：ARMASM 的各个参
10、数。（6 ）汇编语言程序设计距离主要知识点：使用伪操作、跳转表等的程序实例。 第五章 ARM 存储系统1.教学基本要求理解和掌握存储管理的各种技术，系统包含的各种存储器件以及如何通过 CACHE 和WRITEBUFFER 技术提高系统的整体性能,并且要掌握如何实现虚拟空间到物理空间的映射等。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解 ARM 中用于存储管理的系统控制协处理器CP15、ARM 中的存储管理部件 MMU、ARM 中的 CACHE 以及 WRITEBUFFER 技术。3.教学重点和难点5教学重点是 CP15、MMU 的使用。教学难点是 CP15 寄存器
11、的使用、MMU 如何实现地址映射。4.教学内容（1）ARM 存储器系统概述主要知识点：存储器件；空间映射机制；存储系统的各个部件。（2）ARM 中用于存储管理的系统控制协处理器 CP15主要知识点：MCR MRC 访问 CP15 寄存器；寄存器 C0、C1。（3 ）存储器管理单元 MMU主要知识点：禁止/使能 MMU；MMU 中地址变换过程；页表的概念；一级页表的地址变换；二级页表的地址变换过程；MMU 中的存储访问权限控制； ARM 中的存储访问失效。（4 ）高速缓冲存储器和写缓冲区主要知识点：cache 的工作原理和地址映像方法；cache 的分类；cache 的替换算法；cache的存储
12、系统的一致性。（5 ）快速上下文切换技术主要知识点：切换技术原理；快速上下文切换技术编程接口。（6 ）与存储系统相关的程序设计指南主要知识点：存储器格式；非对齐的存储访问操作；指令预取和子修改代码；IMB;存储映射的 I/O 空间。 （7 ） ARM 存储系统的实例主要知识点：L7205 中的 MMU、SDRAM。第六章 ATPCS 介绍1.教学基本要求理解和掌握 ARM/Thumb 过程调用的标准 ATPCS,并且使用这些标准实现子程序调用。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则和参数的传递的规则等。3.教
13、学重点和难点教学重点是寄存器的使用规则、参数传递规则、数据栈使用规则。教学难点是寄存器、数据栈的使用规则。4.教学内容6（1）APTCS 概述主要知识点：APTCS 规定的规则。（2）基本 APTCS主要知识点：寄存器的使用规则、数据栈使用规则、参数传递规则。（3 ）几种特定的 ATPCS主要知识点：支持数据栈限制检查的 ATPCS;支持只读段位值无关（ROPI）的 ATPCS;支持可读写段位置无关（RWPI）的 ATPCS;支持 ARM 程序和 Thumb 程序混合使用的 ATPCS;处理浮点运算的 ATPCS。第七章 ARM 程序和 Thumb 程序混合使用1.教学基本要求理解和掌握 AR
14、M 程序和 Thumb 程序混合使用的方法，学会使用编译时可用的选项和编程技术。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，通过本章教学使学生了解 ARM 程序和 Thumb 程序混合使用的方法，选项-apcs/interwork 如何使用。3.教学重点和难点教学重点是-apcs/interwork 如何使用。教学难点是-apcs/interwork 如何使用。4.教学内容（1）概述主要知识点：ARM 程序和 Thumb 程序混合使用的场合；在编译或者汇编时使用选项 -apcs/interwork。（2）在汇编语言程序中通过用户代码支持 interwork主要知识点：程序状态切换指令
15、BX 指令、BLX 指令；CODE16 和 CODE32 伪操作的使用。（3）在 C/C+程序中实现 interwork主要知识点：tcc apcs/interwork；armcc apcs/interwork；tcpp apcs/interwork armcpp apcs/interwork。（4 ）在汇编语言程序中通过连接器支持 interwork主要知识点：veneers 指令的使用。第八章 CC+以及汇编语言的混合编程1.教学基本要求7理解和掌握 ARM 汇编程序以及 C/C+程序之间相互调用的技术，了解 C 编译器中内嵌的汇编器的使用方法。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本
16、章学习，通过本章教学使学生掌握内嵌汇编器的使用，并学会使用_asm 如何来标识汇编程序；使用 IMPORT 、LDR 和 STR 等指令来在汇编程序中使用 C 程序变量；使用 extern 来实现 C+程序中使用 C 程序头文件。3.教学重点和难点教学重点是指令 IMPORT 、LDR 、STR 以及 extern 的使用。4.教学内容（1）内嵌汇编器的使用主要知识点：操作数、物理寄存器、常亮、指令展开等 ARM 指令在 C/C+中的注意事项；内嵌的汇编器和 armasm 的区别； _asm 命令的使用。（2）从汇编程序中访问 C 程序变量主要知识点： IMPROT、LDR、STR 等指令实现在汇编中使用 C 中的全局变量。（3 ）汇编程序、C 程序以及 C+程序的相互调用主要知识点：汇编程序、C 程序以及 C+程序的相互调用实例。第九章 异常中断处理1.教学基本要求理解和掌握 ARM 体系中异常中断技术。2.要求学生掌握的基本概念、理论
