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文檔簡介

1、成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計陳子為成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2課程安排n課時: 32學時(上課)+16學時(實驗)n形式: 專題講座專題講座+討論討論+實驗實驗+項目設(shè)計項目設(shè)計n內(nèi)容安排n第第1講講 嵌入式系統(tǒng)概述與嵌入式系統(tǒng)概述與ARM7體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) n第第2講講 指令系統(tǒng)與程序編制指令系統(tǒng)與程序編制 n第第3講講 存儲器映射與重映射存儲器映射與重映射n第第4講講 系統(tǒng)控制與啟動代碼系統(tǒng)控制與啟動代碼n第第5講講 異常與中斷異常與中斷n第第6講講 定時器、定時器、PWM與實時時鐘與實時時鐘 n第第7講講 UART與

2、與SPIn第第8講講 其它外設(shè)模塊其它外設(shè)模塊 成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n工程項目:n聲音播放器n數(shù)字時鐘 要按照完整工程項目要求來做。要提交相關(guān)技術(shù)文檔,并且文檔要規(guī)范n作業(yè)與實驗報告: 不寫作業(yè)寫博客不寫作業(yè)寫博客成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2教材與參考書目n教材nARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(第2版)周立功 等編著,北京航空航天大學出版社,2005 nARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程(一)周立功 等編著,北京航空航天大學出版社,2004n參考書目深入淺出ARM7LPC2200周立功 等編著,廣州致遠電子有限公司,2006 ARM體系結(jié)構(gòu)及其嵌入式

3、處理器任哲 等編著,北京航空航天大學出版社,2008,1ARM程序分析與設(shè)計王宇行 編著,北京航空航天大學出版社,2008,3成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/21L E C T U R E嵌入式系統(tǒng)概述與嵌入式系統(tǒng)概述與ARM7體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)陳子為陳子為成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2嵌入式系統(tǒng)無處不在成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2討 論n什么是嵌入式系統(tǒng)、自己身邊的嵌入式系統(tǒng)、與單片機、DSP的聯(lián)系n話題范圍不限定,談談自己對嵌入式系統(tǒng)的理解成都信息工

4、程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/21、什么是嵌入式系統(tǒng):來自IEEE的定義“Embedded system is devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”.IEEEn上述定義主要從應用上加以定義??梢钥闯觯呵度胧较到y(tǒng)是軟硬件的綜合體,還可以涵蓋機械等附屬裝置。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2什么是嵌入式系統(tǒng):廣義上n嵌入式系統(tǒng)是一種應用系統(tǒng),它至少包含一個可編程的計算機(通常是某種形式的微控制器、微處理器或數(shù)字信號處理芯

5、片(DSP)且使用該系統(tǒng)的人一般并未意識到該系統(tǒng)是基于計算機的。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2什么是嵌入式系統(tǒng): 國內(nèi)的經(jīng)典定義n嵌入式系統(tǒng)是“以應用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟以應用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、硬件可裁剪,適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”n一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等部分組成,用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2

6、嵌入式系統(tǒng)的特點n嵌入式系統(tǒng)與通用型計算機系統(tǒng)相比,具有如下特點:n專用性強。n可裁減性。n實時性與可靠性好。n功耗低。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2通用計算機與嵌入式系統(tǒng)對比特征特征通用計算機通用計算機嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)形式和類型看得見的計算機??吹靡姷挠嬎銠C。按其體系結(jié)構(gòu)、運算速度和按其體系結(jié)構(gòu)、運算速度和結(jié)構(gòu)規(guī)模等因素分為大、中結(jié)構(gòu)規(guī)模等因素分為大、中、小型機和微機。、小型機和微機??床灰姷挠嬎銠C??床灰姷挠嬎銠C。形式多樣,應用領(lǐng)域廣形式多樣,應用領(lǐng)域廣泛,按應用來分。泛,按應用來分。組成通用處理器、標準總線和外通用處理器、標準總線和外設(shè)。設(shè)。軟件和硬件相對獨立

7、。軟件和硬件相對獨立。面向應用的嵌入式微處面向應用的嵌入式微處理器,總線和外部接口理器,總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部。多集成在處理器內(nèi)部。軟件與硬件是緊密集成軟件與硬件是緊密集成在一起的。在一起的。開發(fā)方式開發(fā)平臺和運行平臺都是通開發(fā)平臺和運行平臺都是通用計算機用計算機采用交叉開發(fā)方式,開采用交叉開發(fā)方式,開發(fā)平臺一般是通用計算發(fā)平臺一般是通用計算機,運行機,運行 平臺是嵌入式平臺是嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)。二次開發(fā)性應用程序可重新編制應用程序可重新編制一般不能再編程一般不能再編程成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2嵌入式處理器n目前來講,嵌入式處理器可以分成這樣一些類型1、嵌入

8、式微處理器( Microprocessor Unit,MPU) 2、嵌入式微控制器(、嵌入式微控制器( Microcontroller Unit,MCU)3、嵌入式DSP( Digital Signal Processor )處理器 4、嵌入式片上系統(tǒng)( System on Chip,SoC) 成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2處理器處理器外設(shè)外設(shè)存儲器存儲器I/O“System on board”“System on chip”USB以太網(wǎng)以太網(wǎng)memory成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2ExternalMemoryCPUAddressDataCac

9、heBusInterfaceWrite BufferMMU / MPURRWWWW(R/W) 外設(shè)外設(shè)如如USB、LCD 控制器等控制器等擴展芯片擴展芯片內(nèi)核(內(nèi)核(core)處理器存儲器子系統(tǒng)處理器存儲器子系統(tǒng)SoC的片內(nèi)外設(shè)的片內(nèi)外設(shè)系統(tǒng)的片外設(shè)備系統(tǒng)的片外設(shè)備處理器(處理器(Processor)芯片(芯片(SoC)系統(tǒng)(系統(tǒng)(System)成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n微處理器是整個系統(tǒng)的核心,通常由3大部分組成:控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。 算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元寄存器寄存器控制單元控制單元微處理器微處理器存儲器存儲器輸入輸入輸出輸出成都信息工程學院3+

10、1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2嵌入式系統(tǒng)的組成n嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和軟件組成n硬件以微處理器為核心集成存儲器和系統(tǒng)專用的輸入/輸出設(shè)備n軟件包括:初始化代碼及驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序等,這些軟件有機地結(jié)合在一起,形成系統(tǒng)特定的一體化軟件。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2手機的大概組成 微處理器 Bus ROM or Flash 鍵盤 無線電信號發(fā)射與接收 LCD 部件 聲音設(shè)備 DSP 其他外設(shè) RAM 成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2微波爐CPUBUSROMRAM輸入接口輸出接口輸入鍵開門馬達磁電管風扇燈具嵌入式處理器喇叭成都信息

11、工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域MicroprocessorCCD preprocessorPixel coprocessorA2DD2AJPEG codecDMA controllerMemory controllerISA bus interfaceUARTLCD ctrlDisplay ctrlMultiplier/AccumDigital camera chiplensCCD成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2嵌入式系統(tǒng)硬件部分嵌入式系統(tǒng)軟件部分如人的大腦,決定了硬件的操作模式。通過良好的操作系統(tǒng)以及應用程序,把硬件功能發(fā)揮到極至。如

12、人的手、腳、神經(jīng)等部位,決定了嵌入式系統(tǒng)的先天功能。如運算能力和I/O接口等。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/22 ARM簡介nARM公司簡介 ARM是Advanced RISC Machines的縮寫,它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè),該企業(yè)設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC (精簡指令集)處理器。 公司的特點是只設(shè)計芯片,而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導體、軟件和OEM廠商,并提供服務。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2nARM公司簡介將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片. . .成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 20

13、22/1/2CPUCPU通用功能模塊嵌入式處理器內(nèi)置接口嵌入式處理器外置接口嵌入式系統(tǒng)的宿主對象IP商半導體芯片(SOC)商嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者分工邊界個性化強度嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成層次圖成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2nARM處理器的應用n當前主要應用于消費類電子領(lǐng)域;n到目前為止,基于ARM技術(shù)的微處理器應用約占據(jù)了32位嵌入式微處理器75以上的市場份額n全球80%的GSM/3G手機、99%的CDMA手機以及絕大多數(shù)PDA產(chǎn)品均采用ARM體系的嵌入式處理器,n“掌上計算”相關(guān)的所有領(lǐng)域皆為其所主宰。nARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班

14、- 2022/1/2nARM處理器核簡介 ARM公司開發(fā)了很多系列的ARM處理器核,目前最新的系列已經(jīng)是ARM cortex了,而ARM6核以及更早的系列已經(jīng)很罕見了。ARM7ARM9ARM9EARM10ARM11CortexV4V4TV5TEV5TEV6V7nARM體系結(jié)構(gòu)版本 ARM體系結(jié)構(gòu)從最初開發(fā)到現(xiàn)在有了很大的改進,并仍在完善和發(fā)展。為了清楚的表達每個ARM應用實例所使用的指令集,ARM公司定義了7種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本,以版本號V1V7表示。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2v4 v5TESA110v4TARM720TARM7TDMI-SARM920T

15、ARM940TARM922TARM966E-SARM946E-SARM1020Ev5TEJ / Jazellev6 / JazelleARM7EJ-SARM926EJ-SARM1026EJ-SARM11 Micro-Architecture 成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2項目ARM7ARM9ARM10ARM11流水線3568典型頻率(MHz)80150260335功耗(mW/MHz)0.060.19(+cache)0.5(+cache)0.4(+cache)性能MIPS*/MHz0.9架構(gòu)馮諾伊曼哈佛哈佛哈佛成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 20

16、22/1/2ARM系列微處理器核特點ARM7ARM7TDMI:整數(shù)處理核ARM7TDMI 處理器的可綜合版本; ARM720T:帶MMU的處理器核心,支持操作系統(tǒng);ARM7EJ-S:帶有DSP和Jazelle TM 技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)Java加速功能l 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu);l ARMTDMI是目前應用最廣的微處理器核l ARM720T帶有MMU和8KB的指令數(shù)據(jù)混合cache;l ARM7EJ-執(zhí)行ARMv5TEJ指令,5級流水線,提供Java加速指令,沒有存儲器保護。ARM9ARM920T:帶有獨立的16KB 數(shù)據(jù)和指令Cache;ARM922T:帶有獨立的8位KB 數(shù)據(jù)和指令Cache;ARM9

17、40T包括更小數(shù)據(jù)和指令Cache和一個MPUl 基于ARM9TDMI ,帶16位的Thumb指令集,增強代碼密度最多到35%;l 在0.13m工藝下最高性能可達到300MIPS(Dhrystone 2.1測試標準);l 集成了數(shù)據(jù)和指令Chche;l 32位AMBA總線接口的MMU支持;l 可在0.18m、 0.15m和0.13m工藝的硅芯片上實現(xiàn)。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2ARM9EARM926EJ-S:Jazelle 技術(shù),有MMU,可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache,TCM接口;ARM946E-S:可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache及TCM;ARM966E-S:針對要求

18、高性能和低功耗的可預測的指令執(zhí)行時間的硬實時應用設(shè)計 ARM968E-S:最小、功耗最小的 ARM9E系列處理器,針對嵌入式實時應用設(shè)計;lARM9E是針對微控制器、DSP和Java的單處理器解決方案; lARM Jazelle 技術(shù)提供 8倍的 Java 加速性能 (ARM926EJ-S) ;l5-級整數(shù)流水線; l在0.13m工藝下最高性能可達到300MIPS(Dhrystone 2.1測試標準);l可選擇的 向量浮點單元VFP9 協(xié)處理器指令優(yōu)秀海浮點性能,對于3D圖形加速和實時控制可達到 215MFLOPS。l高性能的AHB總線,帶MMUl可在0.18m, 0.15m, 0.13m工藝

19、的硅芯片上實現(xiàn)。 ARM10EARM1020E:帶DSP指令集,在片調(diào)試功能,獨立的32KB數(shù)據(jù)和指令Cache,MMU支持;ARM1022E:與ARM1020E相同,只是獨立的數(shù)據(jù)和指令Cache變?yōu)?6KB;ARM1026EJ-S:同時具有MPU和MMU,可綜合版本; l帶分支預測的6級整數(shù)流水線;l在0.13m工藝下最高性能可達到430MIPS(Dhrystone 2.1測試標準);l對于3D圖形運算和實時控制采用VFP協(xié)處理器,浮點運算性能最高可達650MFLOPS;l雙64位AMBA總線接口和64位內(nèi)部總路線接口;l優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)提高了處理器訪問低速存儲器的性能;l可在0.18m,

20、0.15m, 0.13m工藝的硅芯片上實現(xiàn)成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2ARM11ARM11 MPCore:可綜合的多處理器核,1至4個處理器可配置;ARM1136J(F)-S:可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache,可提供1.9位的MPEG4編碼加速功能;ARM1156T2(F)-S:帶集成浮點協(xié)處理器,帶內(nèi)存保護單元MPU ;ARM1176JZ(F)-S:帶針對CPU和系統(tǒng)安全架構(gòu)擴展的TrustZone技術(shù)。l增強的Thumb、Jazelle、DSP擴展支持; l帶片上和系統(tǒng)安全TrustZone 技術(shù)支持 ;l在0.13m工藝下最高可達到550MHz;lMPCore在0.

21、13m工藝下最高性能可達到740MIPS(Dhrystone 2.1測試標準);l支持多媒體指令SIMD;l采用三種電源模式:全速/待命/休眠l集成DMA的TCMl低功耗、高性能。 SecurCoreSC100:第一個32位安全處理器;、SC110:在SC100上增加密鑰協(xié)處理器;SC200:帶Jazelle技術(shù)的高級安全處理器;SC210:在SC200上增加密鑰協(xié)處理器lSecurCore是專門為智能卡、安全IC提供的32位安全處理器, 為電子商務、銀行、網(wǎng)絡(luò)、移動多媒體、公共交通提供安全解決方案;l體積小、功耗低,代碼壓縮密度高;l為快速增長的Java卡平臺提供Java加速功能;成都信息工

22、程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2CortexCortex-A:面向應用的微處理器,針對復雜操作系統(tǒng)和應用程序設(shè)計;Cortex-R:針對實時系統(tǒng)的嵌入式處理器;Cortex-M:針對成本敏感應用優(yōu)化的深度嵌入式處理器;l2004年發(fā)布,提供增強的媒體和數(shù)字處理能力,增加了系統(tǒng)性能;l支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集;lThumb-2指令集提供了更高的代碼存儲密度,進一步降低成本;Intel系列StrongARM:ARMv4體系XScale:ARMv5TE體系,增加MMX指令lStrongARM主要應用于手持設(shè)備和PDA,5級流水線,具有獨立的數(shù)據(jù)和指令Cache,不支持

23、Thumb指令集,目前已停產(chǎn);lXScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式處理器,分通用處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和I/O處理器三類。其中通用處理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三個系列,被廣泛應用于智能手機、PDA領(lǐng)域。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2ARM系列產(chǎn)品表示nARM系列產(chǎn)品很多,以ARM7系列為例,其內(nèi)核ARM7TDMI表示為:nARM7: ARM系列具有32位整數(shù)運算核nT: 內(nèi)含16位壓縮指令集ThumbnD: 支持片內(nèi)Debug調(diào)試,nM: 采用增強型乘法器(Multiplier),nI: 內(nèi)含嵌入式ICE宏單元n另外,各產(chǎn)品的后綴提供了各

24、種形式與功能的選擇:n-S:可綜合的軟核Softcoren-E:具有DSP的功能n-J:Jazeller,允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2對本部分的要求n由于C語言編譯器已經(jīng)考慮到了許多復雜的因素,所以作為初學者無需成為一個專家就可以使用LPC2200。n但是為了能夠設(shè)計出可靠的應用系統(tǒng)和培養(yǎng)學習新技術(shù)的能力,作為初學者確實需要對CPU(即ARM內(nèi)核)的運作機制及其獨特的性能有所了解。n同一個系列ARM(例如都是ARM7或均為V4架構(gòu)),其內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)基本相同,了解其中一種,其它也能很快上手。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/

25、23、 ARM7TDMIn簡介 ARM7TDMI基于ARM體系結(jié)構(gòu)V4版本,是目前低端的ARM核。具有廣泛的應用,其最顯著的應用為數(shù)字移動電話。注意:“ARM核”并不是芯片,ARM核與其它部件如RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)組合在一起才能構(gòu)成現(xiàn)實的芯片。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2馮諾依曼體系結(jié)構(gòu) ARM7TDMI處理器使用了馮諾依曼(Von Neumann)結(jié)構(gòu),指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線。只有裝載、存儲和交換指令可以對存儲器中的數(shù)據(jù)進行訪問。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0

26、指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2存儲器的字與半字 ARM處理器直接支持字節(jié)(8位)、半字(16位)或者字(32位)的數(shù)據(jù)類型。 其中能被4整除的地址開始連續(xù)的4個字節(jié)構(gòu)成一個字,字的數(shù)據(jù)類型為4個連續(xù)的字節(jié)。 從偶數(shù)地址開始的連續(xù)的2個字節(jié)構(gòu)成一個半字,半字的數(shù)據(jù)類型為2個連續(xù)的字節(jié)。 ARM指令的長度剛好是1個字。1112342成都信息工程學院3+1創(chuàng)

27、新實驗班 - 2022/1/2方式半字對齊字對齊地址0 x40020 x40040 x40060 x40080 x40040 x40080 x400C0 x4010特征bit0=0其它位為任意值bit0=0,bit1=0其它位為任意值字字/半字對齊半字對齊成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2存儲方式.12345678.0 x443D657B0 x443D657A0 x443D65790 x443D65780 x443D657C0 x443D65740 x443D65750 x443D65760 x443D6577字字.78563412.0 x443D657B0 x443D65

28、7A0 x443D65790 x443D65780 x443D657C0 x443D65740 x443D65750 x443D65760 x443D6577字字0 x12345678待存數(shù)據(jù)低地址高地址 小端存儲方式大端存儲方式字的低位字節(jié)成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2流水線技術(shù)流水線技術(shù)流水線流水線(Pipeline)(Pipeline)技術(shù):幾個指令可以并行執(zhí)行技術(shù):幾個指令可以并行執(zhí)行允許多個操作同時處理,比逐條指令執(zhí)行要快。允許多個操作同時處理,比逐條指令執(zhí)行要快。提高了提高了CPUCPU的運行效率的運行效率譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cm

29、p時間AddSubCmp 為增加處理器指令流的速度,ARM7 系列使用3級流水線. PC指向正被取指的指令,而非正在執(zhí)行的指令0 x4000PC-80 x4004PC-40 x4008PC周期1周期2周期3周期4周期5當前周期當前周期PC值值=當前程序執(zhí)行位置當前程序執(zhí)行位置+8第第1條指令條指令第第2條指令條指令第第3條指令條指令成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2預取(Fetch)譯碼(Decode)執(zhí)行(Execute)預?。‵etch)譯碼(Decode)執(zhí)行(Execute)訪存(Memory)寫入(Write)預?。‵etch)譯碼(Decode)發(fā)送(Issue

30、)預?。‵etch)預?。‵etch)執(zhí)行(Execute)訪存(Memory)寫入(Write)譯碼(Decode)發(fā)送(Issue)執(zhí)行(Execute)轉(zhuǎn)換(Snny)訪存(Memory)寫入(Write)ARM7ARM9ARM10ARM11成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/24、 處理器狀態(tài)n處理器狀態(tài) ARM7TDMI處理器內(nèi)核使用V4T版本的ARM結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集。因此ARM7TDMI處理器有兩種操作狀態(tài):ARM狀態(tài):32位,這種狀態(tài)下執(zhí)行的是字方式的ARM指令;Thumb狀態(tài):16位,這種狀態(tài)下執(zhí)行半字方式的ARM指令。

31、注意:兩個狀態(tài)之間的切換并不影響處理器模式或寄存器內(nèi)容。由“當前程序狀態(tài)寄存器CPSR”中的第5位(即控制位T)反映處理器正在操作的狀態(tài)。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2nARM指令集與Thumb指令集的關(guān)系Thumb指令集具有靈活、小巧的特點ARM指令集支持ARM核所有的特性,具有高效、快速的特點成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n處理器狀態(tài)切換 使用BX指令將ARM7TDMI內(nèi)核的操作狀態(tài)在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間進行切換(詳見第4章) ,程序如下所示。;從Arm狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài) LDR R0,=Lable+1 BX R0;從Thum

32、b狀態(tài)切換到ARM狀態(tài) LDR R0,=Lable BX R0地址最低位為1,表示切換到Thumb狀態(tài)地址最低位為0,表示切換到ARM狀態(tài)跳轉(zhuǎn)地址標號成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2處理器模式說明備注 用戶 (usr)正常程序執(zhí)行模式不能直接切換到其它模式 系統(tǒng) (sys)運行操作系統(tǒng)的特權(quán)任務與用戶模式類似,但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán) 快中斷 (fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應時進入此模式 中斷 (irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應時進入此模式 管理 (svc)操作系統(tǒng)保護模式系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時進入此模式 中止 (abt)用于支持虛擬內(nèi)

33、存和/或存儲器保護在ARM7TDMI沒有大用處 未定義 (und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應時進入此模式5 處理器模式n處理器7種模式usersystemfast interrupt requestinterrupt requestsupervisorabortunderfined成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n特權(quán)模式處理器模式說明備注 用戶 (usr)正常程序工作模式不能直接切換到其它模式 系統(tǒng) (sys)用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務等與用戶模式類似,但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán) 快中斷 (fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應時進入

34、此模式 中斷 (irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應時進入此模式 管理 (svc)操作系統(tǒng)保護代碼系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時進入此模式 中止 (abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護在ARM7TDMI沒有大用處 未定義 (und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應時進入此模式 除用戶模式外,其它模式均為特權(quán)模式。ARM內(nèi)部寄存器和一些片內(nèi)外設(shè)在硬件設(shè)計上只允許(或者可選為只允許)特權(quán)模式下訪問。此外,特權(quán)模式可以自由的切換處理器模式,而用戶模式不能直接切換到別的模式。 未定義 (und) 中止 (abt) 管理 (svc) 中斷 (irq) 快中斷 (fiq) 系統(tǒng) (sys)成都

35、信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n異常模式處理器模式說明備注 用戶 (usr)正常程序工作模式不能直接切換到其它模式 系統(tǒng) (sys)用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務等與用戶模式類似,但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán) 快中斷 (fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應時進入此模式 中斷 (irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應時進入此模式 管理 (svc)操作系統(tǒng)保護代碼系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時進入此模式 中止 (abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護在ARM7TDMI沒有大用處 未定義 (und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應時進入此模式 未定義 (un

36、d) 中止 (abt) 管理 (svc) 中斷 (irq) 快中斷 (fiq) 這五種模式稱為異常模式。它們除了可以通過程序切換進入外,也可以由特定的異常進入。當特定的異常出現(xiàn)時,處理器進入相應的模式。每種異常模式都有一些獨立的寄存器,以避免異常退出時用戶模式的狀態(tài)不可靠。MSR CPSR_c,#(NoInt | SYS32Mode) ;從管理模式切換到系統(tǒng)模式MSR CPSR_c,#(NoInt | SVC32Mode) ;從系統(tǒng)模式切換到管理模式成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2n用戶和系統(tǒng)模式處理器模式說明備注 用戶 (usr)正常程序工作模式不能直接切換到其它模式

37、系統(tǒng) (sys)用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務等與用戶模式類似,但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán) 快中斷 (fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應時進入此模式 中斷 (irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應時進入此模式 管理 (svc)操作系統(tǒng)保護代碼系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時進入此模式 中止 (abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護在ARM7TDMI沒有大用處 未定義 (und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應時進入此模式 這兩種模式都不能由異常進入,而且它們使用完全相同的寄存器組。 系統(tǒng)模式是特權(quán)模式,不受用戶模式的限制。操作系統(tǒng)在該模式下訪問用戶模式的寄存器就比較方便

38、,而且操作系統(tǒng)的一些特權(quán)任務可以使用這個模式訪問一些受控的資源。 系統(tǒng) (sys) 用戶 (usr)成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/26 ARM內(nèi)部寄存器n在ARM7TDMI處理器內(nèi)部有37個用戶可見的寄存器。n31 個通用個通用32位寄存器(包括程序計數(shù)器位寄存器(包括程序計數(shù)器PC)n6 個狀態(tài)寄存器個狀態(tài)寄存器通用寄存器包括通用寄存器包括R0R15,可以分為三類:,可以分為三類: 未分組寄存器未分組寄存器R0R7 分組寄存器分組寄存器R8R14 程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC(R15)狀態(tài)寄存器:狀態(tài)寄存器: CPSR(Current Program Status Regi

39、ster,當前程序狀,當前程序狀態(tài)寄存器態(tài)寄存器) SPSR( Saved Program Status Register,備份程序狀,備份程序狀態(tài)寄存器)態(tài)寄存器) 在不同的工作在不同的工作模式和處理器狀模式和處理器狀態(tài)下,程序員可態(tài)下,程序員可以訪問的寄存器以訪問的寄存器不盡相同。不盡相同。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R

40、8R8_fiq *R9(SB,v6)R9R9_fiq *R10(SL,v7)R10R10_fiq *R11(FP,v8)R11R11_fiq *R12(IP)R12R12_fiq *R13(SP)R13R13_svc*R13_abt *R13_und *R13_irq *R13_fiq *R14(LR)R14R14_svc *R14_abt *R14_und *R14_irq *R14_fiq *R15(PC)R15狀態(tài)寄存器R16(CPSR)CPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiqARM狀態(tài)各模式下的寄存器成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實

41、驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_i

42、rqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiqARM狀態(tài)各模式下的寄存器SPSR_fiqSPSR_irqSPSR_undSPSR_abtSPSR_abtCPSRR15R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0所有的37個寄存器,分成兩大類:31個通用32位寄

43、存器;6個狀態(tài)寄存器。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R

44、14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq無CPSRR15R14R13R12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0用戶用戶無CPSRR15R14R13R12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0系統(tǒng)系統(tǒng)SPSR_abtCPSRR15R14_svcR13_svcR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0管理管理SPSR_abtCPSRR15R14_abtR13_abtR12R11R10R9R8

45、R7R6R5R4R3R2R1R0中止中止SPSR_undCPSRR15R14_undR13_undR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0未定義未定義SPSR_irqCPSRR15R14_irqR13_irqR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0中斷中斷SPSR_fiqCPSRR15R14_fiqR13_fiqR12_fiqR11_fiqR10_fiqR9_fiqR8_fiqR7R6R5R4R3R2R1R0快中斷快中斷ARM狀態(tài)各模式下可以訪問的寄存器成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存

46、器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SP

47、SR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0 在匯編語言中寄存器R0R13為保存數(shù)據(jù)或地址值的通用寄存器。它們是完全通用的寄存器,不會被體系結(jié)構(gòu)作為特殊用途,并且可用于任何使用通用寄存器的指令。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計

48、數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR

49、_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0R7R6R5R4R3R2R1R0 其中R0R7為未分組的寄存器,也就是說對于任何處理器模式,這些寄存器都對應于相同的32位物理寄存器。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3

50、R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R14_fiqR14_irq

51、R14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8 寄存器R8R14為分組寄存器。它們所對應的物理寄存器取決于當前的處理器模式,幾乎所有允許使用通用寄存器的指令都允許使用分組寄存器成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)

52、R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR

53、10R9_fiqR9R8_fiqR8 寄存器R8R12有兩個分組的物理寄存器。一個用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式,另一個用于FIQ模式。這樣在發(fā)生FIQ中斷后,可以加速FIQ的處理速度。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v

54、8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器 寄存器R13、R14分別有6個分組的物理寄存器。一個用于用戶和系統(tǒng)模式,其余5個分別用于5種異常模式。R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR

55、13_undR13_abtR13_svcR13成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fi

56、qR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq堆棧指針寄存器R13(SP) 寄存器R13常作為堆棧指針(SP)。在ARM指令集當中,沒有以特殊方式使用R13的指令或其它功能,只是習慣上都這樣使用。但是在Thumb指令集中存在使用R13的指令。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2寄存器類別寄存器在匯編中的名稱各模式下實際訪問的寄存器用戶系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計數(shù)器R0(a1)R

57、0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR無SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_

58、fiq鏈接寄存器R14(LR) R14為鏈接寄存器(LR),在結(jié)構(gòu)上有兩個特殊功能:在每種模式下,模式自身的R14版本用于保存子程序返回地址;當發(fā)生異常時,將R14對應的異常模式版本設(shè)置為異常返回地址(有些異常有一個小的固定偏移量)。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2Lable程序A程序BR14nR14(LR)寄存器與子程序調(diào)用BL Lable地址A?MOV PC,LRR14(地址A)Lable?1.程序A執(zhí)行過程中調(diào)用程序B;操作流程2.程序跳轉(zhuǎn)至標號Lable,執(zhí)行程序B。同時硬件將“BL Lable”指令的下一條指令所在地址存入R14(LR);3.程序B執(zhí)行最后,將R

59、14寄存器的內(nèi)容放入PC,返回程序A;成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2nR14寄存器與異常發(fā)生 異常發(fā)生時,程序要跳轉(zhuǎn)至異常服務程序,對返回地址的處理與子程序調(diào)用類似,都是由硬件完成的。區(qū)別在于有些異常有一個小常量的偏移。成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2nR14寄存器注意要點R14R14_irq用戶模式下的程序IRQ模式下的程序AareturnB.XA地址A地址A1.執(zhí)行用戶模式下的程序;2.發(fā)生IRQ中斷,硬件將某個地址存入IRQ模式下的R14_irq寄存器,用戶模式下的R14沒有被破壞;3. IRQ服務程序A執(zhí)行完畢,將R14_irq寄存器的內(nèi)容

60、減去某個常量后存入PC,返回之前被中斷的程序;未被破壞R14_irq成都信息工程學院3+1創(chuàng)新實驗班 - 2022/1/2nR14寄存器注意要點R14R14_irq用戶模式下的程序IRQ模式下的程序AaB.XA地址A地址A1.執(zhí)行用戶模式下的程序;2.發(fā)生IRQ中斷,硬件將某個地址存入IRQ模式下的R14_irq寄存器,用戶模式下的R14沒有被破壞;3. IRQ服務程序A執(zhí)行完畢,將R14_irq寄存器的內(nèi)容減去某個常量后存入PC,返回之前被中斷的程序;未被破壞IRQ模式下的程序BareturnB.XA地址B地址B4. 如果在IRQ處理程序中打開IRQ中斷,并且再次發(fā)生IRQ中斷;5. 硬件將

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