嵌入式系統(tǒng)教程 第3章體系結(jié)構(gòu)2

3.3通用的ARM微處理器介紹現(xiàn)將幾種通常使用較為廣泛的SamsungS3C44B0X（ARM7TDMI內(nèi)核）、S3C2410B（ARM920T核）和IntelPXA25X/27x（Xscale核）微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及功能介紹一下。13.3.1SamsungS3C44B0X的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SamsungS3C44B0X微處理器是韓國(guó)三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比和高性能的微處理器解決方案，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(chǔ)器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2通道UART、1個(gè)多主I2C總線控制器、1個(gè)IIS總線控制器，5通道PWM定時(shí)器及一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、71個(gè)通用I/O口、8個(gè)外部中斷源、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道10位ADC等。2S3C44B0X的結(jié)構(gòu)圖3S3C44B0X的系統(tǒng)板4S3C44B0X系統(tǒng)板結(jié)構(gòu)組成

LCD與觸摸屏接口USBHOST模塊接口JTAG調(diào)試接口IIC接口的EEPROM4×4矩陣鍵盤接口LED指示燈8段數(shù)碼管電路S3C44BOX微處理器電源電路復(fù)位邏輯晶振電路系統(tǒng)配置FLASH和SDRAM的設(shè)計(jì)UART接口以上部分可根據(jù)實(shí)際需要自由裁減5

1）S3C44B0X結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)用于手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用的完整系統(tǒng)；16/32位RISC結(jié)構(gòu)和帶ARM7DMICPU核的功能強(qiáng)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；32

8位硬件乘法器。62）系統(tǒng)管理支持大/小端模式地址空間：每個(gè)Bank32MB（一共256MB）；每個(gè)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(gè)可編程的Bank；1個(gè)起始地址和尺寸可編程的Bank；8個(gè)內(nèi)存Bank:：６個(gè)用于ROM、SRAM；2個(gè)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(dòng)刷新模式；支持DRAM的非對(duì)稱/對(duì)稱尋址；7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(guò)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(dāng)緩沖區(qū)出錯(cuò)時(shí)，請(qǐng)求數(shù)據(jù)填充技術(shù)；BOOTLOADER位于FLASH存儲(chǔ)器，當(dāng)ARM處理器S3C44B0X復(fù)位或上電后首先執(zhí)行BOOTLOADER的代碼。BOOTLOADER代碼有如下功能：通過(guò)基本串口可與PC機(jī)終端程序建立聯(lián)接、可配置板子、提供用戶幫助、允許下載應(yīng)用程序到SDRAM并執(zhí)行、將用戶映象文件寫入FLASH、然后部分測(cè)試程序。83）時(shí)鐘和能量管理l

低能耗；l時(shí)鐘可以通過(guò)軟件選擇性地反饋回每個(gè)功能塊；l能量模式：u正常模式：正常運(yùn)行模式；u低能模式：不帶PLL的低頻時(shí)鐘；u休眠模式：只使CPU的時(shí)鐘停止；u停止模式：所有時(shí)鐘都停止；l

用EINT或RTC警告中斷從停止模式喚醒。94）中斷控制器

30個(gè)中斷源（看門狗定時(shí)器，6個(gè)定時(shí)器，6個(gè)UART，8個(gè)外部中斷，4個(gè)DMA，2個(gè)RTC，1個(gè)ADC，1個(gè)I2C，1個(gè)SIO；l矢量IRQ中斷模式減少中斷響應(yīng)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(duì)緊急中斷請(qǐng)求支持FIQ（快速中斷請(qǐng)求）10ARM7TDMI中斷點(diǎn)的設(shè)置設(shè)置EmbeddedICE的兩個(gè)watchpoint單元

主要包括：地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)等當(dāng)一個(gè)（或者兩個(gè)）watchpoint中的地址（也可以包括數(shù)據(jù)）和ARM所執(zhí)行的當(dāng)前的指令相同的時(shí)候，ARM就從運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入Debug狀態(tài)11斷點(diǎn)的類型硬件斷點(diǎn)：在ARM中直接設(shè)定watchpoint中的地址，當(dāng)ARM運(yùn)行到制定的地址時(shí)，就進(jìn)入Debug狀態(tài)。軟件斷點(diǎn)：改變存儲(chǔ)器中的ARM指令為一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)X（ARM的未定義指令），同時(shí)，設(shè)置watchpoint中的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)也為X，當(dāng)ARM把X數(shù)據(jù)作為指令讀入的時(shí)候，ARM就進(jìn)入Debug狀態(tài)。12硬件斷點(diǎn)和軟件斷點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)硬件斷點(diǎn)：數(shù)目受EmbeddedICE中的Watchpoint數(shù)目的限制；但是，可以在任何地方設(shè)置斷點(diǎn)軟件斷點(diǎn)：數(shù)目不受限制，但是，軟件斷點(diǎn)是通過(guò)替換系統(tǒng)的斷點(diǎn)地址的指令實(shí)現(xiàn)的，所以，軟件斷點(diǎn)只能在可寫的存儲(chǔ)器的地址中設(shè)置（比如：RAM），而不能在ROM（比如：Flash）中設(shè)置135）帶PWM的定時(shí)器S3C44B0X中的定時(shí)器具有ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）功能，通過(guò)對(duì)一些功能寄存器的配置，可定義占空比以及定義頻率的高低。內(nèi)部具有5個(gè)16位帶PWM的定時(shí)器/1個(gè)16位基于DMA或基于中斷的定時(shí)器，可編程的工作循環(huán)，頻率和極性選擇。

146）實(shí)時(shí)時(shí)鐘l全時(shí)鐘特點(diǎn)：毫秒、秒、分、小時(shí)、天、星期、月、年l32.768KHz運(yùn)行

CPU喚醒的警告中斷時(shí)鐘記號(hào)中斷157）通用輸入輸出端口l8個(gè)外部中斷端口l71個(gè)多路輸入輸出口；通用異步接收發(fā)送器UARTl2個(gè)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(dāng)傳送/接收時(shí)支持雙向握手l可編程波特率；l

支持IrDA1.0（115.2KbPS）；l測(cè)試的循環(huán)返回模式；l每個(gè)通道有2個(gè)內(nèi)部32位FIFO168）DMA與A/DDMA控制器l

2路通用無(wú)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(qǐng)求的橋式DMA支持IO到內(nèi)存,內(nèi)存到IO，IO到IO：軟件，4個(gè)內(nèi)部功能塊（UART，SIO，實(shí)時(shí)器，IIS），外部管腳；lDMA之間可編程優(yōu)先級(jí)次序；l突發(fā)傳送模式提高傳送率；A/D轉(zhuǎn)換l10位8路ADC；l最大500KbPS/10位；179）LCD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(jí)l

256色1810）看門狗定時(shí)器與I2C總線接口l16位看門狗定時(shí)器；l定時(shí)中斷請(qǐng)求和系統(tǒng)復(fù)位；l1個(gè)帶中斷的多主機(jī)I2C總線；l串行，8位，雙向數(shù)據(jù)傳送器能夠以100Kb/S的標(biāo)準(zhǔn)模式和400Kb/S的快速模式傳送。19IIS總線接口l1個(gè)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(gè)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/接收操作操作電壓范圍

內(nèi)核：2.5V；I/O：3.0V到3.6V;運(yùn)行頻率最高到75MHz；封裝160LQFP/160FBGA；2011）S3C44B0X微處理器體系結(jié)構(gòu)框圖21

S3C44B0X微處理器管腳定義圖22

12）系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程S3C44B0X把外部復(fù)位信號(hào)，也作為一個(gè)中斷來(lái)處理。在系統(tǒng)復(fù)位的時(shí)候,程序（PC）指針被設(shè)置成0，使程序跳轉(zhuǎn)到0x00000000開始運(yùn)行。此空間對(duì)應(yīng)的是Bank0。因?yàn)樵谙到y(tǒng)的1MB的線性Flash和處理器的Bank0相連接。在線性Flash里存儲(chǔ)的是供系統(tǒng)的初始化的程序。此程序負(fù)責(zé)的配置處理器的結(jié)構(gòu)、工作模式以及自動(dòng)檢測(cè)嵌入式控制器的各個(gè)硬件是否工作正常。此程序負(fù)責(zé)把存儲(chǔ)在16MB的非線性處理器里面的system.bin文件復(fù)制到0xc5f0000地址（此地址是系統(tǒng)8MB的SDRAM的首地址)。引導(dǎo)程序把程序（PC）指針指向0xc000000地址，系統(tǒng)開始運(yùn)行。system.bin是嵌入式操作系統(tǒng)引導(dǎo)的執(zhí)行文件。編譯以后的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序就是這個(gè)文件。

233.3.2S3C2410微處理器S3C2410韓國(guó)三星電子公司最近推出的一款基于ARM920T核的16／32位RISC嵌入式微處理器。該處理器主要面向手持式設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。該處理器采用0.18umCMOS制造工藝，內(nèi)部采用了新的AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture(AMBA)總線(AMBA2)。ARM920T核由ARM9TDMI內(nèi)核、存儲(chǔ)管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中，MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。ARM920T有兩個(gè)內(nèi)部協(xié)處理器：CPl4和CPl5。CPl4用于調(diào)試控制，CPl5用于存儲(chǔ)系統(tǒng)控制以及測(cè)試控制。

241）S3C2410B微處理器性能MCU：采用三星公司S3C2410，ARM920T內(nèi)核SDRAM：32位，16M、32M、64M可選FLASH：32位，4M、16M可選USB：一路DEVICE，一路HOSTUART：UART0、UART2可選擇（RS-232）JTAG：14針電源：輸入：+5V——+9V；輸出：+3.3V，+1.8VLED:4個(gè)外擴(kuò)總線25S3C2410B微處理器性能電源：內(nèi)核1.8V，外圍3.3VSDRAM控制器LCD控制器：STN和TFT4路DMA,3路串口8路（10位）ADC和觸摸屏控制接RTC功能主頻高達(dá)200M支持MMC、SMC卡2路USBHost,USBDevice(ver1.1)4路PWM和1路內(nèi)部定時(shí)器看門狗電路117路I/O，24路外部中斷272管腳FBGA封裝262）內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

內(nèi)部原理框圖如下：27

ARM920T支持7種操作模式，可以由軟件配置，分別如下：Usermode(usr)：正常程序執(zhí)行模式；FIQmode(fiq) ：支持快速數(shù)據(jù)傳送和通道處理；IRQmode(irq) ：用于通用中斷處理；Supervisormode(svc) ：操作系統(tǒng)保護(hù)模式；Systemmode(sys) ：運(yùn)行特權(quán)模式操作系統(tǒng)任務(wù)；Abortmode(abt)：數(shù)據(jù)或指令預(yù)取失效后進(jìn)入的狀態(tài)；Undefinedmode(und) ：執(zhí)行未定義的指令時(shí)進(jìn)入的模式。對(duì)這些操作模式的支持，使得ARM可以支持虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制，支持多種特權(quán)模式，從而可以運(yùn)行多種主流的嵌入式操作系統(tǒng)。ARM920T寄存器定義：28

ARM微處理器中共定義了37個(gè)編程可見寄存器，每個(gè)寄存器的長(zhǎng)度均為32位。根據(jù)不同的用途，可將其劃分為以下幾類:1)30個(gè)通用寄存器在任意一種處理器模式下，只有15個(gè)通用寄存器可以使用，編號(hào)分別為r0,…,r14。其中，r13一般作為堆棧指針寄存器(SP:StackPointer)。該寄存器由ARM編譯器自動(dòng)使用。r14一般作為鏈接寄存器(LR:LinkRegister)。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生子程序調(diào)用時(shí)，用r14來(lái)記錄返回地址。如果返回地址已經(jīng)保存在堆棧中，則該寄存器也可以用于其它用途。2)程序指針(PC:ProgramCounter)PC即為r15，用于記錄程序當(dāng)前的運(yùn)行地址。ARM處理器每執(zhí)行一條指令，都會(huì)把PC增加4字節(jié)(Thumb模式為兩個(gè)字節(jié))。此外，相應(yīng)的分支指令(如BL等)也會(huì)改變PC的值。293)當(dāng)前處理器狀態(tài)寄存器(CPSR:CurrentProgramStatusResister)

CPSR用于存儲(chǔ)條件碼。各種模式公用該寄存器4)狀態(tài)備份寄存器(SPSR:SavedProgramStatusResister)SPSR寄存器主要是在處理器異常發(fā)生時(shí)，用來(lái)保存CPSR(CurrentProgramStatusResister)。每一種處理器模式下將使用一個(gè)SPSR來(lái)保存CPSR，而用戶模式和系統(tǒng)模式下不需要SPSR，因?yàn)樵撃Ｊ较虏粫?huì)發(fā)生異常。ARM高級(jí)中斷控制器有8種優(yōu)先控制權(quán)，可屏蔽特定中斷源，提供中斷向量控制器，同時(shí)可以接受32個(gè)中斷源請(qǐng)求，ARM中斷體系充分減少中斷響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。30

S3C2410集成了一個(gè)LCD控制器（支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏）、SDRAM控制器、NANDFlash控制器、3個(gè)通道的UART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道的10位ADC。S3C2410還有很多豐富的外部接口，例如觸摸屏接口、IIC總線接口、IIS總線接口、兩個(gè)USB主機(jī)接口、一個(gè)USB設(shè)備接口、兩個(gè)SPI接口、SD接口和MMC卡接口。在時(shí)鐘方面S3C2410也有突出的特點(diǎn)，該芯片集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，能夠使處理器工作頻率最高達(dá)到203MHz（內(nèi)核電壓增加到2.0V時(shí)最高