嵌入式系統(tǒng)原理-第2章課件

1、LOGO嵌入式系統(tǒng)原理及接口技術(shù)嵌入式系統(tǒng)原理及接口技術(shù)v 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的核心部件是微處嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的核心部件是微處理器。理器。 v 在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時，可采用的微處理在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時，可采用的微處理器芯片種類有很多。器芯片種類有很多。v ARM9是是ARM公司推出的、并被廣泛公司推出的、并被廣泛使用的嵌入式微處理器核。使用的嵌入式微處理器核。v 國家上有許多著名的電子公司生產(chǎn)基于國家上有許多著名的電子公司生產(chǎn)基于ARM9核的核的CPU芯片，如：三星電子芯片，如：三星電子（Samsung）、）、Atmel、英特爾、英特爾、飛思卡爾（飛思卡爾（Freescale）、恩智浦）、恩智浦

2、（NXP）、德州儀器（）、德州儀器（TI）等。）等。 vARM微處理器核的體系結(jié)構(gòu)從出現(xiàn)開始到現(xiàn)在，微處理器核的體系結(jié)構(gòu)從出現(xiàn)開始到現(xiàn)在，經(jīng)過了多次較大的改進，并還在不斷地完善和發(fā)經(jīng)過了多次較大的改進，并還在不斷地完善和發(fā)展中，且其指令集也在不斷地修改和增加。展中，且其指令集也在不斷地修改和增加。v目前，有目前，有2大類微處理器核的命名。一是以大類微處理器核的命名。一是以“ARM”字符為前綴的微處理器系列，另字符為前綴的微處理器系列，另一是以一是以“Cortex”字符為前綴的微處理器字符為前綴的微處理器系列。系列。v以字符以字符“ARM”為前綴命名的為前綴命名的ARM微處理器核微處理器核有許多

3、系列有許多系列，從從ARM1系列一致到系列一致到ARM11系列。系列。 vARM系列中的一些符號含義：系列中的一些符號含義： T：支持高密度：支持高密度16位的壓縮位的壓縮Thumb指令集；指令集； D：支持片上調(diào)試；：支持片上調(diào)試； M：支持：支持64位除法；位除法； I：具有：具有Embeded-ICE（即嵌入式的（即嵌入式的ICE），支持），支持片上斷點；片上斷點； E：增強性，具有：增強性，具有Java、DSP等增強的處理功能；等增強的處理功能； S：表示是綜合處理器；：表示是綜合處理器； J：表示具有：表示具有Jazelle技術(shù)，該技術(shù)支持。技術(shù)，該技術(shù)支持。如：如：ARM7TDMI

4、、ARM920T vCortex系列是系列是ARM公司為其微處理器核進行命公司為其微處理器核進行命名的另外一個系列，自采用名的另外一個系列，自采用ARMv7指令集架構(gòu)指令集架構(gòu)的微處理器核開始，其名稱前綴采用的微處理器核開始，其名稱前綴采用“Cortex”，而不再采用而不再采用“ARM”。換句話說，。換句話說，ARM11是以是以“ARM”為前綴的最后一個微處理器核系列的名為前綴的最后一個微處理器核系列的名稱，以后不再沿用這種命名方式，而是以稱，以后不再沿用這種命名方式，而是以“Cortex”來進行命名。來進行命名。vCortex系列微處理器核有系列微處理器核有3大系列類型，分別是大系列類型，分

5、別是Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M。 vARM指令集版本號含義指令集版本號含義：vARM公司給這些在不同階段體系結(jié)構(gòu)中使用的指公司給這些在不同階段體系結(jié)構(gòu)中使用的指令集定義了版本號，版本號的名稱為：令集定義了版本號，版本號的名稱為：ARMvx（符號（符號x代表數(shù)字，即代表數(shù)字，即1、2、3、），如），如ARMv4、ARMv7等即是等即是ARM的指令集版本號。的指令集版本號。 vARMv4版本是目前使用非常廣泛的一個版本是目前使用非常廣泛的一個ARM指指令集，令集，ARM9等系列的微處理器芯片均采用了該等系列的微處理器芯片均采用了該版本的架構(gòu)。版本的架構(gòu)。ARM10、Xsc

6、ale等系列的微處理等系列的微處理器芯片采用了器芯片采用了ARMv5版本指令集。版本指令集。ARM11系列系列的微處理器芯片采用了的微處理器芯片采用了ARMv6版本指令集。版本指令集。Cortex系列的微處理器芯片采用了最新的系列的微處理器芯片采用了最新的ARMv7版本指令集。版本指令集。 vARM公司微處理器核的系列及種類非常多，不同公司微處理器核的系列及種類非常多，不同系列之間，微處理器核的體系結(jié)構(gòu)特征有所不同，系列之間，微處理器核的體系結(jié)構(gòu)特征有所不同，所基于的所基于的ARM指令架構(gòu)（即指令架構(gòu)（即ARM的版本號）也的版本號）也不同。不同。 vARM9系列微處理器是目前在我國用得非常廣泛

7、系列微處理器是目前在我國用得非常廣泛的、擁有高性價比的一種嵌入式微處理器，非常的、擁有高性價比的一種嵌入式微處理器，非常適合應(yīng)用在要求低成本、低功耗的消費類產(chǎn)品中，適合應(yīng)用在要求低成本、低功耗的消費類產(chǎn)品中，例如：手機、例如：手機、PDA、MP4播放器，也被大量地播放器，也被大量地應(yīng)用在工業(yè)控制、智能儀器儀表、醫(yī)療儀器等領(lǐng)應(yīng)用在工業(yè)控制、智能儀器儀表、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。域。 v 基于基于ARM9處理器核的微處理器芯片：處理器核的微處理器芯片：1 三星公司的三星公司的S3C24402 Atmel公司的公司的AT91RM92003 恩智浦公司的恩智浦公司的LPC29004 Intel公司的公司的PX

8、A2555 Motorola公司的公司的MC9328v Cirrus Logic公司的公司的EP93XX系列、等等。系列、等等。 本教材結(jié)合三星公司的本教材結(jié)合三星公司的S3C2440系列微處理器芯系列微處理器芯片（其內(nèi)部采用了片（其內(nèi)部采用了ARM920T微處理器核）來介微處理器核）來介紹紹ARM9微處理器的基本結(jié)構(gòu)特征。微處理器的基本結(jié)構(gòu)特征。 vS3C2440芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu): vARM920T微處理器的指令流水采用了典型的微處理器的指令流水采用了典型的RISC五級流水線結(jié)構(gòu)，將指令的處理過程分為五級流水線結(jié)構(gòu)，將指令的處理過程分為取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回取指、譯碼、

9、執(zhí)行、訪存和寫回5個步驟。個步驟。v五級流水線結(jié)構(gòu)采用分離指令緩存和數(shù)據(jù)緩存的五級流水線結(jié)構(gòu)采用分離指令緩存和數(shù)據(jù)緩存的結(jié)構(gòu)，即哈佛結(jié)構(gòu)，將每一條指令處理分配到結(jié)構(gòu)，即哈佛結(jié)構(gòu)，將每一條指令處理分配到3個或者個或者5個時鐘周期內(nèi)完成。個時鐘周期內(nèi)完成。 v由于由于ARMv4架構(gòu)的匯編指令集中，不同功能的指架構(gòu)的匯編指令集中，不同功能的指令，需要的時鐘周期不一樣。例如，對于寄存器令，需要的時鐘周期不一樣。例如，對于寄存器操作的指令（即寄存器間數(shù)據(jù)傳送指令、加減運操作的指令（即寄存器間數(shù)據(jù)傳送指令、加減運算的指令等），所需時鐘周期數(shù)為算的指令等），所需時鐘周期數(shù)為3個，而對于存?zhèn)€，而對于存儲器的加

10、載儲器的加載/存儲指令，所需時鐘周期數(shù)為存儲指令，所需時鐘周期數(shù)為5個，個，也就是需要增加也就是需要增加2個時鐘周期來完成訪存、寫回步個時鐘周期來完成訪存、寫回步驟。驟。v在訪存、寫回步驟時，操作的是數(shù)據(jù)緩存，不占在訪存、寫回步驟時，操作的是數(shù)據(jù)緩存，不占用指令緩存的信號總線，因此，不會阻塞指令流用指令緩存的信號總線，因此，不會阻塞指令流水。水。vARM920T的指令集是基于精簡指令集計算機的指令集是基于精簡指令集計算機（RISC）原理的；）原理的；v傳統(tǒng)的微處理器體系結(jié)構(gòu)中，指令代碼的寬度傳統(tǒng)的微處理器體系結(jié)構(gòu)中，指令代碼的寬度（位數(shù)）和數(shù)據(jù)的寬度（位數(shù)）通常是相同的，（位數(shù)）和數(shù)據(jù)的寬度（

11、位數(shù)）通常是相同的，而而ARM920T的指令系統(tǒng)中有一種的指令系統(tǒng)中有一種16位的指令位的指令集（集（Thumb指令集）。指令集）。 v而而Thumb指令集在指令集在32位體系結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了位體系結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了16位指令集，以提供比位指令集，以提供比16位體系結(jié)構(gòu)更高的性能和位體系結(jié)構(gòu)更高的性能和比比32位體系結(jié)構(gòu)更高的代碼密度。位體系結(jié)構(gòu)更高的代碼密度。 v ARM9微處理器核共支持微處理器核共支持7種工作模式：種工作模式： vARM9微處理器核的工作模式是可以通過軟件控微處理器核的工作模式是可以通過軟件控制來改變的，而且，外部中斷信號或系統(tǒng)異常處制來改變的，而且，外部中斷信號或系統(tǒng)異常處理也可

12、以使工作模式發(fā)生改變。理也可以使工作模式發(fā)生改變。 v當(dāng)工作在用戶模式下，當(dāng)工作在用戶模式下，ARM9微處理器核所執(zhí)行微處理器核所執(zhí)行的程序是不能訪問那些被保護的系統(tǒng)資源，也不的程序是不能訪問那些被保護的系統(tǒng)資源，也不能改變微處理器核的工作模式。能改變微處理器核的工作模式。 v當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時，ARM9微處理器核的工作模微處理器核的工作模式就會改變。式就會改變。 v對于系統(tǒng)模式來說，其通用寄存器組與用戶模式對于系統(tǒng)模式來說，其通用寄存器組與用戶模式下的通用寄存器組是完全相同的，但它是一種特下的通用寄存器組是完全相同的，但它是一種特權(quán)模式，供需要訪問系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)任務(wù)使權(quán)模

13、式，供需要訪問系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)任務(wù)使用。用。 vARM920T核允許核允許32位長的地址，它把存儲器位長的地址，它把存儲器看成是從看成是從0 x00000000地址開始的字節(jié)單元的地址開始的字節(jié)單元的線性組合，即一個地址對應(yīng)于一個存儲字節(jié)，其線性組合，即一個地址對應(yīng)于一個存儲字節(jié)，其整個地址范圍是整個地址范圍是232個字節(jié)（個字節(jié)（8位二進制數(shù)），位二進制數(shù)），即即4GB。 vARM9中的地址特征中的地址特征:v 1、 ARM9微處理器核的每個地址是對應(yīng)于一個存儲字節(jié)而不是一微處理器核的每個地址是對應(yīng)于一個存儲字節(jié)而不是一個存儲字，但個存儲字，但ARM9微處理器核可以訪問存儲字，訪問存儲字時

14、，微處理器核可以訪問存儲字，訪問存儲字時，其地址應(yīng)該是字對準的，既字地址可以被其地址應(yīng)該是字對準的，既字地址可以被4整除。整除。v 2、程序中若遇到分枝指令，、程序中若遇到分枝指令，目的地址的計算公式如下：目的地址的計算公式如下： 目的地址目的地址 = PC值值+偏移量偏移量 = 當(dāng)前執(zhí)行的指令地址當(dāng)前執(zhí)行的指令地址+8+偏移量偏移量v 3、ARM9存儲器系統(tǒng)的存儲單元與地址的對應(yīng)方式有兩種：大端存存儲器系統(tǒng)的存儲單元與地址的對應(yīng)方式有兩種：大端存儲系統(tǒng)、小端存儲系統(tǒng)。儲系統(tǒng)、小端存儲系統(tǒng)。 v 大端存儲系統(tǒng)中，字的地址對應(yīng)的是該字中最高有效字節(jié)所對應(yīng)的地址；大端存儲系統(tǒng)中，字的地址對應(yīng)的是該

15、字中最高有效字節(jié)所對應(yīng)的地址；v 小端存儲系統(tǒng)中，字的地址對應(yīng)的是該字中最低有效字節(jié)所對應(yīng)的地址。小端存儲系統(tǒng)中，字的地址對應(yīng)的是該字中最低有效字節(jié)所對應(yīng)的地址。v內(nèi)部寄存器：內(nèi)部寄存器：ARM9微處理器的內(nèi)部總共有微處理器的內(nèi)部總共有37個個32位的寄存器，其中位的寄存器，其中31個用作通用寄存器，個用作通用寄存器，6個用作狀個用作狀態(tài)寄存器，每個狀態(tài)寄存器只使用了其中的態(tài)寄存器，每個狀態(tài)寄存器只使用了其中的12位。這位。這37個寄存器根據(jù)處理器的狀態(tài)及其工作模式的不同而個寄存器根據(jù)處理器的狀態(tài)及其工作模式的不同而被安排成不同的組。被安排成不同的組。v寄存器的名稱是寄存器的名稱是R0R15、

16、CPSR、SPSRv其中：其中：R0R7是不分組的寄存器；是不分組的寄存器；v R8R14是根據(jù)工作模式進行分組的寄存器；是根據(jù)工作模式進行分組的寄存器；v R15是程序計數(shù)器，也是不分組的；是程序計數(shù)器，也是不分組的；v CPSR是當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器；是當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器；v SPSR是各工作模式下保留是各工作模式下保留CPSR值的寄存器。值的寄存器。 不同工作模式下的寄存器分組圖vR13寄存器的作用通常是堆棧指寄存器的作用通常是堆棧指針針，又稱為又稱為SP。每種異常模式都。每種異常模式都有對應(yīng)于該模式下的有對應(yīng)于該模式下的R13物理寄物理寄存器。存器。R13寄存器在初始化時，寄存器在初始化

17、時，應(yīng)設(shè)置為指向本模式下分配的堆應(yīng)設(shè)置為指向本模式下分配的堆棧空間的入口地址。棧空間的入口地址。 vR14寄存器被稱為鏈接寄存器，寄存器被稱為鏈接寄存器，又稱為又稱為LR（Link Register）寄存器，實際上就是用作子程寄存器，實際上就是用作子程序調(diào)用時、或異常引起的程序序調(diào)用時、或異常引起的程序分枝時的返回鏈接寄存器。分枝時的返回鏈接寄存器。 vCPSR（Current Program Status Register）寄存器稱為當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，）寄存器稱為當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，又稱為又稱為R16。v在所有處理器模式下，在所有處理器模式下，CPSR都是同一個物理寄都是同一個物理寄存器，

18、它保存了程序運行的當(dāng)前狀態(tài)。如下圖。存器，它保存了程序運行的當(dāng)前狀態(tài)。如下圖。 v條件標(biāo)志包括條件標(biāo)志包括N標(biāo)志、標(biāo)志、Z標(biāo)志、標(biāo)志、C標(biāo)志和標(biāo)志和V標(biāo)志，標(biāo)志， 它們的具體含義如下：它們的具體含義如下：v 1、N標(biāo)志，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果是帶符號的二進制補碼時，若結(jié)果為負標(biāo)志，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果是帶符號的二進制補碼時，若結(jié)果為負數(shù)，則數(shù)，則N標(biāo)志位置標(biāo)志位置1；若結(jié)果為正數(shù)或；若結(jié)果為正數(shù)或0，則，則N標(biāo)志位置標(biāo)志位置0。v 2、Z標(biāo)志，又稱為零標(biāo)志，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果為標(biāo)志，又稱為零標(biāo)志，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果為0時，時，Z標(biāo)志置標(biāo)志置1；否；否則則Z標(biāo)志置標(biāo)志置0。v 3、C標(biāo)志，又稱進位標(biāo)志。標(biāo)志，又稱進位

19、標(biāo)志。若是加法指令以及比較指令若是加法指令以及比較指令CMN，當(dāng)指，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生進位時，則令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生進位時，則C標(biāo)志置標(biāo)志置1，否則，否則C標(biāo)志置標(biāo)志置0；若是減法指；若是減法指令以及比較指令令以及比較指令CMP，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生借位時，則，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生借位時，則C標(biāo)志置標(biāo)志置0；否則否則C標(biāo)志置標(biāo)志置1；若是帶有移位操作的非加法；若是帶有移位操作的非加法/減法指令，減法指令，C標(biāo)志值為標(biāo)志值為移出的最后一位的值；若指令是其他非加法移出的最后一位的值；若指令是其他非加法/減法指令，減法指令，C標(biāo)志不會標(biāo)志不會改變。改變。v 4、V標(biāo)志，又稱溢出標(biāo)志。若是加法或減法指令，當(dāng)指令

20、執(zhí)行結(jié)果標(biāo)志，又稱溢出標(biāo)志。若是加法或減法指令，當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生帶符號溢出時，產(chǎn)生帶符號溢出時，V標(biāo)志置標(biāo)志置1；若是非加法；若是非加法/減法指令，減法指令，V標(biāo)志不會標(biāo)志不會改變。改變。vCPSR寄存器的第寄存器的第7位第位第0位分別是位分別是I、F、T和和M4：0，它們均用做控制位。，它們均用做控制位。vI和和F分別是分別是IRQ異常和異常和FIQ異常的禁止異常的禁止/允許位：允許位：v 當(dāng)當(dāng)I=1時，禁止時，禁止IRQ異常，否則異常，否則I=0時允許時允許IRQ異常；異常；v 當(dāng)當(dāng)F=1時，禁止時，禁止FIQ異常，否則異常，否則F=0時允許時允許FIQ異常。異常。 vT位是微處理器狀態(tài)

21、位：位是微處理器狀態(tài)位：v 當(dāng)當(dāng)T=0時，指示為時，指示為ARM狀態(tài)；狀態(tài)；v 當(dāng)當(dāng)T=1時，指示時，指示Thumb狀態(tài)。狀態(tài)。vM4、M3、M2、M1、M0是工作模式位，它們是工作模式位，它們決定了決定了ARM9微處理器的工作模式，如下表：微處理器的工作模式，如下表： ARM9的異常 v所謂異常，指的是由內(nèi)部或外部產(chǎn)生一個引起微所謂異常，指的是由內(nèi)部或外部產(chǎn)生一個引起微處理器處理的事件，換句話說，也就是指正常的處理器處理的事件，換句話說，也就是指正常的程序執(zhí)行流程被暫時中斷而引發(fā)的過程。程序執(zhí)行流程被暫時中斷而引發(fā)的過程。 vARM920T微處理器核有微處理器核有7種異常，如下表：種異常，如

22、下表： v 下面對下面對7種異常作進一步的解釋：種異常作進一步的解釋：v （1）復(fù)位異常：當(dāng)系統(tǒng)上電及按下復(fù)位按鍵時，）復(fù)位異常：當(dāng)系統(tǒng)上電及按下復(fù)位按鍵時，產(chǎn)生復(fù)位異常。將從地址產(chǎn)生復(fù)位異常。將從地址0 x00000000處開始執(zhí)處開始執(zhí)行程序。行程序。v （2）未定義指令異常：當(dāng)）未定義指令異常：當(dāng)ARM920T微處理器執(zhí)微處理器執(zhí)行未定義的指令時，會產(chǎn)生未定義指令異常。微處行未定義的指令時，會產(chǎn)生未定義指令異常。微處理器的理器的PC值將被賦予值將被賦予0 x00000004，開始從此，開始從此地址處執(zhí)行指令。地址處執(zhí)行指令。v （3）軟件中斷異常：微處理器執(zhí)行軟件中斷指令）軟件中斷異常：

23、微處理器執(zhí)行軟件中斷指令SWI即產(chǎn)生軟件中斷異常，微處理器的即產(chǎn)生軟件中斷異常，微處理器的PC值被賦值被賦予予0 x00000008，將從此地址處開始執(zhí)行指令。，將從此地址處開始執(zhí)行指令。 v（4）中止異常：中止異常通常是發(fā)生在中止異常：中止異常通常是發(fā)生在ARM9微處理器對存儲器訪問失敗時，在存儲器訪問周微處理器對存儲器訪問失敗時，在存儲器訪問周期內(nèi)，期內(nèi)，ARM9微處理器會檢查是否發(fā)生中止異常。微處理器會檢查是否發(fā)生中止異常。中止異常通常包括兩種類型：一種是指令預(yù)取中中止異常通常包括兩種類型：一種是指令預(yù)取中止，另一種是數(shù)據(jù)中止。止，另一種是數(shù)據(jù)中止。v（5）IRQ異常：異常：IRQ異常是

24、由外部中斷信號引異常是由外部中斷信號引起的。異常發(fā)生后，微處理器的起的。異常發(fā)生后，微處理器的PC值將被賦予值將被賦予0 x00000018，將從此地址處開始執(zhí)行程序。，將從此地址處開始執(zhí)行程序。v（6）FIQ異常：異常：FIQ異常也是由外部中斷信號異常也是由外部中斷信號引起的。異常發(fā)生后，微處理器的引起的。異常發(fā)生后，微處理器的PC值將被賦予值將被賦予0 x0000001C，將從此地址處開始執(zhí)行程序。，將從此地址處開始執(zhí)行程序。 v異常優(yōu)先級：若多個異常在某一時刻同時出現(xiàn)，異常優(yōu)先級：若多個異常在某一時刻同時出現(xiàn)，那么，那么，ARM9微處理器將按照異常優(yōu)先級的高低微處理器將按照異常優(yōu)先級的高

25、低順序處理。順序處理。vARM9異常的優(yōu)先級排列順序如下表：異常的優(yōu)先級排列順序如下表： v當(dāng)異常處理完成后，當(dāng)異常處理完成后，ARM9微處理器需退出異常，微處理器需退出異常，返回原來斷點處繼續(xù)執(zhí)行。返回原來斷點處繼續(xù)執(zhí)行。v退出異常將進行以下操作：退出異常將進行以下操作：v 1、將保存在、將保存在R14寄存器的值，再回送到寄存器的值，再回送到PC中?；厮椭噶钜娤卤恚褐小；厮椭噶钜娤卤恚簐 2、再將、再將SPSR寄存器的值回送寄存器的值回送CPSR寄存器中。寄存器中。v 3、對中斷禁止位標(biāo)志進行清除。、對中斷禁止位標(biāo)志進行清除。ARM9尋址方式 v所謂尋址方式是指：微處理器根據(jù)指令中給出的所謂尋址方式是指：微處理器根據(jù)指令中給出的地址碼字段來尋找操作數(shù)所存儲的真實地址的方地址碼字段來尋找操作數(shù)所存儲的真實地址的方式。式。vARM9微處理器的基本尋址方式如下：微處理器的基本尋址方式如下： v （1）立即尋址立即尋址 v （2）寄存器尋址寄存器尋址 v （3）寄存器移位尋址：寄存器