微機(jī)原理及其應(yīng)用ppt第七章單片微處理機(jī)與嵌入式處理器-課件

1、微機(jī)原理及其應(yīng)用普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材 作者 丁新民2007年5月第七章單片微處理機(jī)與嵌入式處理器學(xué)習(xí)目標(biāo) 1、識(shí)記MCS-51系列單片計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和發(fā)展，特別是8031單片機(jī)編程結(jié)構(gòu)。 2、理解8031單片機(jī)工作原理、指令系統(tǒng)、中斷和接口、編程開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。 3、識(shí)記嵌入式處理器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和發(fā)展，以及嵌入式硬件系統(tǒng)的構(gòu)成。 4、識(shí)記ARM、PowePC、Acra嵌入式處理器的性能和用途。 5、理解ARM嵌入式處理器的編程結(jié)構(gòu)、初始化操作、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。第七章單片微處理機(jī)與嵌入式處理器7.1 單片機(jī)概述7.2 MCS-51系列單片機(jī)及其應(yīng)用7.3 嵌入式處理器7.4 AR

2、M處理器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用一、單片機(jī)概述1. 單片機(jī)主要特點(diǎn)2. 單片機(jī)發(fā)展概況3. 單片機(jī)應(yīng)用概述第一節(jié)單片機(jī)主要特點(diǎn)1. 單片機(jī)主要特點(diǎn) （1）什么叫單片機(jī) 普遍認(rèn)為單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O口的器件。如圖7-1-1所示為一個(gè)不帶外部設(shè)備的微處理機(jī)，稱(chēng)為“微型控制器” 。1. 單片機(jī)主要特點(diǎn) （2）單片機(jī)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)上來(lái)看，單片機(jī)有兩種不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。一種是馮偌依曼結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，例如MCS-96系列單片機(jī)。另一種是哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，例如MCS-51系列單片機(jī)。如圖7-1-2和圖7-1-3

3、所示。 1. 單片機(jī)主要特點(diǎn) （3）單片機(jī)特點(diǎn) 單片機(jī)主要用于控制領(lǐng)域，采用面向控制的結(jié)構(gòu)和RISC指令系統(tǒng)。 單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)大多采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，而計(jì)算機(jī)則常采用程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合一的馮諾依曼結(jié)構(gòu)。 單片機(jī)的RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放隨機(jī)數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)中RAM除了作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之外，還可以作為高速緩沖器使用。 單片機(jī)的I/O帶有串行/并行I/O接口。 第二節(jié)單片機(jī)發(fā)展概況2. 單片機(jī)發(fā)展概況 20世紀(jì)80年代以來(lái)，8位和16位單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，以Intel公司為例，1980年推出MCS-51系列，三年后推出16位MCS-96系列，近來(lái)又推出32位的8096單片

4、機(jī)。 從結(jié)構(gòu)上看，單片機(jī)大多采用哈佛結(jié)構(gòu)。CPU面向控制結(jié)構(gòu)和RISC指令系統(tǒng)。數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器單獨(dú)尋址。 單片機(jī)品種日益增多，從多型號(hào)的單片機(jī)而言，以Motorola和Intel優(yōu)異，世界上著名的廠家還有Rockwell公司、Zilog公司、Inmos公司和NS公司等。 第三節(jié)單片機(jī)應(yīng)用概述3. 單片機(jī)應(yīng)用概述 （1）單片機(jī)應(yīng)用的考慮 用單片機(jī)構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，通常需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)于I/O口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址時(shí)，應(yīng)合理地分配地址空間。 編程時(shí)應(yīng)注意，由于片內(nèi)RAM容量小，堆棧空間受限制。 缺乏產(chǎn)生內(nèi)部中斷的指令，在中斷源較多的情況下應(yīng)考慮外接中斷控制器芯片。 單片機(jī)引腳控制信號(hào)比通用微機(jī)

5、控制信號(hào)要少得多，如有關(guān)的總線控制等信號(hào)。 3. 單片機(jī)應(yīng)用概述 （2）設(shè)計(jì)步驟 設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)前，首先明確引入單片機(jī)的重要性。就必須在對(duì)系統(tǒng)性能、可靠性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)效果等因素進(jìn)行綜合考慮后，才能得出是否采用單片機(jī)。單片機(jī)的選用方法，參見(jiàn)圖7-1-4所示。 3. 單片機(jī)應(yīng)用概述 （2）設(shè)計(jì)步驟 設(shè)計(jì)的步驟大致如下： 確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。對(duì)控制對(duì)象的工作過(guò)程進(jìn)行詳盡的分析，確定單片機(jī)在該系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用。 功能部件的選擇。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、輸入和輸出方式、被控對(duì)象的類(lèi)型和數(shù)據(jù)、軟件占用的存儲(chǔ)器空間以及成本等因素，選擇功能部件。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件兩部分。 系統(tǒng)調(diào)試，對(duì)樣機(jī)試運(yùn)行。 二、MC

6、S-51系列單片機(jī)及其應(yīng)用1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述2. MCS-51指令系統(tǒng)3. 8031最小應(yīng)用系統(tǒng)4. 應(yīng)用舉例第一節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （1）結(jié)構(gòu)框圖 MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7-2-1所示，由八個(gè)部件通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成。部件有微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、I/O、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器SFR。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （1）結(jié)構(gòu)框圖 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （1）結(jié)構(gòu)框圖 運(yùn)算部件 運(yùn)算部件包括ALU、位處理器、累加器A、寄存器B、暫存器以及程序狀態(tài)字（PSW）等。該部件的功能是實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作。 程序狀態(tài)字，如圖7-2-

7、2所示 。1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （1）結(jié)構(gòu)框圖 控制器 控制器是單片機(jī)的控制中心，負(fù)責(zé)硬件的各部件協(xié)調(diào)工作的部件。MCS-51的一個(gè)機(jī)器周期分為六個(gè)狀態(tài)（S1S6），每個(gè)狀態(tài)由兩個(gè)時(shí)鐘周期（主振頻率）P1和P2構(gòu)成。這樣一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)時(shí)鐘周期。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （2）引腳及其功能 MCS-51系列是采用40腳的雙列直插封裝方式，如圖7-2-3所示。 信號(hào)線分為電源線 、時(shí)鐘 、控制總線和 I/O控制 四類(lèi)。1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （3）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) MCS-51存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分為五大類(lèi)： 程序存儲(chǔ)器 8031內(nèi)部沒(méi)有ROM，只能外接。最多可外擴(kuò)64KB。8031復(fù)位后，從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行

8、程序。地址0000H就是系統(tǒng)的起動(dòng)地址。除0000H單元外，中斷服務(wù)地址參見(jiàn)表7-2-2。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （3）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)128B的RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址為00H7FH，如圖7-2-4所示 。1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （3）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 特殊功能寄存器（SFR） SFR由若干特殊功能的RAM單元構(gòu)成，地址范圍為80HFFH，總共有21個(gè)，有的可進(jìn)行位尋址，如圖7-2-5所示。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （3）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 特殊功能寄存器（SFR） 寄存器標(biāo)識(shí)符、名稱(chēng)和地址如表7-2-3所示。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （3）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 位地址空間 在RAM和SFR中提供211個(gè)可尋址位，

9、地址范圍為00HFFH。 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 當(dāng)片內(nèi)128B的RAM不夠用時(shí)，允許外接存儲(chǔ)器擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （4）中斷系統(tǒng) 中斷源 MCS-51有五個(gè)中斷源，兩個(gè)外部中斷和三個(gè)內(nèi)部中斷。 外部中斷為INT0 和 INT1 ；內(nèi)部中斷為定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1溢出中斷請(qǐng)求TF0、TF1，另一個(gè)為串行口中斷請(qǐng)求TI或RI。 中斷優(yōu)先級(jí) 中斷系統(tǒng)有高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)，允許對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)編程設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （4）中斷系統(tǒng) 中斷優(yōu)先級(jí) 各中斷源服務(wù)程序的入口地址如表7-2-4所示。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （5）定時(shí)/計(jì)數(shù)器 MCS-51有兩個(gè)可編程的16位定時(shí)

10、/計(jì)數(shù)器，分別記作T0和T1。T0和T1具有兩種工作方式：定時(shí)器和事件計(jì)數(shù)器。還有四種工作模式。 模式0，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度為13位。 模式1，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度為16位。 模式2，自動(dòng)恢復(fù)初值的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 模式3，將T0作為兩個(gè)計(jì)數(shù)器TL0和TH0使用。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （6）I/O口與串行接口 I/O口 MCS-51提供有四個(gè)8位并行I/O口。 P0口是三態(tài)雙向口數(shù)據(jù)口 P1口是I/O口，準(zhǔn)雙向口 P2口系統(tǒng)擴(kuò)展作高8位地址線用 P3口是雙功能口1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述 （6）I/O口與串行接口 串行接口 MCS-51有一個(gè)全雙工串行接口和一個(gè)獨(dú)立接收/發(fā)送緩沖器SBUF。工

11、作模式有： 模式0（同步方式） 模式1（異步方式1） 模式2（異步方式2） 模式3（異步方式3）第二節(jié)MCS-51指令系統(tǒng)2. MCS-51指令系統(tǒng) MCS-51基本指令共111條，其中單字節(jié)指令49條，雙字節(jié)指令45條，三字節(jié)指令17條。 （1）MCS-51指令系統(tǒng)的尋址方式 寄存器尋址 寄存器尋址方式可對(duì)寄存器區(qū)中的八個(gè)工作寄存器R0R7進(jìn)行訪問(wèn)，用Rn（n=07）表示。 如： MOV A，Rn ；源操作數(shù)Rn的內(nèi)容累加器A2. MCS-51指令系統(tǒng)（1）MCS-51指令系統(tǒng)的尋址方式 直接尋址 直接尋址是訪問(wèn)特殊功能寄存器的惟一方法，也用于訪問(wèn)內(nèi)部RAM。直接尋址方式的指令是雙字節(jié)指令，

12、其中第一個(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)字節(jié)是內(nèi)部RAM或特殊功能寄存器的直接地址，即源操作數(shù)采用直接尋址方式。如： MOV A，40H ；RAM 40H單元的內(nèi)容累加器A MOV A，P0 ；P0口（若地址為80H）A 2. MCS-51指令系統(tǒng)（1）MCS-51指令系統(tǒng)的尋址方式 寄存器間接尋址 寄存器間接尋址方式用于訪問(wèn)內(nèi)部RAM或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的低256字節(jié)時(shí)，可采用R0或R1作為間接寄存器，這類(lèi)指令為單字節(jié)指令，其最低位表示采用R0還是R1作為間址寄存器。用Ri表示間址寄存器，其中i=0或1。如： MOV A，R0 ；R0中的操作數(shù)地址的內(nèi)容A2. MCS-51指令系統(tǒng)（1）MCS-51指令系

13、統(tǒng)的尋址方式 立即尋址 立即尋址方式的指令是雙字節(jié)的。第一個(gè)字節(jié)是操作碼，第二字節(jié)是立即操作數(shù)，規(guī)定冠以前綴“#”符號(hào)。操作數(shù)就是放在程序存儲(chǔ)器內(nèi)的常數(shù)。如： MOV A，#40H ；40HA，40H是指令代碼的一部分2. MCS-51指令系統(tǒng)（1）MCS-51指令系統(tǒng)的尋址方式 基址加變址寄存器間址尋址 這種尋址方式用于訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器中的一個(gè)單元，該單元的地址是基址寄存器（DPTR或PC）與變址寄存器A的內(nèi)容之和。如： MOVC A，A+DPTR ；DPTR加A的地址的內(nèi)容A2. MCS-51指令系統(tǒng) （2）指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介 按指令的功能分類(lèi)，MCS-51指令系統(tǒng)可分?jǐn)?shù)據(jù)傳送、算術(shù)操作、邏輯運(yùn)算

14、、控制轉(zhuǎn)移和位操作五個(gè)大類(lèi)。其中，位操作類(lèi)指令由位處理機(jī)執(zhí)行。 第三節(jié)8031最小應(yīng)用系統(tǒng)3. 8031最小應(yīng)用系統(tǒng) （1）最小系統(tǒng)的構(gòu)成 一塊單片機(jī)芯片包括了一臺(tái)完整微型計(jì)算機(jī)的全部基本部件。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，在MCS-51系列中選取一個(gè)合適的單片機(jī)作為微機(jī)的基本系統(tǒng)，即是所謂的最小系統(tǒng)。也就是說(shuō)用一片單片機(jī)就可構(gòu)成最小系統(tǒng)。但并不是所有的最小系統(tǒng)僅有一塊芯片就能工作，如8031單片機(jī)就必須外接程序存儲(chǔ)器才能構(gòu)成完整的系統(tǒng)。 3. 8031最小應(yīng)用系統(tǒng) （2）最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作 最小系統(tǒng)的硬件 最小系統(tǒng)的軟件 如圖7-2-6所示，由一片8031單片機(jī)、一片74LS373和一片EPROM 2

15、764，再加上復(fù)位鍵及晶振等簡(jiǎn)單器件組成。 第四節(jié)應(yīng)用舉例4. 應(yīng)用舉例 單片機(jī)在攻螺紋機(jī)床控制的應(yīng)用實(shí)例。 （1）應(yīng)用要求 當(dāng)攻螺紋機(jī)床的操作人員上料后，起動(dòng)程序。每次機(jī)床工作到六步之后，延時(shí)t秒以供操作人員上料，延時(shí)時(shí)間到，自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行。 機(jī)床攻螺紋動(dòng)作過(guò)程順序：工件夾緊刀具快進(jìn)刀具攻進(jìn)刀具攻退刀具快退工件松開(kāi)延時(shí)。以上過(guò)程不斷重復(fù)。（2）主要元器件選擇 MCS-51系列單片機(jī)。 8255接口芯片。 4. 應(yīng)用舉例 （3）主要電路 用8255作為攻螺紋機(jī)床控制接口，如圖7-2-7所示。I/O口均采用光電隔離；8255的A口為輸入，B口作為輸出； YAi為電磁鐵。4. 應(yīng)用舉例 （4）問(wèn)題的

16、分析 輸出信號(hào)經(jīng)B口控制電磁鐵Yai，動(dòng)作完成后機(jī)床發(fā)出SQi回答信號(hào)。工件加工完后，工件松開(kāi)，延時(shí)3s，等待上料。如表7-2-7所示。 4. 應(yīng)用舉例 （5）流程圖 工作流程見(jiàn)圖7-2-8所示。 4. 應(yīng)用舉例 （6）程序清單 AJMP MAIN MAIN：MOV R0，#EBH；8255控制口 MOV A，#90H ；方式0，A口為輸入，B口為輸出 MOVX R0，A ；將控制字送入8255控制口 LOOP：CLR A ；A清零 MOV R0，#E8H ；設(shè)置A口地址 MOV R1，#E9H ；設(shè)置B口地址 MOVX R0，A ；A口清零 MOVX R1，A ；B口清零 MOV A，#01

17、H ；發(fā)工件夾緊命令 MOVX R1，A ；輸出4. 應(yīng)用舉例 （6）程序清單 MOV 20H，#01H LOP1：MOVX A，R0 ；工件夾緊命令到否 CJNE A，20H，LOP1 MOV A，#05H ；發(fā)刀具快進(jìn)命令 MOVX R1，A ；輸出 MOV 20H，#02H LOP2：MOVX A，R0 ；刀具快進(jìn)命令到否 CJEN A，20H，LOP2 MOV A，#11H ；發(fā)刀具攻進(jìn)命令 MOVX R1，A ；輸出 MOV 20H，#04H4. 應(yīng)用舉例 （6）程序清單 LOP3：MOVX A，R0 ；刀具攻進(jìn)命令到否 CJEN A，20H，LOP3 MOV 02H，#15H ；延

18、時(shí)20ms設(shè)置參數(shù) ACALL DELY ；調(diào)用延時(shí)子程序 MOV A，#21H ；發(fā)刀具攻退命令 MOVX R1，A ；輸出 MOV 20H，#08H LOP4：MOVX A，R0 ；刀具攻退命令到否 CJEN A，20H，LOP4 MOV A，#09H ；發(fā)刀具快退命令 MOVX R1，A ；輸出 4. 應(yīng)用舉例 （6）程序清單 MOV 20H，#10H LOP5：MOVX A，R0 ；刀具快退命令到否 CJEN A，20H，LOP5 MOV A，#02H ；發(fā)工件放松命令 MOVX R1，A ；輸出 MOV 20H，#20H LOP6：MOVX A，R0 ；工件放松命令到否 CJEN A

19、，20H，LOP6 MOV 02H，#61H ；為延時(shí)三秒設(shè)置參數(shù) ACALL DELY ；調(diào)用延時(shí)子程序 LJMP LOOP ；64KB范圍內(nèi)無(wú)條件轉(zhuǎn)跳到LOOP END4. 應(yīng)用舉例 （6）程序清單 DELY：PUSH 02H LED：PUSH 02H LEF：PUSH 02H LFI：DJNZ 02H，LFI POP 02H DJNZ 02H，LEF POP 02H DJNZ 02H，LED POP 02H DJNZ 02H，DELY RET 三、嵌入式處理器1. 嵌入式處理器概述2. ARM處理器3. PowerPC處理器4. 我國(guó)方舟Arca處理器5. 嵌入式處理器的選擇第一節(jié)嵌入式

20、處理器概述1. 嵌入式處理器概述 （1）嵌入式處理器發(fā)展概況 主要發(fā)展階段如下： 70年代，有Intel的4040、8080，Zilog的Z80、NS的NSC800、Motorola的6800等。 80年代，有TI的9940，這是第一個(gè)商品化的嵌入式微處理器。Intel的MCS-51、Motorola的MC146805，ARM的ARM RISC。 90年代，NS推出了32位3200微處理器系列，以及NS32微處理器。 1. 嵌入式處理器概述 （1）嵌入式處理器發(fā)展概況 例如NS32FX200是一個(gè)針對(duì)傳真機(jī)設(shè)計(jì)的嵌入式微處理器，如圖7-3-1所示。 1. 嵌入式處理器概述 （2）嵌入式處理器

21、嵌入式處理器有許多產(chǎn)品，包括有嵌入式處理器、嵌入式控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、各類(lèi)的可編程器件等。概括地講，嵌入式處理器有如下特點(diǎn)： 通用性強(qiáng)、品種多。 存儲(chǔ)器和I/O接口的空間，以及驅(qū)動(dòng)電路都需要擴(kuò)展。 速度快、處理能力強(qiáng)，適合于環(huán)境要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。 1. 嵌入式處理器概述 （3）DSP DSP是特別為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的處理器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括基本數(shù)字運(yùn)算、信號(hào)濾波、域變換三個(gè)主要的部分。如圖7-3-2所示，DSP在數(shù)字音頻信號(hào)的處理。 1. 嵌入式處理器概述 （4）可編程器件 可編程器件主要有FPGA和CPLD兩類(lèi)。 FPGA是一種專(zhuān)用的集成電路，采用邏輯單元陣列，內(nèi)部可配置邏輯模塊、輸入輸出

22、模塊、內(nèi)部連線三個(gè)部分，都可以編程控制。 CPLD是由可編程邏輯宏單元圍繞為中心的可編程互連矩陣單元組成，其中可編程邏輯宏單元具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可以由用戶(hù)根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。 1. 嵌入式處理器概述 （5）嵌入式硬件系統(tǒng)的構(gòu)成 嵌入式硬件系統(tǒng)是圍繞嵌入式處理器設(shè)計(jì)的，通常包括處理部件、存儲(chǔ)器部件、I/O控制部件和輔助電路四個(gè)部分，如圖7-3-3所示。 第二節(jié)ARM處理器2. ARM處理器 ARM（Advanced RISC Machines）公司首創(chuàng)了chipless的生產(chǎn)模式。目前，ARM是嵌入式市場(chǎng)比較暢銷(xiāo)的產(chǎn)品。主要合作的廠商，如表7-3-1所示。2.

23、 ARM處理器（1）ARM7系列 ARM7系列采用ARM7 TDMI微處理器運(yùn)算核心，內(nèi)存與指令存取結(jié)構(gòu)采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)用要求可擴(kuò)展，也可與其他ASIC電路或輔助電路構(gòu)成SoC系統(tǒng)，如圖7-3-4所示。 2. ARM處理器（2）ARM9系列 ARM9系列是繼ARM7系列之后推出的32位RISC嵌入式處理器，與ARM7系列不同的是指令與數(shù)據(jù)采用全32位的存取結(jié)構(gòu)，并且采用哈佛結(jié)構(gòu)。主要特性如下： 工作主頻為120MHz200MHz 片內(nèi)獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache 處理器采用五級(jí)流水線 性能為132MIPS或220MIPS 平均功耗為0.7mW/MHz2. ARM處理器（2）AR

24、M9系列 圖7-3-5所示用ARM9集成的SoC專(zhuān)用嵌入式處理器芯片。 2. ARM處理器（3）ARM10系列 ARM10系列是個(gè)硬宏單元，內(nèi)部采用六級(jí)流水處理，獨(dú)立的指令Cache與數(shù)據(jù)Cache，內(nèi)部提供64位數(shù)據(jù)通路以及64位的AHB接口，DSP擴(kuò)展，工作頻率為300MHz，每條指令平均執(zhí)行周期為1.2個(gè)時(shí)鐘，工作速度25MIPS/MHz，平均功耗為1000mW。 第三節(jié)PowerPC處理器3. PowerPC處理器 （1）IBM的PowerPC405GP芯片簡(jiǎn)介 PowerPC405GP處理器是一個(gè)32位RISC嵌入式CPU，主頻達(dá)到200MHz；100MHz外圍設(shè)備總線；DMA提供支

25、持外設(shè)、內(nèi)部UART和內(nèi)存、四個(gè)通道；媒體獨(dú)立接口；可編程中斷控制器；一個(gè)64位100M PLB總線，一個(gè)32位50M OPB總線；PCI接口可設(shè)置同步、異步內(nèi)置時(shí)鐘；片上的以太網(wǎng)口，支持全雙工的100Mbps；200MHz CPU 內(nèi)核、MMU、16k指令Cache和8k數(shù)據(jù)Cache、Multiply-Accumulate等功能。 3. PowerPC處理器 （2）Motorola的MPC860芯片簡(jiǎn)介 MPC860 PowerQUICC片上微處理器和外圍組件，特別適用于通信產(chǎn)品。MPC860 PowerQUICC有兩個(gè)處理模塊。一個(gè)處理模塊是嵌入的PowerPC核心，另一個(gè)是通信處理模塊

26、，通信處理模塊支持四個(gè)串行通信控制器。其中，兩個(gè)是串行管理控制器，一個(gè)串行外圍接口電路和一個(gè)I2C接口。由于CPM承擔(dān)了嵌入式PowerPC核心的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗要低于傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的處理器。 第四節(jié)我國(guó)方舟Arca處理器4. 我國(guó)方舟Arca處理器 2001年我國(guó)方舟科技公司發(fā)布的Arca1 CPU（方舟1號(hào)），填補(bǔ)了嵌入式32位RISC微處理器的空白，2002年發(fā)布的Arca2 CPU（方舟2號(hào)），技術(shù)指標(biāo)上已達(dá)到ARM和MIPS的先進(jìn)水平。 （1）方舟嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu) 方舟CPU核心結(jié)構(gòu) Arca作為一種RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器，不但具有RISC體系結(jié)構(gòu)的典型

27、特征，同時(shí)又是一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新的、高性能、低功耗的指令體系結(jié)構(gòu)。 4. 我國(guó)方舟Arca處理器（1）方舟嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu) 方舟CPU核心結(jié)構(gòu) Arca CPU核心的結(jié)構(gòu)，如圖7-3-6所示。 4. 我國(guó)方舟Arca處理器（1）方舟嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu) 中央處理單元 CPU 執(zhí)行Arca RISC或Media 指令集 實(shí)現(xiàn)高效率流水線 主頻166MHz1000MHz之間 內(nèi)存管理單元MMU 32路全相聯(lián)指令TLB和數(shù)據(jù)TLB 支持頁(yè)面：4KB、16KB、1MB、16MB 采用循環(huán)輪換替換算法，支持表項(xiàng)鎖存4. 我國(guó)方舟Arca處理器（1）方舟嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu) 高速緩存Cache

28、 配置數(shù)據(jù)、指令高速緩存，32路組相聯(lián) 循環(huán)輪換替換算法 支持緩存行鎖存、分配操作 四級(jí)寫(xiě)緩沖區(qū)，每級(jí)最多16字節(jié) PMON模塊用于監(jiān)視CPU內(nèi)核 BTB模塊用于指令動(dòng)態(tài)跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)，命中率達(dá)到85%以上 調(diào)試單元Debug4. 我國(guó)方舟Arca處理器（2）方舟指令集體系結(jié)構(gòu) 基本指令集 RISC結(jié)構(gòu)：80條定點(diǎn)指令、32個(gè)寄存器 特權(quán)模式，簡(jiǎn)化軟件的編寫(xiě)、移植和維護(hù) 緊湊的指令功能和編碼格式 媒體加速指令集 加速的DSP和SIMD增強(qiáng)指令集 雙MAC結(jié)構(gòu)，單周期完成兩條定點(diǎn)運(yùn)算 SIMD指令：?jiǎn)沃芷谕瓿?、2.5和4位運(yùn)算 專(zhuān)用的MPEG加速指令4. 我國(guó)方舟Arca處理器（3）基于Arca2的

29、SoC Arca210 Arca210是基于32位RISC微處理器Arca2的SoC，集成了嵌入式產(chǎn)品所需的大量外設(shè)以及PC架構(gòu)南北橋中大部分功能，如圖7-3-7所示。 4. 我國(guó)方舟Arca處理器（3）基于Arca2的SoC Arca210 Arca2 CPU Arca2 CPU包括CPU內(nèi)核、存儲(chǔ)器管理單元、高速緩存以及總線接口單元。處理器采用哈佛存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包括16kB指令和數(shù)據(jù)緩存。 OCS總線設(shè)備和OCP總線設(shè)備 OCS總線是為高性能存儲(chǔ)器帶寬的設(shè)備而設(shè)計(jì)的，用以滿(mǎn)足片上系統(tǒng)與高速外設(shè)間的高帶寬信息傳輸，因此被稱(chēng)為OCS總線設(shè)備。 4. 我國(guó)方舟Arca處理器（3）基于Arca2的S

30、oC Arca210 Arca210的主要特點(diǎn) Arca2CPU為核心 大量的OCS總線外設(shè)和OCP總線外設(shè) I/O采用313V供電，內(nèi)部采用118V供電 在400MHz運(yùn)行時(shí)，最大功耗為360mW 采用先進(jìn)的PBGA封裝方式第五節(jié)嵌入式處理器的選擇5. 嵌入式處理器的選擇 （1）嵌入式系統(tǒng)的工作頻率 系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上取決于處理器的處理速度。 （2）處理器的功能 不同嵌入式處理器功能存在較大的差異，注意選擇適合應(yīng)用要求的芯片。 （3）片上內(nèi)存儲(chǔ)器的容量 （4）片上外圍電路接口 四、ARM處理器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用1. ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)2. ARM編程結(jié)構(gòu)3. ARM指令系統(tǒng)4. ARM的中斷處

31、理與系統(tǒng)初始化5. 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 第一節(jié)ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)1. ARM存儲(chǔ)系統(tǒng) ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)使用的是平面式和單一的地址空間，最大尋址空間為4GB（232字節(jié)）。 （1）存儲(chǔ)器格式 存儲(chǔ)地址為A的字單元，其字節(jié)單元有A、A+1、A+2、A+3；其半字單元有A、A+1。 以大端存儲(chǔ)格式為例，地址為A的字單元，其從高到低字節(jié)存放形式，如圖7-4-1所示。 31 24 23 16 15 8 7 0字單元A半字單元A半字單元A+2字節(jié)單元A字節(jié)單元A+1字節(jié)單元A+2字節(jié)單元A+3圖7-4-1 ARM的大端存儲(chǔ)格式1. ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)（1）存儲(chǔ)器格式 ARM的小端存儲(chǔ)格式，對(duì)于地址為A的字單元，其數(shù)據(jù)字

32、是從低字節(jié)到高字節(jié)存放，存放順序?yàn)锳+3、A+2、A+1、A。存儲(chǔ)格式如圖7-4-2所示。 31 24 23 16 15 8 7 0字單元A半字單元A+2半字單元A字節(jié)單元A+3字節(jié)單元A+2字節(jié)單元A+1字節(jié)單元A圖7-4-2 ARM的小端存儲(chǔ)格式1. ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)（2）指令長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)類(lèi)型 ARM微處理器的指令長(zhǎng)度可以是32位，也可以為16位。 ARM微處理器中支持字節(jié)、半字、字三種數(shù)據(jù)類(lèi)型，其中，字需要4字節(jié)對(duì)齊、半字需要2字節(jié)對(duì)齊。 1. ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)（3）非對(duì)齊的存儲(chǔ)訪問(wèn) 所謂非對(duì)齊是指，ARM狀態(tài)，地址最低兩位不為00；Thumb狀態(tài)，地址最低位不為0。 出現(xiàn)非對(duì)齊時(shí)，存儲(chǔ)器自動(dòng)

33、忽略地址中的相應(yīng)位。在數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下情況： 執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。 忽略地址最低兩位，或最低位進(jìn)行訪問(wèn)。 由存儲(chǔ)系統(tǒng)忽略地址最低兩位，或最低位。1. ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)（4）存儲(chǔ)系統(tǒng)的擴(kuò)展 最小存儲(chǔ)系統(tǒng)僅采用片上存儲(chǔ)器，地址空間分配固定，全部使用物理地址。對(duì)于復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)就需要擴(kuò)充，?？刹捎靡韵罗k法： 存儲(chǔ)系統(tǒng)可以包括多種類(lèi)型的存儲(chǔ)器。 采用Cache和Write Buffer技術(shù)。 通過(guò)映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間的映射。 采用存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)。 第二節(jié)ARM編程結(jié)構(gòu)2. ARM編程結(jié)構(gòu) ARM處理器共有37個(gè)寄存器，包括31個(gè)32位的通用寄存器，其中一個(gè)程序計(jì)數(shù)器；6個(gè)32位狀態(tài)寄存器。支持七種工作模

34、式： 用戶(hù)模式（usr） 管理模式（svc） 快速中斷模式（fiq） 外部中斷模式（irq） 數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式(abt) 系統(tǒng)模式（sys） 未定義指令中止模式（und）2. ARM編程結(jié)構(gòu)（1）寄存器結(jié)構(gòu) 未分組寄存器 未分組寄存器包括R0R7。在所有處理器模式下，使用同一個(gè)物理寄存器。 分組寄存器 R8R12分組寄存器都對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的物理寄存器，用于不同的特殊用途，在fiq模式時(shí)，R8R12寄存器不受中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)指令的影響。 2. ARM編程結(jié)構(gòu)（1）寄存器結(jié)構(gòu) 分組寄存器 R13、R14分組寄存器對(duì)應(yīng)六個(gè)不同的物理寄存器，其中一個(gè)是用戶(hù)模式與系統(tǒng)模式共用，另外五個(gè)物理寄存器對(duì)應(yīng)于其

35、他五種不同的工作模式。采用記號(hào)來(lái)區(qū)分的： R13_ R14_ 式中mode為usr、svc、fiq、irq、abt、und。 R13默認(rèn)為堆棧指針。R14可作為子程序連接寄存器或連接寄存器LR使用。2. ARM編程結(jié)構(gòu)（1）寄存器結(jié)構(gòu) 程序計(jì)數(shù)器PC 寄存器R15用作程序計(jì)數(shù)器PC，雖然可以用作通用寄存器，但有一些指令在使用R15時(shí)有一些限制。如圖7-4-3所示，ARM狀態(tài)下的通用寄存器和程序寄存器，在六種不同工作模式下特定分組情況。 寄存器R16用作當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR，可以在任何工作模式下被訪問(wèn) 。 2. ARM編程結(jié)構(gòu)（1）寄存器結(jié)構(gòu) 程序計(jì)數(shù)器PC2. ARM編程結(jié)構(gòu)（2）程序狀

36、態(tài)寄存器 CPSR與SPSR格式相同，如圖7-4-4所示。 2. ARM編程結(jié)構(gòu)（3）異常中斷與中斷的處理優(yōu)先級(jí) ARM處理器所支持的異常中斷的種類(lèi)，如表7-4-2所示。 2. ARM編程結(jié)構(gòu)（3）異常中斷與中斷的處理優(yōu)先級(jí) ARM處理器的異常中斷的中斷向量地址和中斷處理優(yōu)先級(jí)，如表7-4-3所示。 第三節(jié)ARM指令系統(tǒng)3. ARM指令系統(tǒng) （1）ARM指令尋址方式 立即尋址 指令所需的數(shù)據(jù)在指令代碼中，因此也叫立即數(shù)尋址。第二個(gè)源操作數(shù)是立即數(shù)，規(guī)定以前綴“”符號(hào)，對(duì)于十六進(jìn)制表示的立即數(shù)，要求在“”后加上“0 x”或“&”。如： ADD R0，R0，1 ；R0源操作數(shù)R01 ADD R0，

37、R0，0 x3f ；R0源操作數(shù)R00 x3f3. ARM指令系統(tǒng) （1）ARM指令尋址方式 寄存器尋址 指令所需的操作數(shù)在某寄存器中。如： ADD R0，R1，R2 ；R0R1的源操作數(shù)R2的源操作數(shù) 寄存器間接尋址 指令所需的操作數(shù)被存儲(chǔ)在某寄存器指示的地址中。如： ADD R0，R1，R2 ；R0R1R2 操作數(shù)地址的內(nèi)容 LDR R0，R1 ；R0R1 操作數(shù)地址的內(nèi)容 STR R0，R1 ；存儲(chǔ)地址R1R03. ARM指令系統(tǒng) （1）ARM指令尋址方式 基址變址尋址 基址變址尋址就是將寄存器的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到操作數(shù)的有效地址。如： LDR R0，R1，4 ；

38、R0R14 有效地址的內(nèi)容 LDR R0，R1，4！ ；R0R14 ，R1R14 LDR R0，R1，4 ；R0R1 ，R1R14 LDR R0，R1，R2 ；R0R1R23. ARM指令系統(tǒng) （1）ARM指令尋址方式 多寄存器尋址 多寄存器尋址方式可以完成多個(gè)寄存器值的傳送，最多可向16個(gè)通用寄存器傳送數(shù)據(jù)。如將R0傳送到寄存器R1R4： LDMIA R0，R1，R2，R3，R4 ；R1R0、R2R04、R3R08、R4R012 該指令的后綴IA表示在每次執(zhí)行完加載/存儲(chǔ)操作后，R0按字長(zhǎng)度增加，指令是連續(xù)存儲(chǔ)單元的值。3. ARM指令系統(tǒng) （1）ARM指令尋址方式 相對(duì)尋址 相對(duì)尋址以程序

39、計(jì)數(shù)器PC的當(dāng)前值為基地址，標(biāo)號(hào)作為偏移量，兩者之和得到操作數(shù)的有效地址。如：下面程序段的調(diào)用和返回，跳轉(zhuǎn)指令BL采用了相對(duì)尋址方式。 BL NEXT ；跳轉(zhuǎn)到子程序NEXT處執(zhí)行 NEXT MOV PC，LR ；從子程序返回3. ARM指令系統(tǒng) （1）ARM指令尋址方式 堆棧尋址 堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按先進(jìn)后出的方式工作，使用一個(gè)稱(chēng)作堆棧指針的專(zhuān)用寄存器指示當(dāng)前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。ARM的堆棧操作有四種方式，F(xiàn)D為滿(mǎn)遞減堆棧，地址由高向低地址遞減；ED為空遞減堆棧，地址由高向低地址遞減；FA滿(mǎn)遞增堆棧，地址由低向高地址遞增；EA空遞增堆棧，地址由低向高地址遞增。3. ARM指令

40、系統(tǒng) （2）ARM指令簡(jiǎn)介 按指令的功能分類(lèi)，ARM指令集分為數(shù)據(jù)處理指令、加載/存儲(chǔ)指令、跳轉(zhuǎn)指令、程序狀態(tài)寄存器（PSR）處理指令、協(xié)處理器指令和異常產(chǎn)生指令六個(gè)大類(lèi) 。3. ARM指令系統(tǒng) （3）程序的控制結(jié)構(gòu) 正常情況，每執(zhí)行一條ARM指令PC加4；每執(zhí)行一條Thumb指令PC加2；程序是順序執(zhí)行的。 發(fā)生跳轉(zhuǎn)時(shí)，按照指令給出的跳轉(zhuǎn)標(biāo)號(hào)處，或者挑轉(zhuǎn)到指定的子程序。執(zhí)行時(shí)，先保存返回地址，在切換到Thumb工作狀態(tài)。 發(fā)生異常中斷時(shí)，當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束后，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序執(zhí)行。處理結(jié)束后，再返回到源程序繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)入中斷處理前，先保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)束后要恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng)。 第四節(jié)ARM的中斷處

41、理與系統(tǒng)初始化4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （1）異常中斷的響應(yīng) ARM微處理器響應(yīng)中斷的步驟如下： 將下一條指令的地址存入相應(yīng)連接寄存器LR。若在ARM狀態(tài)，LR寄存器保存的是下一條指令的地址；若在Thumb狀態(tài)，LR寄存器保存當(dāng)前PC的偏移量。 將CPSR復(fù)制到相應(yīng)的SPSR中。 根據(jù)異常中斷的類(lèi)型，強(qiáng)制設(shè)置CPSR的工作模式位。 強(qiáng)制PC執(zhí)行相應(yīng)的異常中斷處理程序。4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （1）異常中斷的響應(yīng) 用偽碼描述的過(guò)程如下： R14_ = Return Link SPSR_ = CPSR CPSR4:0 = Exception Mode Number CPSR5

42、 = 0 ；在ARM工作狀態(tài)運(yùn)行 If = Reset or FIQ then ；響應(yīng)FIQ異常中斷后，禁止新的FIQ異常中斷 CPSR6 = 1 CPSR7 = 1 PC = Exception Vector Address 4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （2）異常中斷的返回 ARM微處理器執(zhí)行的返回步驟如下： 將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中。 將SPSR復(fù)制回CPSR中。 若在相應(yīng)異常中斷處理時(shí)設(shè)置了中斷屏蔽位，要解除對(duì)該位的屏蔽。 4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （3）應(yīng)用程序中的中斷處理程序 使用LDR指令 Vector_init_Block LDR PC，

43、Reset_Addr LDR PC，Undefined_Addr LDR PC，SW_Addr LDR PC，Prefeth_Addr LDR PC，Abort_Addr NOP LDR PC，IRQ_Addr LDR PC，F(xiàn)IQ_Addr4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （3）應(yīng)用程序中的中斷處理程序 使用LDR指令（續(xù)） Reset_Addr DCD Start_Boot Undefined_Addr DCD Undefined_Handle SW_Addr DCD SWI_Handle Prefeth_Addr DCD Prefeth_Handle Abort_Addr DCD Ab

44、ort_Handle DCD 0 IRQ_Addr DCD IRQ_Handle FIQ_Addr DCD FIQ_Handle 4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （3）應(yīng)用程序中的中斷處理程序 使用跳轉(zhuǎn)指令 Vector_init_Block BL Reset_Handle BL DCD Undefined_Handle BL SWI_Handle BL Prefeth_Handle BL Aboet_Handle NOP BL IRQ_Handle BL FIQ_Handle 4. ARM的中斷處理與系統(tǒng)初始化 （3）應(yīng)用程序中的中斷處理程序 用PC直接調(diào)用中斷向量表 MOV R8，#0 ADR R9，Ve