浙江大學嵌入式-嵌入式系統(tǒng)4課件

嵌入式處理器結(jié)構2005年3月一、概述

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式CPU具有處理速度快、I/O功能強、功率損耗低及實時響應快等特點。RISC(ReducedInstructionSetComputer)型處理器且有結(jié)構簡單、處理速度快和處理功能強等優(yōu)點,新型的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)都采用RISC型處理器作為核。ARM公司的ARM、Hitachi公司的SH、MIPS/LSILogic/IDT/Aldeny/Toshiba公司的MIPS和Motorola公司的M-Core等都是新型嵌入式系統(tǒng)常用的RISC型處理器。2二、ARM嵌入式CPU

ARM架構處理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式應用領域占據(jù)領先地位。ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識產(chǎn)權IP供應商它為ARM架構處理器提供了ARM處理器內(nèi)核(如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等)和ARM處理器核(ARM710T/720T/740T、ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E及ARM1020E等)3ARM架構ARM架構自誕生至今,已經(jīng)發(fā)生了很大的演變,至今已定義5種不同的版本V1版架構V2版架構V3版架構V4版架構V5版架構5V1版架構該版架構只在原型機ARM1出現(xiàn)過,其基本性能：基本的數(shù)據(jù)處理指令(無乘法)字節(jié)、半字和字的LOAD/STORE指令轉(zhuǎn)移指令,包括子程序調(diào)用及鏈接指令軟件中斷指令尋址空間：64M字節(jié)(226)6V2版架構該版架構對V1版進行了擴展,如ARM2與ARM3(V2a版)架構,增加了以下功能：乘法和乘加指令支持協(xié)處理器操作指令快速中斷模式SWP/SWPB的最基本存儲器與寄存器交換指令尋址空間：64M字節(jié)7V4版架構V4版架構是目前應用最廣的ARM體系結(jié)構,對V3版架構進行了進一步擴充,有的還引進了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用該版架構。指令集中增加了以下功能：符號化和非符號化半字及符號化字節(jié)的存/取指令增加了16位Thumb指令集完善了軟件中斷SWI指令的功能處理器系統(tǒng)模式引進特權方式時使用用戶寄存器操作把一些未使用的指令空間捕獲為未定義指令9V5版架構這是最近推出ARM架構,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用該版架構,這些新增指令有：帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令計數(shù)前導零CLZ指令BRK中斷指令增加了信號處理指令(V5TE版)為協(xié)處理器增加更多可選擇的指令10v6版架構2001年發(fā)布的增加了SIMD功能擴展適合使用電池供電的便攜式設備SIMD功能擴展包括音頻/視頻處理在內(nèi)的應用系統(tǒng)提供了優(yōu)化功能可以使音頻/視頻處理性能提高4倍首先在2002年發(fā)布的ARM11處理器中使用11StrongARM架構主要特性StrongARM處理器核內(nèi)核：SA-1、指令快存I-Cache：16K字節(jié)、數(shù)據(jù)快存D-Cache：8K字節(jié)、微小數(shù)據(jù)Cache：512字節(jié)、存儲器管理單元IMMU和DMMU、讀和寫緩沖器存儲器控制模塊支持各種ROM、FLASH(閃存)、DRAM和SRAM、支持PCMCIA系統(tǒng)控制模塊通用可中斷GPIO：28根、看門狗定時計數(shù)器、間隔定時器、電源管理控制器、中斷控制器、片上振蕩器：2個（含鎖相環(huán)）外圍控制模塊LCD液晶驅(qū)動控制器、串行接口UART、紅外接口irDA、數(shù)字單頻Codec接口目前,大量應用的是改進型SA-1110處理器。在SA-1100處理器基礎上,增加了以下功能：DMA控制器：6通道,以提高LCD顯示和I/O傳送的效率實時時鐘RTC串行外圍接口SPISA-1110處理器已取代了SA-1100處理器,與其配套的SA-1111芯片,擴展了PS/2鍵盤與鼠標接口、USB的主機接口以及PCMCIA/CF接口。13四、XScale架構處理器

XScale架構處理器是新一代為無線手持式應用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器,是PCA開發(fā)式平臺架構中的應用子系統(tǒng)與通信子系統(tǒng)中的嵌入式處理器XScale微架構處理器的時鐘可以達1GHz、功耗1.6W,并能達到1200MIPS。IOP310、IOP321、PXA210、PXA25X、PXA26X、PXA27X14XScale系統(tǒng)結(jié)構圖

15XScale架構特點（二）數(shù)據(jù)存儲器管理單元DMMU32路變換后備緩沖器TLB(快表)中斷控制器總線控制器1G字節(jié)/秒、ECC協(xié)議調(diào)試(Debug)接口：性能監(jiān)控：協(xié)處理器CP14、硬件斷點、硬件觀察點、BKPT指令、異常中斷、JTAG接口、跡緩沖器17五、ARM系列簡介32位cpu中領軍芯片2001年，市場占有率75％知識供應商合作伙伴100多個18ARM特點內(nèi)核耗電少，成本低，功能強特有16/32位雙指令集全球眾多的合作伙伴成為移動通訊，手持計算機，多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案的RISC標準19ARM7系列系列產(chǎn)品ARM7TDMI：T：Thumb，D：debug，M：multiplier，I：嵌入式ICEARM7TDMI－S：synthesizable可綜合ARM720TARM7EJ－最低功耗具有：嵌入式ICE-RT邏輯－硬件上提供片上斷點與調(diào)試點支持非常低的功耗提供0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮.諾依曼體系21ARM9系列系列產(chǎn)品ARM920T與ARM922TARM940T具有：5級流水線1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構22ARM9E系列系列產(chǎn)品ARM966E-SARM946E-SARM926EJ-S提供DSP擴充嵌入式ICE-RT調(diào)試邏輯1.1MIPS/MHz的5級流水線和哈佛結(jié)構緊耦合存儲器（TCM）接口，可使存儲器以最高處理器速度運轉(zhuǎn)，可直接連到內(nèi)核上23SecurCoreSC100專為安全設計抗竄改（resisttampering）逆向工程（reverseengineering）保護機構－確保操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)安全25StrongARMIntelStrongARMSA-1100處理器兼容ARMv4體系具有intel體系結(jié)構的特點26芯片工藝0.18μm,0.13μm,0.25μm工藝29ARM特定功能的變種T變種(Thumb指令集)：Thumb指令集嚴格控制產(chǎn)品成本比采用ARM指令更多的指令，不適合對時間要求苛刻的場合M變種(長乘法指令)：增加了兩條用于進行長乘法操作的ARM指令首先在ARM體系版本3引入，在ARM體系版本4之后，M變種成為系統(tǒng)的標準功能；E變種(增強型DSP指令)：包含附加指令用于增強處理器對一些典型DSP算法的處理性能E變種首先在ARM體系版本5T中使用30J變種(Java加速器Jazelle)：提供Java加速功能D變種(片內(nèi)Debug)：支持片內(nèi)Debug調(diào)試；I變種(嵌入式ICE)：集成嵌入式ICE宏單元；SIMD變種(ARM媒體功能擴展)：高性能的音頻/視頻處理技術。31六、ARM體系結(jié)構簡介1）、Thumb指令集的16位指令集32ARM指令集的子集代碼密度高，性能高狀態(tài)：ARM狀態(tài)，Thumb狀態(tài)每指令集都有：切換狀態(tài)的指令322）寄存器37個寄存器寄存器分成可以重疊的組R13堆棧R14返回地址R15=PC333）ARM指令集32位長度字對準可以傳送8bit，16bit，32bit符號/無符號數(shù)據(jù)344）Thumb指令集16位長度半字對準操作寄存器中是32bit數(shù)據(jù)訪問和取指使用全32bit地址條件分支指令是唯一一句CPSR的Thumb指令大多數(shù)指令訪問R0－R7355）ARM體系結(jié)構1）ARM體系結(jié)構的版本版本1～536ARMv1基本數(shù)據(jù)處理指令（不含乘法）字節(jié)、字、半字的load，store分支指令，包括子程序調(diào)用軟件中斷指令，進行操作系統(tǒng)調(diào)用26位尋址無使用，37ARMv2增加乘法，乘加協(xié)處理器支持快速中斷中2個以上分組的寄存器稱為SWP與SWPB的原子性加載與存儲26位尋址不使用了38ARMv3尋址32位增加CPSR(CurrentProgramStatusRegister)增加SPSR(SavedProgramStatusRegister)增加訪問CPSR與SPSR的指令修改了過去用于異常返回的指令的功能與26位尋址模式兼容39ARMv4半字load，store加載與進行字節(jié)和半字節(jié)帶符號擴展在T變量中，一個轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)的指令使用用戶模式寄存器的新的特權處理器模式不再要求與26位尋址模式兼容40ARMv5提高T變量中ARM/Thumb切換效率讓非T變量同T變量一樣，使用相同的代碼生成技術增加一個計數(shù)前導零指令增加軟件斷點指令為協(xié)處理器設計者增加更多可選擇指令對乘法如何設置標志嚴密定義412）ARM體系結(jié)構的變量A）Thumb指令集（T變量）Thumb指令集Thumbv1應用在ARMv4Thumbv2應用在ARMv542B）長乘法指令（M變量）ARM指令集的M變量包括4個附加指令完成32×32->64的乘法和乘加結(jié)果放在2個32位寄存器中43C）增強型DSP指令（E變量）完成DSP功能443）處理器模式處理器模式說明用戶usr正常程序執(zhí)行模式FIQfiq支持高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理IRQirq用于通用中斷處理管理svc操作系統(tǒng)保護模式中止abt支持虛擬存儲器和/或存儲器保護未定義und支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真系統(tǒng)sys運行特權操作系統(tǒng)任務(ARMv4以上)45改變模式方法：軟件控制外部中斷異常處理通常在用戶模式下不能訪問被保護的系統(tǒng)資源一般不能改變模式異常發(fā)生可以導致模式改變46特權模式除了用戶模式外的所有模式47異常模式FIQIRQ管理（Supervisor）中止（Abort）未定義（Undefined）由異常進入對應模式48系統(tǒng)模式不受限制的用戶模式494）寄存器組織37個寄存器31個32bit通用寄存器6個32bit狀態(tài)寄存器（實際只用12bit）每個模式下可見15個通用寄存器（R0－R14），1~2個狀態(tài)寄存器，PC不同模式下的通用寄存器有所不同50通用寄存器分類R0－R14R0－R7：不分組寄存器任何模式下都可以訪問，且映射固定寄存器R8－R14：分組寄存器不同模式映射不同物理寄存器51PCARM狀態(tài)下：位[1:0]為0，位[31:2]為PCThumb狀態(tài)：位[0]為0，位[31:1]為PC52CPSR1)條件碼標記N：負數(shù)Z：為0C：進位V：溢出Q：增強型DSP的溢出標志NZCVQDNM(RAZ)IFTM4M3M2M1M0532）控制位I：禁止IRQ中斷標記F：禁止FIQ中斷標記T：T變量模式位M[4:0]10000:用戶模式 10001:FIQ模式10010:IRQ模式 10011:管理模式10111:中止模式 11011:未定義11111:系統(tǒng)模式54Thumb狀態(tài)的寄存器集可訪問的寄存器集是ARM的子集8個通用寄存器R0－R7PC(R15)SP（R13）LR(R14)CPSR555)異常由內(nèi)部、外部引起的事件7種異常復位，進入管理模式未定義指令：未定義模式軟件中斷（SWI）：管理模式預取中止：中止模式數(shù)據(jù)中止：中止模式IRQ：IRQ模式FIQ：FIQ模式56異常的優(yōu)先級優(yōu)先級 異常1（最高） 復位2 數(shù)據(jù)中止3 FIQ4 IRQ5 預取中止6 未定義指令，SWI576）Thumb指令集與ARM指令集的區(qū)別分支語句數(shù)據(jù)傳送指令單寄存器加載與存儲指令多寄存器加載與存儲指令沒有協(xié)處理器指令沒有信號量指令沒有訪問CPSR指令58分支指令向后轉(zhuǎn)移條件下向前轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)向子程序從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)59數(shù)據(jù)處理指令操作的結(jié)果放第一個寄存器eg:R1=R1+R2數(shù)據(jù)處理操作少訪問R8－R15受到限制60單寄存器load、store只訪問R1－R761多寄存器load、storeLDMIAR3!,{R0-R7}STMIAR0!,{R6,R7}PUSH{R3,R5-R7}POP{R2,R5}627)流水線ARM7的三級流水線取指->譯碼->執(zhí)行638）嵌入式ICE-RT邏輯在片調(diào)試支持調(diào)試通道DDC：（DebugcommunicationChannel）在目標機與宿主調(diào)試器之間傳送信息JATG（JointTestActionGroup）可以通過JATG測試訪問口進行控制可以設置DBGEN為低電平禁止ICE-RT649)存儲系統(tǒng)增加控制cache與MMU操作的寄存器IDC操作（Instructionanddatacache）MMU中的可cache位是否可將正在讀的數(shù)據(jù)放入IDCIDC使能，禁止，復位：操作控制寄存器65寫緩沖（WB）ARM720T8字data4個獨立地址三種操作：可緩沖的寫非緩沖的寫讀－鎖－寫66MMU功能1。將虛擬地址翻譯成物理地址2。控制存儲器的訪問權限67MMU硬件1。TLB2。訪問控制邏輯3。變換表移動邏輯地址變換表4。增加的寄存器變換表基址寄存器，域訪問控制寄存器，TLB操作寄存器，故障狀態(tài)寄存器，故障地址寄存器682種頁映射方式大頁：64KB小頁：4KB69IDC，WB，MMU－>存儲系統(tǒng)70不同系列的ARM內(nèi)核差異詳見各內(nèi)核的說明書71七、ARMJTAG調(diào)試73幾種常用的調(diào)試方法指令集模擬器一種利用PC機端的仿真開發(fā)軟件模擬調(diào)試的方法。駐留監(jiān)控軟件駐留監(jiān)控程序運行在目標板上，PC機端調(diào)試軟件可通過并口、串口、網(wǎng)口與之交互，以完成程序執(zhí)行、存儲器及寄存器讀寫、斷點設置等任務JTAG仿真器通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM核進行通信，不占用目標板的資源，是目前使用最廣泛的調(diào)試手段在線仿真器使用仿真頭代替目標板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為。但結(jié)構較復雜，價格昂貴，通常用于ARM硬件開發(fā)中74ARM的JTAG調(diào)試結(jié)構AngelJTAG75宿主機調(diào)試器宿主機調(diào)試器通過固定的協(xié)議控制下位機（協(xié)議轉(zhuǎn)換器）。比如，SDT中通過Angel協(xié)議或者第三方調(diào)試器所提供的協(xié)議宿主機調(diào)試器只發(fā)送宏觀的命令，比如：

程序運行、終止。讀些內(nèi)存、ARM寄存器等通訊的介質(zhì)可以是串口、并口、以太網(wǎng)、USB等76JTAG與AngelJTAG調(diào)試：協(xié)議轉(zhuǎn)換器解釋上位機傳送過來的命令，通過JTAG控制ARM執(zhí)行。Angel調(diào)試：協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以直接做為目標板的Firmware的一部分。直接執(zhí)行從宿主機傳送過來的調(diào)試命令；并回送相應的數(shù)據(jù)。Angel可以節(jié)省專門的JTAG仿真器，但是，它需要軟件，或者是嵌入式操作系統(tǒng)的支持，做不到完全的實時仿真。而JTAG仿真是通過硬件和控制ARM的EmbeddedICE實現(xiàn)的，可以做到實時仿真。77什么是JTAG？JTAG是JointTestActionGroup的縮寫；

是IEEE1149.1標準JTAG的建立使得集成電路固定在PCB上，只通過邊界掃描便可以被測試在ARM7TDMI處理器中，可以通過JTAG直接控制ARM的內(nèi)部總線，IO口等信息，從而達到調(diào)試的目的78JTAG的典型接口TMS：測試模式選擇（TestModeSelect），通過TMS信號控制JTAG狀態(tài)機的狀態(tài)TCK：JTAG的時鐘信號TDI：數(shù)據(jù)輸入信號TDO：數(shù)據(jù)輸出信號nTRST：JTAG復位信號，復位JTAG的狀態(tài)機和內(nèi)部的宏單元（Macrocell）79JTAG的狀態(tài)機（TAP）80JTAG鏈的組成81ARM7TDMI的JTAG標準鏈（1）82ARM7TDMI的JTAG標準鏈（2）ScanChain0：包括ARM核的所有的IO和總線的輸入輸出控制信號ScanChain1：包括ARM核的數(shù)據(jù)總線和一個斷點控制信號。通過控制這個條鏈，可以控制ARM核執(zhí)行指定的指令。ScanChain2：通過控制EmbeddedICE宏單元，實現(xiàn)對ARM執(zhí)行指令的斷點、觀察點的控制83EmbeddedICE的結(jié)構84ARM7TDMI中斷點的設置設置EmbeddedICE的兩個watchpoint單元

主要包括：地址、數(shù)據(jù)、控制信號等當一個（或者兩個）watchpoint中的地址（也可以包括數(shù)據(jù)）和ARM所執(zhí)行的當前的指令相同的時候，ARM就從運行狀態(tài)進入Debug狀態(tài)85斷點的類型硬件斷點：在ARM中直接設定watchpoint中的地址，當ARM運行到制定的地址時，就進入Debug狀態(tài)軟件斷點：改變存儲器中的ARM指令為一個特殊的數(shù)據(jù)X（ARM的未定義指令），同時，設置watchpoint中的斷點數(shù)據(jù)也為X，當ARM把X數(shù)據(jù)作為指令讀入的時候，ARM就進入Debug狀態(tài)86硬件斷點和軟件斷點的優(yōu)缺點硬件斷點：數(shù)目受EmbeddedICE中的Watchpoint數(shù)目的限制；但是，可以在任何地方設置斷點軟件斷點：數(shù)目不受限制，但是，軟件斷點是通過替換系統(tǒng)的斷點地址的指令實現(xiàn)的，所以，軟件斷點只能在可寫的存儲器的地址中設置（比如：RAM），而不能在ROM（比如：Flash）中設置87八、ARM實例SamsungS3C44B0XARM體系結(jié)構的主要特征大量的寄存器，都可用于多種用途；Load-Store體系結(jié)構3地址指令（兩個源操作數(shù)寄存器和結(jié)果寄存器獨立設定）每條指令都條件執(zhí)行包含非常強大的多寄存器Load和Store指令能在單時鐘周期執(zhí)行的單條指令內(nèi)完成一項普通的移位操作和一項普通的ALU操作能過協(xié)處理器指令集來擴展ARM指令集，包括在編程模式下增加了新的寄存器和數(shù)據(jù)類型在Thumb體系結(jié)構中以高密度16位壓縮形式表示指令集88SamsungS3C44B0XSamsungS3C44B0X微處理器是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比和高性能的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHZ。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了下列部件：8KBCache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、2通道UART、1個多主I2C總線控制器、1個IIS總線控制器，5通道PWM定時器及一個內(nèi)部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、實時時鐘、8通道10位ADC等。89S3C44B0X體系結(jié)構：用于手持設備和通用嵌入式應用的完整系統(tǒng)；16/32位RISC結(jié)構和帶ARM7DMICPU核的功能強大的指令集；Thumb協(xié)處理器在保證性能的前提下使代碼密度最大；片上ICE中斷調(diào)試JTAG調(diào)試方式328位硬件乘法器；

90系統(tǒng)管理：支持大/小端模式地址空間：每個Bank32MB（一共256MB）；每個Bank支持8/16/32位數(shù)據(jù)總線編程；固定的Bank起始地址和7個可編程的Bank；1個起始地址和尺寸可編程的Bank；8個內(nèi)存Bank:：６個用于ROM、SRAM；2個用于ROM/SRAM/DRAM；所有內(nèi)存Bank的可編程尋址周期；在能量低的情況下支持DRAM/SDRAM自動刷新模式；支持DRAM的非對稱/對稱尋址；91緩沖內(nèi)存和內(nèi)部SRAM4路帶8K字節(jié)的聯(lián)合緩存；不使用緩存的0/4/8K內(nèi)容SRAM偽LRU（最近最少使用）的替代算法；通過在主內(nèi)存和緩沖區(qū)內(nèi)容之間保持一致的方式寫內(nèi)存；當緩沖區(qū)出錯時，請求數(shù)據(jù)填充技術；

92時鐘和能量管理l

低能耗；l時鐘可以通過軟件選擇性地反饋回每個功能塊l能量模式：u正常模式：正常運行模式；u低能模式：不帶PLL的底頻時鐘；u休眠模式：只使CPU的時鐘停止；u停止模式：所有時鐘都停止；l

用EINT或RTC警告中斷從停止模式喚醒93中斷控制器l30個中斷源（看門狗定時器，6個定時器，6個UART，8個外部中斷，4個DMA，2個RTC，1個ADC，1個I2C，1個SIO；l矢量IRQ中斷模式減少中斷響應周期；l外部中斷源的水平/邊緣模式；l可編程的水平/邊緣極性；l對緊急中斷請求支持FIQ（快速中斷請求）；94帶PWM的定時器l脈沖寬度調(diào)制l5個16位帶PWM的定時器/1個16位基于DMA或基于中斷的定時器；l可編程的工作循環(huán)，頻率和極性l死區(qū)產(chǎn)生l

支持外部時鐘源95實時時鐘l全時鐘特點：毫秒、秒、分、小時、天、星期、月、年l32.768KHz運行

CPU喚醒的警告中斷時鐘記號中斷

96通用輸入輸出端口l8個外部中斷端口l71個多路輸入輸出口；UARTl2個帶DMA和中斷的UART；l支持5位，6位，7位，8位串行數(shù)據(jù)傳送/接收；l當傳送/接收時支持雙向握手l可編程波特率；l

支持IrDA1.0（115.2KBPS）；l測試的循環(huán)返回模式；l每個通道有2個內(nèi)部32位FIFO97DMA與A/DDMA控制器l

2路通用無需要CPU干涉的DMA控制器；l2路橋式DMA控制器；l采用6種DMA請求的橋式DMA支持IO到內(nèi)存,內(nèi)存到IO，IO到IO：軟件，4個內(nèi)部功能塊（UART，SIO，實時器，IIS），外部管腳；lDMA之間可編程優(yōu)先級次序；l突發(fā)傳送模式提高到FPDRAM、EDODRAM和SDRAM的傳送率；A/D轉(zhuǎn)換l10位多路ADC；l最大500KSPS/10位；98LCD控制器

l支持彩色/單色/灰度LCD；l支持單掃描和雙掃描顯示；l支持虛擬顯示功能l

系統(tǒng)內(nèi)存作為顯示內(nèi)存l專用DMA用于從系統(tǒng)內(nèi)存中提取圖象數(shù)據(jù)；l可編程屏幕尺寸；l

灰度：16級l

256色99看門狗定時器與I2C總線接口l16位看門狗定時器；l定時中斷請求和系統(tǒng)復位；l1個帶中斷的多主機I2C總線；l串行，8位，雙向數(shù)據(jù)傳送器能夠以100KB/S的標準模式和400KB/S的快速模式傳送100IIS總線接口l1個I帶DMA的音頻IS總線接口；l串行，每路8/16位數(shù)據(jù)傳送器；支持MSB數(shù)據(jù)格式；

SIO（同步串行I/O）l

1個帶DMA和中斷的SIOl

可編程波特率；支持8位串行數(shù)據(jù)傳送/接收操作

101操作電壓范圍內(nèi)核：2.5V；I/O：3.0V到3.6V;運行頻率最高到75MHz；封裝160LQFP/160FBGA；102S3C44B0X微處理器體系結(jié)構框圖103S3C44B0X微處理器管腳定義圖104基于ARM的嵌入式硬件平臺體系結(jié)構105S3C44B0X把外部復位信號，也作為一個中斷來處理。在系統(tǒng)復位的時候,程序（PC）指針被設置成0，使程序跳轉(zhuǎn)到0x00000000開始運行。此空間對應的是Bank0。因為在系統(tǒng)的1MB的線性Flash和處理器的Bank0相連接。在線性Flash里存儲的是供系統(tǒng)的初始化的程序。此程序負責的配置處理器的結(jié)構、工作模式以及自動檢測嵌入式控制器的各個硬件是否工作正常。此程序負責把存儲在16MB的非線性處理器里面的system.bin文件復制到0xc5f0000地址（此地址是系統(tǒng)8MB的SDRAM的首地址)。引導程序把程序（PC）指針指向0xc000000地址，系統(tǒng)開始運行。system.bin是嵌入式操作系統(tǒng)引導的執(zhí)行文件。編譯以后的操作系統(tǒng)和應用程序就是這個文件。

106S3C44B0X存儲系統(tǒng)的特征

支持數(shù)據(jù)存儲的大/小端選擇(通過外部引腳進行選擇)地址空間：具有8個存儲體，每個存儲體可達32Mb，總共可達256Mb。對所有存儲體的訪問大小均可進行改變（8位／16位／32位）8個存儲體中，Bank0－Bank5可支持ROM、SRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和FP／EDO／SDRAM等。7個存儲體的起始地址固定，1個存儲體的起始地址可變。

支持數(shù)據(jù)存儲的大/小端選擇(通過外部引腳進行選擇)地址空間：具有8個存儲體，每個存儲體可達32Mb，總共可達256Mb。對所有存儲體的訪問大小均可進行改變（8位／16位／32位）8個存儲體中，Bank0－Bank5可支持ROM、SRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和FP／EDO／SDRAM等。7個存儲體的起始地址固定，1個存儲體的起始地址可變。

107典型系統(tǒng)中存儲體的分配情況存儲體與存儲體的接口Bank0BIOS512K×2FlashBank116MFlash硬盤Bank2USB接口Bank3LCD顯示模塊Bank4保留Bank5保留Bank6系統(tǒng)內(nèi)存SDRAMBank7保留108復位后的S3C44B0X的存儲器映射表109使用Bank0上的兩片512Kb×2來放置系統(tǒng)BIOS，系統(tǒng)上電以后，PC指針自動指向Bank0的第一個單元，開始進行系統(tǒng)自舉。系統(tǒng)自舉完成以后，便從硬盤中將系統(tǒng)文件和用戶應用程序復制到SDRAM內(nèi)存中執(zhí)行。Bank1上接16M非線性Flash，當做系統(tǒng)硬盤使用，可以構造文件系統(tǒng)，存放海量數(shù)據(jù)。用SDRAM當作系統(tǒng)內(nèi)存，只有Bank6/Bank7能支持SDRAM，所以將SDRAM接在Bank6上。如果同時使用Bank6/Bank7，則要求連接相同容量的存儲，而且其地址空間在物理上是連續(xù)的。110Bank0：系統(tǒng)的啟動ROM（FlashRom）。在系統(tǒng)復位的時候，處理器的PC（程序計數(shù)器）指針指向0x0地址。在Bank0的起始地址的程序，就是系統(tǒng)的初始化程序。此程序的主要任務是：1、管理處理器的中斷服務程序處理器的中斷是從0x0地址開始，引導ROM負責把這一部分的中斷映射到另一個區(qū)域，以便系統(tǒng)處理。具體的做法，可以參考44binit.s里面的代碼。（這部分代碼是三星主頁可以提供，它把系統(tǒng)的中斷，映射到了不同的指針所指向的地址空間（主要就是系統(tǒng)RAM的空間））。1112、初始化硬件平臺，配置其他的BankS3C44B0X的Bank0是通過外部的一個管腳提供的上拉、下拉電阻來配置的。主要包括：數(shù)據(jù)位數(shù)（8位、16位、32位），數(shù)據(jù)格式（大端、小端）。而其他的Bank的配置，以及讀寫周期等信息是靠Bank0內(nèi)部的代碼配置相應的寄存器來實現(xiàn)的。同時，系統(tǒng)的引導Rom也負責配置系統(tǒng)的其他的一些寄存器，比如，系統(tǒng)的PLL（鎖頻環(huán)）配置，系統(tǒng)的IO口等一些端口功能的配置等等。1123、系統(tǒng)自動檢測引導Rom負責檢測系統(tǒng)的啟動必須的外設是否正常。主要是系統(tǒng)的SDRAM的檢測。4、系統(tǒng)的軟件設置，更新系統(tǒng)（system.bin）用戶可以在系統(tǒng)啟動的時候，按任意鍵，進入系統(tǒng)的軟件設置狀態(tài)。通過引導Rom設置或者查看系統(tǒng)的一些軟件信息。包括：通過開啟USB端口，更新系統(tǒng)文件system.bin；LCD顯示測試；演示程序的裝載測試；鍵盤測試；觸摸屏的坐標校準；觸摸屏測試；以太網(wǎng)地址的設置等113實驗系統(tǒng)的存儲空間分配在系統(tǒng)引導的最后階段，負責復制system.bin到系統(tǒng)的SDRAM中，然后，把PC指針指向SDRAM中程序的首地址，開始運行。Bank1：K9F2808（三星16MbyteFlash），非線性尋址，每次尋址需要3次寫入8位地址線。具體的時序可以參考K9F2808的datasheetBank2：USBN9603。USB設備端接口芯片，占用系統(tǒng)外部中斷0。8位數(shù)據(jù)總線。Bank3、Bank4未接設備?？梢怨矓U展使用Bank5：RTL8019AS，ISA總線兼容的10M以太網(wǎng)（PHY＋MAC層）控制芯片。占用系統(tǒng)外部中斷1，16位數(shù)據(jù)總線114Bank6：SDRAM，起始地址為0xC000000。在SDRAM中，前512Kbyte的空間劃分出來，作為系統(tǒng)的LCD顯示緩沖區(qū)使用（更新其中的數(shù)據(jù)，就可以更新LCD的顯示）。系統(tǒng)的程序存儲空間從0xC080000開始。也就是，引導系統(tǒng)的時候，需要把system.bin文件復制到0xC080000開始的地址空間，把PC指針指向0xC080000。Bank7：未使用?？梢詳U展另一片SDRAM，或者其他的外設。系統(tǒng)的同步串行口（SIO），連接著觸摸屏控制芯片F(xiàn)M7843（與ADS7843完全兼容）。在同步串行口上，還可以擴展其他的芯片?？縄O口控制設備的片選信號（CS）來防止設備的沖突。注：系統(tǒng)的擴展接口上，A0的標號，連接在S3C44B0X的ADDR1上，后面的地址依次向后錯位。115九、MOTOROLA公司的龍珠MX1微處理器MC928MX1（以下簡稱MX1）摩托羅拉公司基于ARM核心的第一款MCU面向高端嵌入式應用龍珠微處理器已經(jīng)應用在超過全球75％的個人數(shù)字助理設備（PDA）上基于PalmOS操作平臺的產(chǎn)品上有卓越的表現(xiàn)116DragonBallMX系列作為DragonBall家族的后續(xù)產(chǎn)品提供了ARM9?微處理器內(nèi)核和完整的系統(tǒng)功能個人移動產(chǎn)品設計,支持各種智能外設,配有高級處理核心和靈活的電源管理ARM920T?內(nèi)核200MHz片上模塊：LCD控制器,staticRAM,USB支持,A/D轉(zhuǎn)換器、觸摸屏控制器,MMC/SDhost控制器,片上藍牙加速器MC9328MX1是第一個支持Bluetooth?技術的應用處理器，其藍牙帶寬處理功能已集成于處理器上的藍牙加速器(BTA)與RF前端集成電路結(jié)合后，能夠為PDA應用提共無縫的藍牙解決方案。龍珠MX1能夠在操作、休眠及停止狀態(tài)下耗用最低能量。外圍設備16灰度單色顯示,彩色STN顯示和彩色TFT顯示的LCD控制器多媒體加速器(MMA)、多媒體卡(MMC)/安全數(shù)位(SD)/記憶棒界面、先進處理器核心及能源管理117MC9328MX1芯片主要優(yōu)勢低功耗穩(wěn)定的系統(tǒng)設計多媒體加速功能藍牙應用優(yōu)化有效的在手持設備上增加無線應用服務適用各種終端設備如PDA和Smartphone等下一代無線通訊設備 118OS第一個通過PalmSource認證兼容任何PalmOS都可在運行支持PalmOS操作系統(tǒng)平臺微軟WindowsCE操作系統(tǒng)和PocketPCLinux操作系統(tǒng)SymbianEPOC技術119“龍珠”MXI的建議售價為19美元，最低訂貨量為10，000套。120外部連接兩個必要的串行端口UART1和UART2能夠執(zhí)行高至1.875MHz的波特率并提供IrDA1.0支持一個32位FIFO-ON傳輸和32-位FIFO-ON接收決定了中斷負載和CPU處理該類通信的速度。一個可配置的串行外部接口（CSPI）可被配置為主接口或從屬接口執(zhí)行高至16位的寬帶數(shù)據(jù)傳輸傳輸接收都是高達16字節(jié)的FIFO最大時鐘頻率為24MHz121SSI/I2S（同步串行端口和Inter-IC聲音）支持用于外部音頻芯片或用于內(nèi)部處理器機間通信的普通SSI端口還支持用于外部數(shù)字聲頻芯片接口、飛利浦標準的Inter-IC聲音總線。122龍珠MX1的USB接口全速情況下（12MHz）符合通用串行總線規(guī)格1.1版，提供六個端點端點（0）可用于輸入和輸出，進行管理，得到32字節(jié)FIFO支持，因而確定了32字節(jié)的最大信息包尺寸。端點（1-5）用于單向通訊（可選擇為進或出）端點（1-2）由64位FIFO支持，端點（3-5）與32字節(jié)FIFO連接端點（3-5）能夠支持等時通訊導管端點（1-5）也支持控制，容積，和中斷導管用戶可培植的最大的信息包尺寸是8、16、32或64字節(jié)，只受片上緩沖器實際尺寸的限制當USB框架發(fā)生時，等時通訊導管產(chǎn)生中斷信息包尺寸大小按通信性能的不同受到限制：用于等時端點的DMA接入受FIFO端點尺寸的限制下一個信息包僅在DMA服務于FIFO之后才能得到編程后的I/O能夠支持從0到1023字節(jié)的任意大小的數(shù)據(jù)包USB芯片自己供給能量，從而不需要從相連的USB設備上吸收能量，但是在系統(tǒng)設計需要的情況下，它也能通過USB線纜獲得能量。該智能卡接口模式（SIM）符合ISO7816智能卡接口標準具有16字節(jié)深的FIFO傳送和32字節(jié)深的FIFO接收同時具有帶中斷功能的SIM卡識別特點。123龍珠藍牙加速器（BTA）提供基帶處理器還將一個跳躍頻率選擇協(xié)同處理器與傳送接收緩沖器結(jié)合起來直接支持摩托羅拉、松下半導體和飛利浦半導體的外部藍牙收發(fā)器還具有藍牙應用計時器和低功耗管理能力的特點。124多媒體卡（Infineon規(guī)格）和安全數(shù)字（MMC/SD）主控制器磁心與2.2版本的MMC系統(tǒng)規(guī)格和1.0版本的SD存儲卡規(guī)格相兼容。多媒體卡還利用1/4信道與SDI/O規(guī)格0.8e相兼容。該標準支持高達10個MMC卡和一個SD。對于單獨的非混合MMC卡，Infineon規(guī)格達到30個單元。這個MMC/SD磁心支持熱插拔卡功能，數(shù)據(jù)速度達20Mb/s至80Mb/s。索尼的存儲標準－存儲棒(MemoryStick)主控制器(MSHC)磁心提供了一個內(nèi)置的8字節(jié)（4字組）FIFO緩沖，用于傳輸和接收、一個內(nèi)置CRC電路、和一個通過閱讀FIFO狀態(tài)的DMA支持。該磁心的超時設置可以中斷主處理器。它還具有檢查插拔執(zhí)行的檢測和16位寬主總線接入的特點（不支持8位寬）。125硬件規(guī)格輸入輸出電壓：1.62v～1.98v芯片電壓：1.62v～1.98v256接腳PBGA，14mmx14mmx1.3mm；0.8點距關于MX1的詳細資料，感興趣的讀者可以參考126龍珠MX1方塊圖127十、ARM芯片選擇的一般原則ARM芯片有多達十幾種的芯核結(jié)構70多家芯片生產(chǎn)廠家千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合開發(fā)人員如何選擇方案？128(1)ARM芯核如果希望使用WinCE或Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(MemoryManagementUnit)功能ARM芯片，ARM720T、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都帶有MMU功能ARM7TDMI沒有MMU不支持WindowsCE和大部分的Linux,但目前有uCLinux等少數(shù)幾種Linux不需要MMU的支持129(2)系統(tǒng)時鐘控制器系統(tǒng)時鐘決定了ARM芯片的處理速度ARM7的處理速度為0.9MIPS/MHz常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHzARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘為100MHz-233MHz,ARM10最高可以達到700MHz不同芯片對時鐘的處理不同只有一個主時鐘頻率芯片可能不能同時顧及UART和音頻時鐘的準確性如CirrusLogic的EP7312等；內(nèi)部時鐘控制器可以分別為CPU核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘如PHILIPS公司的SAA7550等芯片130(3)內(nèi)部存儲器容量在不需要大容量存儲器時，可以考慮選用有內(nèi)置存儲器的ARM芯片芯片型號供應商FLASH容量ROM容量SRAM容量AT91F40162ATMEL2MBytes256Kbytes4KBytesAT91FR4081ATMEL1MBytes128KBytesSAA7750Philips384KBytes64KbytesPUC3030AMicronas256KBytes56KbytesHMS30C7202Hynix192KBytes

ML67Q4001OKI256KBytes

LC67F500Snayo640KBytes32K131(4)USB接口許多ARM芯片內(nèi)置有USB控制器有些同時有USBHost和Slave控制器芯片型號ARM內(nèi)核供應商USBSlaveUSBHostIIS接口S3C2410ARM920TSamsung121S3C2400ARM920TSamsung121S5N8946ARM7TDMIsamsung100L7205ARM720TLinkup110L7210ARM720TLinkup110EP9312ARM920TCirrusLogic031DragonballMX1ARM920TMotorola101SAA7750ARM720TPhilips101TMS320DSC2xARM7TDMITI100PUC3030AARM7TDMIMicronas105AAEC-2000ARM920TAgilent100ML67100ARM7TDMIOKI100ML7051LAARM7TDMIOKI100SA-1100StrongARMIntel100LH79531ARM7TDMISharp100GMS320C7201ARM720THynix101132(5)GPIO數(shù)量GPIO數(shù)量許多引腳是和地址線、數(shù)據(jù)線、串口線等引腳復用的在系統(tǒng)設計時需要計算實際可以使用的GPIO數(shù)量133(6)中斷控制器ARM內(nèi)核只提供快速中斷(FIQ)和標準中斷(IRQ)兩個中斷向量。各個半導體廠家在設計芯片時加入了自己不同的中斷控制器，以便支持諸如串行口、外部中斷、時鐘中斷等硬件中斷合理的外部中斷設計很大程度減少任務調(diào)度的工作量PHILIPS公司的SAA7750所有GPIO都可以設置成FIQ或IRQ，并且可以選擇上升沿、下降沿、高電平、低電平四種中斷方式。紅外線遙控接收、指輪盤和鍵盤等任務都可以作為背景程序運行CirrusLogic公司的EP7312芯片只有4個外部中斷源每個中斷源都只能是低電平或者高電平中斷接收紅外線信號時，就必須用查詢方式，會浪費大量的CPU時間134(7)IIS接口IIS(IntegrateInterfaceofSound)集成音頻接口設計音頻應用產(chǎn)品，IIS總線接口是必需的135(8)nWAIT信號外部總線速度控制信號不是每個ARM芯片都提供這個信號引腳利用這個信號與廉價的GAL芯片就可以實現(xiàn)與符合PCMCIA標準的WLAN卡和Bluetooth卡的接口，而不需要外加高成本的PCMCIA專用控制芯片當需要擴展外部DSP協(xié)處理器時，此信號也是必需的。136(9)RTC(RealTimeClock)很多ARM芯片都提供實時時鐘功能，但方式不同。CirrusLogic公司的EP7312的RTC只是一個32位計數(shù)器，需要通過軟件計算出年月日時分秒SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日時分秒格式

137(10)LCD控制器有些ARM芯片內(nèi)置LCD控制器，有的甚至內(nèi)置64K彩色TFTLCD控制器。在設計PDA和手持式顯示記錄設備時，選用內(nèi)置LCD控制器的ARM芯片如S1C2410較為適宜。138(11)PWM輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）有些ARM芯片有2~8路PWM輸出，可以用于電機控制或語音輸出等場合。1139(12)ADC和DAC有些ARM芯片內(nèi)置2~8通道8~12位通用ADC，可以用于電池檢測、觸摸屏和溫度監(jiān)測等PHILIPS的SAA7750更是內(nèi)置了一個16位立體聲音頻ADC和DAC，并且?guī)Ф鷻C驅(qū)動140(13)擴展總線大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴展接口不同的ARM芯片可以擴展的芯片數(shù)量即片選線數(shù)量不同，外部數(shù)據(jù)總線有8位、16位或32位。某些特殊應用的ARM芯片如德國Micronas的PUC3030A沒有外部擴展功能141(14)UART和IrDA幾乎所有的ARM芯片都具有1~2個UART接口，可以用于和PC機通訊或用Angel進行調(diào)試一般的ARM芯片通訊波特率為115,200bps少數(shù)專為藍牙技術應用設計的ARM芯片的UART通訊波特率可以達到920Kbps，如Linkup公司的L7205。142(15)DSP協(xié)處理器芯片型號供應商DSPcoreDSPMIPS應用TMS320DSC2XTI16bitsC5000500DigitalCameraDragonBallMX1Motorola24bits56000

CD-MP3SAA7750Philips24bitsEPIC73CD-MP3VWS22100Philips16bitsOAK52GSMSTLC1502STD950

VOIPGMS30C3201Hynix16bitsPiccolo

STBAT75C220ATMEL16bitsOAK40IAAT75C310ATMEL16bitsOAK40x2IAAT75C320ATMEL16bitsOAK60X2IAL7205Linkup16bitsPiccolo

WirelessL7210Linkup16bitsPiccolo

wirelessQuatroOAK16bitsOAK

DigitalImage143(16)內(nèi)置FPGA有些ARM芯片內(nèi)置有FPGA，適合于通訊等領域。芯片型號供應商ARM芯核FPGA門數(shù)引腳數(shù)EPXA1AlteraARM922T100K484EPXA4AlteraARM922T400K672EPXA10AlteraARM922T1000K1020TA7S20系列TriscendARM7TDMI多種多種144(17)時鐘計數(shù)器和看門狗

一般ARM芯片都具有2~4個16位或32位時鐘計數(shù)器和一個看門狗計數(shù)器。

(18)電源管理功能

ARM芯片的耗電量與工作頻率成正比，一般ARM芯片都有低功耗模式、睡眠模式和關閉模式。

(19)DMA控制器

有些ARM芯片內(nèi)部集成有DMA(DirectMemoryAccess)可以和硬盤等外部設備高速交換數(shù)據(jù)，同時減少數(shù)據(jù)交換時對CPU資源的占用145還可以選擇的內(nèi)部功能部件有：HDLC,SDLC,CD-ROMDecoder,EthernetMAC,VGAcontroller,DC-DC?？梢赃x擇的內(nèi)置接口有：IIC,SPDIF，CAN，SPI，PCI，PCMCIA。146封裝ARM芯片現(xiàn)在主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式BGA封裝具有芯片面積小的特點，可以減少PCB板的面積，但是需要專用的焊接設備，無法手工焊接一般BGA封裝的ARM芯片無法用雙面板完成PCB布線，需要多層PCB板布線。147十一、多芯核結(jié)構ARM芯片的選擇為了增強多任務處理能力、數(shù)學運算能力、多媒體以及網(wǎng)絡處理能力，某些供應商提供的ARM芯片內(nèi)置多個芯核,常見的有ARM+DSP,ARM+FPGA,ARM+ARM等結(jié)構

148(1)多ARM芯核為了增強多任務處理能力和多媒體處理能力，某些ARM芯片內(nèi)置多個ARM芯核。例如Portalplayer公司的PP5002內(nèi)部集成了兩個ARM7TDMI芯核，可以應用于便攜式MP3播放器的編碼器或解碼器。MinSpeed公司在其多款高速通訊芯片中集成了2~4個ARM7TDMI內(nèi)核149(2)ARM芯核+DSP芯核為了增強數(shù)學運算功能和多媒體處理功能，許多供應商在其ARM芯片內(nèi)增加了DSP協(xié)處理器。通常加入的DSP芯核有ARM公司的PiccoloDSP芯核、OAK公司16位定點DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56KDSP芯核等。150(3)ARM芯核+FPGA為了提高系統(tǒng)硬件的在線升級能力，某些公司在ARM芯片內(nèi)部集成了FPGA。151十一、主要ARM芯片供應商目前可以提供ARM芯片的著名歐美半導體公司有：英特爾、德洲儀器、三星半導體、摩托羅拉、飛利浦半導體、意法半導體、億恒半導體、科勝訊、ADI公司、安捷倫、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSIlogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon,Parthus。日本的許多著名半導體公司如東芝、三菱半導體、愛普生、富士通半導體、松下半導體等公司較早期都大力投入開發(fā)了自主的32位CPU結(jié)構，但現(xiàn)在都轉(zhuǎn)向購買ARM公司的芯核進行新產(chǎn)品設計。由于它們購買ARM版權較晚，現(xiàn)在還沒有可以銷售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半導體公司目前都已經(jīng)批量生產(chǎn)了ARM芯片。韓國的現(xiàn)代半導體公司也生產(chǎn)提供ARM芯片。國外也有很多設備制造商采用ARM公司