ARM嵌入式微處理器概述

1、1ARM處理器系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)第一章 ARM嵌入式微處理器概述1.1 ARM處理器特點與分類核體系結(jié)構(gòu)ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740TV4TStrong ARM，ARM8，ARM810V4ARM9TDMI，ARM920T，ARM940TV4TARM9E-SV5TEARM10TDMI，ARM1020EV5TEARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S，ARM11JZF-SV6CortexA15, CortexA9, CortexA8, A7，A5 V7ACortex R系列V7RCortex M系列V7MARM發(fā)展歷程ARM

2、微處理器系列ARM7微處理器系列ARM9微處理器系列ARM9E微處理器系列ARM10E微處理器系列ARM11系列Cortex系列SecurCore系列Intel的Xscale系列Inter的StrongARMARM9微處理器系列Cache內(nèi)存管理流水線級別ThumbDSPJazelleARM9TDMI無無5有無無ARM920T16K/16kMMU5有無無ARM922T8k/8kMMU5有無無 ARM9的時鐘頻率比ARM7更高 ，在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時鐘頻率是ARM7TDMI的1822倍。 ARM9E微處理器系列Cache內(nèi)存管理流水線級別ThumbDSPJazelleA

3、RM926EJ-S4KB128KBMMU5/6有有有ARM946E-S4KB1MBMPU5有有無ARM966E-S無無5有有無ARM968E-S無無5有有無ARM996HS無MPU5/6有有無ARM10E微處理器系列 Cache內(nèi) 存 管 理流水線級別ThumbDSPJazelleARM1020E32KBMMU6有有無ARM1022E16KBMMU6有有有ARM1026EJ-S4128KBMMU6有有有ARM11微處理器系列Cache內(nèi) 存 管 理流水線級別ThumbDSPJazelle浮 點 運 算ARM1136J-S464KBMMU8有有有無ARM1135JF-S464KBMMU8有有有有

4、ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無無ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無有ARM1176JZ-S可配置9Thumb-2有有無ARM1176JZF-S可配置9Thumb-2有有有ARM11系列微處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構(gòu)ARMv6的第一代設(shè)計實現(xiàn)。 Cortex微處理器系列Cortex系列微處理器屬于ARMv7架構(gòu)，這是ARM公司最新的指令集架構(gòu)。 Cortex處理器類型包括：Cortex-M3Cortex-A15、9、8、7、5Cortex-R4、R4F、R5、R7Cortex微處理器系列Cortex-M3采用ARMv7-

5、M架構(gòu)，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架構(gòu) ，單片機(jī)的完美替代品Cortex-A15四核芯片 ，2.5GHz ，支持超過4GB的內(nèi)存 ，應(yīng)用于高級智能手機(jī)、 移動計算、 高端數(shù)字家庭娛樂、無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 、低功耗服務(wù)器。 Cortex-A15內(nèi)核智能手機(jī) ，是當(dāng)前的高級智能手機(jī)性能的五倍。 應(yīng)用選型ARM處理器選型的幾個關(guān)鍵因素：是否需要支持操作系統(tǒng)內(nèi)核版本ARM9以后多帶有MMU單元，以實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的支持。處理能力要求系統(tǒng)時鐘在很大程度上決定了微處理器的處理能力。常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘頻率為20133MHz常見的ARM9芯片的系統(tǒng)主時鐘頻率為100

6、233MHz應(yīng)用選型（續(xù)）芯片內(nèi)存儲器容量的要求絕對大多數(shù)ARM處理器都在片內(nèi)集成有存儲單元，但容量各有區(qū)別。片內(nèi)擴(kuò)展模塊的選擇幾乎所有的ARM芯片均需要根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展相關(guān)功能模塊，并集成在芯片內(nèi)部，稱之為片內(nèi)擴(kuò)展模塊。多芯核結(jié)構(gòu)的選擇某些供應(yīng)商提供的ARM芯片內(nèi)置多個處理器內(nèi)核 。如ARM+DSP、ARM+FPGA、ARM+ARM等 處理器封裝的選擇ARM芯片現(xiàn)在主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式。 1.2 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)1.2.1 ARM處理器狀態(tài)處理器狀態(tài)ARM7TDMI處理器內(nèi)核包含2套指令系統(tǒng)，分別為ARM指令集和Thumb

7、指令，并且各自對應(yīng)1種處理器的狀態(tài)：ARM狀態(tài)：32位，處理器執(zhí)行字方式的ARM指令，處理器默認(rèn)為此狀態(tài)；Thumb狀態(tài)：16位，處理器執(zhí)行半字方式的Thumb指令。2.4 ARM處理器狀態(tài)狀態(tài)切換的一個例子 使用BX指令將ARM內(nèi)核的操作狀態(tài)在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間進(jìn)行切換。ARM指令集Thumb指令集指令集關(guān)系1.2.2 ARM處理器的運行模式 ARM體系結(jié)構(gòu)支持7種處理器模式，分別為：用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式、未定義模式和系統(tǒng)模式。這樣的好處是可以更好的支持操作系統(tǒng)并提高工作效率。ARM7TDMI完全支持這七種模式。ARM微處理器的工作模式 usr：AR

8、M處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài) fiq：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理 irq：用于通用的中斷處理 svc：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式 abt：用于虛擬存儲及存儲保護(hù) sys：運行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù) und：當(dāng)出現(xiàn)未定義指令終止時進(jìn)入該模式1.2.3 ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式ARM微處理器的存儲器格式ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB（232字節(jié)）ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個字節(jié)到第七個字節(jié)放置第二個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲字?jǐn)?shù)據(jù)，稱之為大端格式和小端格式 ARM微處理器的存儲器格式

9、ARM微處理器的存儲器格式大端格式 在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中ARM微處理器的存儲器格式ARM微處理器的存儲器格式小端格式 與大端存儲格式相反，在小端存儲格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)1.2.4 ARM的寄存器組織 在ARM處理器內(nèi)部共有37個用戶可訪問的寄存器，分別為31個通用32位寄存器和6個狀態(tài)寄存器。 ARM處理器共有7種不同的處理器模式，每種模式都有一組相應(yīng)的寄存器組，最多可以18個活動的寄存器。ARM狀態(tài)各模式下的寄存器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

10、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_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_ab

11、tSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq 所有的37個寄存器，分成兩大類：31個通用32位寄存器；6個狀態(tài)寄存器。1.2.4 ARM的寄存器組織在Thumb狀態(tài)各模式下實際訪問的寄存器 Thumb狀態(tài)寄存器集是ARM狀態(tài)集的子集，程序員可以直接訪問的寄存器為：8個通用寄存器R0R7；程序計數(shù)器（PC）；堆棧指針（SP）；鏈接寄存器（LR）；當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（ CPSR）。ARM狀態(tài)Thumb寄存器在ARM狀態(tài)寄存器上的映射R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12堆棧指針(R13)連接寄存器(R14)程序計數(shù)器(R15)CPSRSPSRR0R1R2R3R4R5R6R

12、7堆棧指針(SP)連接寄存器(LR)程序計數(shù)器(PC)CPSRThumb狀態(tài) Thumb狀態(tài)R0R7與ARM狀態(tài)R0R7相同；1 Thumb狀態(tài)CPSR(無SPSR)與ARM狀態(tài)CPSR相同。5 Thumb狀態(tài)SP映射到ARM狀態(tài)R13；2 Thumb狀態(tài)LR映射到ARM狀態(tài)R14； 3 Thumb狀態(tài)PC映射到ARM狀態(tài)R15(PC)；4低端寄存器高端寄存器 在Thumb狀態(tài)中，高端寄存器的訪問是受到限制的，只有MOV、CMP和ADD指令可以對其訪問，可以用于數(shù)據(jù)的快速暫存。1.2.5 異常處理異常簡介 只要正常的程序流被暫時中止，處理器就進(jìn)入異常模式。例如在用戶模式下執(zhí)行程序時，當(dāng)外設(shè)向處

13、理器內(nèi)核發(fā)出中斷請求導(dǎo)致內(nèi)核從用戶模式切換到異常中斷模式。 如果同時發(fā)生兩個或更多異常，那么將按照固定的順序來處理異常。 異常入口/出口匯總 下表所示為異常返回地址值以及退出異常處理程序所推薦使用的指令。 異?；蛉肟诜祷刂噶罘祷氐刂稴WIMOVS PC,R14_svcR14未定義的指令MOVS PC,R14_undR14預(yù)取中止SUBS PC,R14_abt,#4R144快速中斷SUBS PC,R14_fiq,#4R144中斷SUBS PC,R14_irq,#4R144數(shù)據(jù)中止SUBS PC,R14_abt,#8R148復(fù)位無1.2.5 ARM體系的異常異常向量表地址異常進(jìn)入時的模式進(jìn)入時I的

14、狀態(tài)進(jìn)入時F的狀態(tài)0 x00000000復(fù)位管理禁止禁止0 x00000004未定義指令未定義IF0 x00000008軟件中斷異常管理禁止F0 x0000000C中止（預(yù)?。┲兄笽F0 x00000010中止（數(shù)據(jù)）中止IF0 x00000014保留保留0 x00000018IRQ中斷禁止F0 x0000001CFIQ快速中斷禁止禁止注：表中的I和F表示不對該位有影響，保留原來的值。 1.2.5 ARM體系的異常異常優(yōu)先級 當(dāng)多個異常同時發(fā)生時，一個固定的優(yōu)先級決定系統(tǒng)處理它們的順序。 優(yōu)先級異常1復(fù)位2數(shù)據(jù)中止3FIQ4IRQ5預(yù)取指中止6未定義指令中止6軟件中斷異常優(yōu)先級由高到低S3C2

15、440處理器介紹三星ARM處理器介紹S3C44B0：ARM7TDMI、66MHz、集成LCD控制器（支持STN，但不支持TFT）、無網(wǎng)絡(luò)接口；適用產(chǎn)品：POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能電話、電子書包、機(jī)頂盒，手持游戲機(jī)等等。160LQFP，160FBGA。支持LINUX、PSOS、uC/OSII等。 S3C2410：ARM920T、200MHz、支持TFT、USB HOST、USB DEVICE、 SD Card 以及MMC接口、 觸摸屏接口， NAND FLASH直接引導(dǎo)。無網(wǎng)絡(luò)接口。適用產(chǎn)品： POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能電話、電子書包、機(jī)頂盒，手持游戲機(jī)、電子相冊

16、、多媒體產(chǎn)品、視頻監(jiān)控、智能控制儀表等等。272BGA。支持WINCE、LINUX、VxWorks等。 三星ARM處理器介紹S3C2440：ARM920T 、400533MHz、支持TFT、USB HOST、DEVICE、 SD Card 以及MMC接口、 觸摸屏接口、AC97 CODEC、8通道10bit ADC、照相機(jī)接口、289-FBGA，S3C2440 CPU支持包括微軟Windows CE、Palm OS、Symbian和Linux等操作系統(tǒng) S3C2440功能特點 S3C2440是三星公司開發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核和0.18um CMOS工藝的16/32位RISC微處理器，適

17、用于低成本、低功耗、高性能的手持設(shè)備或其它電子產(chǎn)品。S3C2440中集成了以下一些通用的系統(tǒng)外設(shè)和接口：1.8V內(nèi)核電壓，3.3V存儲電壓，3.3V I/O電壓。包括16KB的I-Cache（指令高速緩存）、16KB的D-Cache（數(shù)據(jù)高速緩存）和MMU（存儲管理單元）外部的存儲控制器（SDRAM控制器和片選邏輯）LCD控制器（最高支持4K色的STN和16M色的TFT），包括一個LCD DMA4個帶外部請求管腳的DMA3個UART、2個SPIS3C2440功能特點1個IIC-BUS控制器、1個IIS-BUS控制器SD主機(jī)接口，兼容Multi-Media Card Protocol V2.11

18、2端口USB主設(shè)備接口、1端口USB從設(shè)備接口（V1.1）4個PWM時鐘和1個內(nèi)部時鐘看門狗時鐘117個GPIO、24個外部中斷源功率控制：Normal, Slow, Idle, Power-off四種模式8路10-bit ADC和觸摸屏接口帶ALARM功能的RTC帶PLL的片上時鐘發(fā)生器NAND Flash控制器,支持從NAND flash啟動S3C2440X內(nèi)核結(jié)構(gòu)S3C2440X內(nèi)核結(jié)構(gòu)S3C2440的封裝（289FBGA)S3C6410處理器介紹 ARM11系列微處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構(gòu)ARMv6的第一代設(shè)計實現(xiàn)。 該系列主要有ARM113

19、6J，ARM1156T2和ARM1176JZ三個內(nèi)核型號，分別針對不同應(yīng)用領(lǐng)域。ARMv6架構(gòu)是根據(jù)下一代的消費類電子、無線設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和汽車電子產(chǎn)品等需求而制定的。ARM11的媒體處理能力和低功耗特點，特別適用于無線和消費類電子產(chǎn)品；其高數(shù)據(jù)吞吐量和高性能的結(jié)合非常適合網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用；另外，在實時性能和浮點處理等方面ARM11可以滿足汽車電子應(yīng)用的需求。S3C6410簡介S3C6410 是一款低功率、高性價比、高性能的用于移動電話和通用處理 RSIC 處理器。為 2.5G和 3G 通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，采用 64/32bit 的內(nèi)部總線架構(gòu)，融合了AXI、AHB、APB總線。還有很多

20、強大的硬件加速器，包括運動視頻處理、音頻處理、2D 加速、顯示處理和縮放。一個集成的 MFC(Multi-Format video Codec)支持 MPEG4/H.263/H.264 編解碼和 VC1 的解碼，這個硬件編解碼器支持實時的視頻會議以及 NTSC 和 PAL 制式的 TV 輸出。此外還內(nèi)置一個采用最先進(jìn)技術(shù)的 3D 加速器，支持 OpenGL ES1.1/ 2.0 和 D3DM API 能實現(xiàn) 4M triangles/s 的 3D 加速。S3C6410簡介S3C6410 包括優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。接口分為兩路，DRAM 和 Flash/ROM/DRAM 端口。DRAM 端口可以通過配置來支持Mobile DDR、 DDR、Mobile SDRAM、SDRAM。 Flash/ROM/DRAM 端口支持