2014-3-嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與開發(fā)-指令系統(tǒng)與IO接口資料

嵌入式系統(tǒng)體系構(gòu)造與開發(fā)

嵌入式處理器ARM指令系統(tǒng)ARM體系的構(gòu)造版本ARM體系的構(gòu)造版本ARM體系構(gòu)造共有6個(gè)版本，版本號(hào)1-6指令集功能不斷擴(kuò)大特定功能：T——支持Thumb指令集M——支持長(zhǎng)乘法指令E——支持增加型DSP指令J——javaSIMD——ARM媒體功能擴(kuò)展ARM微處理器工作模式與存放器ARM微處理器指令集ARMTHUMBARM微處理器工作模式用戶模式特權(quán)模式〔系統(tǒng)模式與特殊模式〕模式切換存放器組織存放器定義模式與存放器ARM與THUMB從編程的角度看，ARM微處理器有兩種指令集，可在兩種指令集之間切換：ARM指令集，處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令；Thumb指令集，處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊Thumb指令。THUMB指令是ARM指令的子集可以相互調(diào)用，只要遵循確定的調(diào)用規(guī)章Thumb指令與ARM指令的時(shí)間效率和空間效率關(guān)系為:存儲(chǔ)空間約為ARM代碼的60％～70％指令數(shù)比ARM代碼多約30％～40％存儲(chǔ)器為32位時(shí)，ARM代碼比Thumb代碼快約40％存儲(chǔ)器為16位時(shí)，Thumb比ARM代碼快約40～50％使用Thumb代碼，存儲(chǔ)器的功耗會(huì)降低約30％ARM與THUMB指令指令切換方法ARM指令集和Thumb指令集均有切換處理器狀態(tài)的指令，在開頭執(zhí)行代碼時(shí)，應(yīng)當(dāng)處于ARM指令集指令集切換分狀態(tài)位設(shè)置和特殊處理兩種進(jìn)入Thumb指令當(dāng)操作數(shù)存放器的狀態(tài)位〔位0〕為1時(shí)，承受執(zhí)行BX指令的方法，使微處理器從ARM指令集切換到Thumb指令集當(dāng)處理器處于Thumb指令時(shí)，發(fā)生特殊〔如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等〕，則特殊處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到Thumb指令。切換到ARM指令當(dāng)操作數(shù)存放器的狀態(tài)位〔位0〕為0時(shí)，執(zhí)行BX指令時(shí)可以使微處理器從Thumb切換到ARM在處理器進(jìn)展特殊處理時(shí)，把PC指針放入特殊模式鏈接存放器中，并從特殊向量地址開頭執(zhí)行程序，也可以使處理器切換到ARM。ARM微處理器運(yùn)行模式User模式用戶程序不能訪問有些受疼惜的資源只能通過特殊的形式來轉(zhuǎn)變CPU的當(dāng)前運(yùn)行模式特權(quán)模式可以存取系統(tǒng)中的任何資源System模式系統(tǒng)模式與User模式的運(yùn)行環(huán)境一樣但是它可以不受任何限制的訪問任何資源該模式主要用于運(yùn)行系統(tǒng)中的一些特權(quán)任務(wù)FIQ模式IRQ模式Supervisor模式Abort模式Undefined模式特殊模式：主要是在外部中斷或者程序執(zhí)行非法操作時(shí)會(huì)觸發(fā)用戶模式處理器模式用戶模式。usr：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)特權(quán)模式〔特殊模式〕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)使用的疼惜模式abt：用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)疼惜und：當(dāng)消逝未定義指令終止時(shí)進(jìn)入該模式sys：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)ARM微處理器運(yùn)行模式ARM處理器運(yùn)行模式圖ARM微處理器的指令系統(tǒng)

ARM微處理器的指令集是加載/存儲(chǔ)型的指令集僅能處理存放器中的數(shù)據(jù)，處理結(jié)果都要放回存放器中對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)器的訪問則需要通過特地的加載/存儲(chǔ)指令來完成。ARM微處理器的指令集可以分為六大類跳轉(zhuǎn)指令數(shù)據(jù)處理指令程序狀態(tài)存放器〔PSR〕處理指令加載/存儲(chǔ)指令協(xié)處理器指令和特殊產(chǎn)生指令OpCode指令助記符Cond:執(zhí)行條件S:是否影響狀態(tài)存放器Rd:目標(biāo)存放器Rn:第1個(gè)操作數(shù)存放器Operand2:第2個(gè)操作數(shù)ARM指令根本語(yǔ)法格式<Opcode>{<Cond>}{S}<Rd><Rn>{,<Operand2>}例子LDR R0，[R1] ;無條件執(zhí)行BEQ LOOP ；等于條件ADDSR2，R2,#1 ；影響狀態(tài)位，R2<-R2+1指令編碼格式ARM指令編碼構(gòu)造——條件域ARM指令編碼的條件域當(dāng)處理器工作在ARM狀態(tài)時(shí)，幾乎全部的指令均依據(jù)CPSR中條件碼的狀態(tài)和指令的條件域有條件的執(zhí)行。當(dāng)指令的執(zhí)行條件滿足時(shí)，指令被執(zhí)行，否則指令被無視。每一條ARM指令包含4位的條件碼，位于指令的最高4位[31:28]。條件碼共有16種，每種條件碼可用兩個(gè)字符表示，這兩個(gè)字符可以添加在指令助記符的后面和指令同時(shí)使用。例如，跳轉(zhuǎn)指令B可以加上后綴EQ變?yōu)锽EQ表示“相等則跳轉(zhuǎn)”，即當(dāng)CPSR中的Z標(biāo)志置位時(shí)發(fā)生跳轉(zhuǎn)。ARM指令編碼的條件域條件編碼條件碼后綴標(biāo)志含義0000EQZ置位相等0001NEZ清零不相等0010CSC置位無符號(hào)數(shù)大于或等于0011CCC清零無符號(hào)數(shù)小于0100MIN置位負(fù)數(shù)0101PLN清零正數(shù)或零0110VSV置位溢出0111VCV清零未溢出ARM指令編碼的條件域條件編碼條件碼后綴標(biāo)志含義1001LSC清零Z置位無符號(hào)數(shù)小于或等于1010GEN等于V帶符號(hào)數(shù)大于或等于1011LTN不等于V帶符號(hào)數(shù)小于1100GTZ清零且（N等于V）帶符號(hào)數(shù)大于1101LEZ置位或（N不等于V）帶符號(hào)數(shù)小于或等于1110AL忽略無條件執(zhí)行ARM微處理器指令表-1助記符指令功能描述ADC帶進(jìn)位加法指令A(yù)DD加法指令A(yù)ND邏輯與指令B跳轉(zhuǎn)指令BIC位清零指令BL帶返回的跳轉(zhuǎn)指令BLX帶返回和狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令BX帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令A(yù)RM微處理器指令表-2助記符指令功能描述CDP協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作指令CMN比較反值指令CMP比較指令EOR異或指令LDC存儲(chǔ)器到協(xié)處理器的數(shù)據(jù)傳輸指令LDM加載多個(gè)寄存器指令LDR存儲(chǔ)器到寄存器的數(shù)據(jù)傳輸指令MCRARM寄存器到協(xié)處理器寄存器數(shù)據(jù)傳輸ARM微處理器指令表-3助記符指令功能描述MLA乘加運(yùn)算指令MOV數(shù)據(jù)傳送指令MRC協(xié)處理器寄存器到ARM寄存器數(shù)據(jù)傳輸MRS傳送CPSR或SPSR的內(nèi)容到通用寄存器MSR傳送通用寄存器到CPSR或SPSR的指令MUL32位乘法指令MLA32位乘加指令MVN數(shù)據(jù)取反傳送指令A(yù)RM微處理器指令表-4助記符指令功能描述ORR邏輯或指令RSB逆向減法指令RSC帶借位的逆向減法指令SBC帶借位減法指令STC協(xié)處理器寄存器寫入存儲(chǔ)器指令STM批量?jī)?nèi)存字寫入指令STR寄存器到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸指令SUB減法指令A(yù)RM微處理器指令表-5助記符指令功能描述SWI軟件中斷指令SWP交換指令TEQ相等測(cè)試指令TST位測(cè)試指令A(yù)RM尋址方式ARM尋址方式馬上尋址存放器尋址存放器間接尋址基址變址尋址多存放器尋址相對(duì)尋址堆棧尋址ARM指令的尋址方式ARM指令系統(tǒng)支持如下幾種常見的尋址方式：馬上尋址存放器尋址存放器間接尋址基址變址尋址多存放器尋址相對(duì)尋址堆棧尋址ARM指令的尋址方式-馬上尋址馬上尋址操作數(shù)本身就在指令中給出，只要取出指令也就取到了操作數(shù)。這個(gè)操作數(shù)被稱為馬上數(shù)。例如以下指令：ADDR0，R0，＃1 /*R0←R0＋1*/ADDR0，R0，＃0x3f /*R0←R0＋0x3f*/馬上操作數(shù)在以上兩條指令中，其次個(gè)源操作數(shù)即為馬上數(shù)，要求以“?！睘榍熬Y，對(duì)于以十六進(jìn)制表示的馬上數(shù)，還要求在“＃”后加上“0x”。ARM指令的尋址方式-存放器尋址存放器尋址利用存放器中的數(shù)值作為操作數(shù)，這種尋址方式是各類微處理器常常承受的一種方式，也是一種執(zhí)行效率較高的尋址方式。以下指令： ADD R0，R1，R2 /*R0←R1＋R2*/該指令的執(zhí)行效果是將存放器R1和R2的內(nèi)容相加，其結(jié)果存放在存放器R0中。ARM指令的尋址方式-存放器間接尋址存放器間接尋址以存放器中的值作為操作數(shù)的地址，而操作數(shù)本身存放在存儲(chǔ)器中。例如以下指令：ADDR0，R1，[R2] /*R0←R1＋[R2]*/LDR R0，[R1] /*R0←[R1]*/STR R0，[R1] /*[R1]←R0*/第一條指令中，以存放器R2的值作為操作數(shù)的地址，在存儲(chǔ)器中取得一個(gè)操作數(shù)后與R1相加，結(jié)果存入存放器R0中;其次條指令將以R1的值為地址的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳送到R0中。第三條指令將R0的值傳送到以R1的值為地址的存儲(chǔ)器中。ARM指令的尋址方式-基址變址尋址

基址變址尋址將基址存放器的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到一個(gè)操作數(shù)的有效地址。變址尋址方式常用于訪問某基地址四周的地址單元。承受變址尋址方式的指令常見有以下幾種形式，如下所示： LDRR0，[R1，＃4] ；R0←[R1＋4] LDRR0，[R1，＃4]！ ；R0←[R1＋4]、R1←R1＋4 LDRR0，[R1]，＃4 ；R0←[R1]、R1←R1＋4 LDRR0，[R1，R2] ；R0←[R1＋R2]在第一條指令中，將存放器R1的內(nèi)容加上4形成操作數(shù)的有效地址，從而取得操作數(shù)存入存放器R0中。在其次條指令中，將存放器R1的內(nèi)容加上4形成操作數(shù)的有效地址，從而取得操作數(shù)存入存放器R0中，然后，R1的內(nèi)容自增4個(gè)字節(jié)。在第三條指令中，以存放器R1的內(nèi)容作為操作數(shù)的有效地址，從而取得操作數(shù)存入存放器R0中，然后，R1的內(nèi)容自增4個(gè)字節(jié)。在第四條指令中，將存放器R1的內(nèi)容加上存放器R2的內(nèi)容形成操作數(shù)的有效地址，從而取得操作數(shù)存入存放器R0中。ARM指令的尋址方式-多存放器尋址多存放器尋址方式，一條指令可以完成多個(gè)存放器值的傳送。這種尋址方式可以用一條指令完成傳送最多16個(gè)通用存放器的值。以下指令： LDMIAR0，{R1，R2，R3，R4} ；R1←[R0] ；R2←[R0＋4] ；R3←[R0＋8] ；R4←[R0＋12]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，因此，指令可將連續(xù)存儲(chǔ)單元的值傳送到R1～R4。STMIAR0!,{R1-R4}；[R0]←R1 ；[R0+4]←R2 ；[R0＋8]←R3 ；[R0＋12]←R4ARM指令的尋址方式-相對(duì)尋址

與基址變址尋址方式相類似，相對(duì)尋址以程序計(jì)數(shù)器PC的當(dāng)前值為基地址，指令中的地址標(biāo)號(hào)作為偏移量，將兩者相加之后得到操作數(shù)的有效地址。以下程序段完成子程序的調(diào)用和返回，跳轉(zhuǎn)指令BL承受了相對(duì)尋址方式：

BLNEXT ；跳轉(zhuǎn)到子程序NEXT處執(zhí)行 …… NEXT …… MOV PC，LR ；從子程序返回ARM指令的尋址方式-堆棧尋址

堆棧是一種數(shù)據(jù)構(gòu)造，按先進(jìn)后出〔FirstInLastOut，F(xiàn)ILO〕的方式工作，使用一個(gè)稱作堆棧指針的專用存放器指示當(dāng)前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。當(dāng)堆棧指針指向最終壓入堆棧的數(shù)據(jù)時(shí)，稱為滿堆棧〔FullStack〕，而當(dāng)堆棧指針指向下一個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置時(shí)，稱為空堆棧〔EmptyStack〕。ARM指令的尋址方式-堆棧尋址堆棧的生成方式：遞增堆?！睞scendingStack〕當(dāng)堆棧由低地址向高地址生成時(shí)，稱為遞增堆棧；遞減堆?！睤ecendingStack〕，當(dāng)堆棧由高地址向低地址生成時(shí)，稱為遞減堆棧。四種類型的堆棧工作方式：滿遞增堆棧：堆棧指針指向最終壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生成。滿遞減堆棧：堆棧指針指向最終壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生成?？者f增堆棧：堆棧指針指向下一個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生成?？者f減堆棧：堆棧指針指向下一個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生成ARM偽指令A(yù)RM偽指令數(shù)據(jù)定義偽指令把握偽指令地址加載偽指令聲明引用段域偽指令A(yù)RM的偽指令定義數(shù)據(jù)偽指令DCB安排連續(xù)的字節(jié)存儲(chǔ)單元，并設(shè)置初值DCW/DCWU安排連續(xù)的半字存儲(chǔ)單元，并設(shè)置初值DCD/DCDU安排連續(xù)的字存儲(chǔ)單元，并設(shè)置初值DCQ/DCQU安排8字節(jié)為塊存儲(chǔ)單元，并設(shè)置初值DCFS/DCFSU為單精度浮點(diǎn)數(shù)安排連續(xù)存儲(chǔ)單元，并設(shè)置初值DCFD/DCFDU為雙精度浮點(diǎn)數(shù)安排連續(xù)的字存儲(chǔ)單元，并設(shè)置初值SPACE安排一塊連續(xù)的存儲(chǔ)單元FIELD安排一塊連續(xù)的存儲(chǔ)單元MAP定義一個(gè)構(gòu)造化的內(nèi)存表的首地址ARM的偽指令把握偽指令I(lǐng)F指令序列ELSE指令序列ENDIF條件編譯指令WHILEWEND條件循環(huán)執(zhí)行指令地址加載偽指令A(yù)DR 小范圍的地址讀取ADRL 中范圍的地址讀取LDR 大范圍的地址讀取NOPARM的偽指令聲明引用EQU定義字符名稱EXPORT聲明全局標(biāo)號(hào)IMPORT在其他源文件中定義標(biāo)號(hào)EXTERN在其他源文件中定義標(biāo)號(hào)GET(或Include)包含源文件指令I(lǐng)NCBIN包含目標(biāo)文件和數(shù)據(jù)文件包指令RN定義存放器別名ROUT定義局部變量的作用范圍ARM的偽指令段域偽指令FILED和MAP構(gòu)造化內(nèi)存表中的數(shù)據(jù)域指令A(yù)REA定義代碼段和數(shù)據(jù)段指令CODE：代碼段DATA：數(shù)據(jù)段READONLYREADWRITEALIGNCOMMON:通用段ALIGN對(duì)齊指令CODE16和CODE32指示指令序列類型指令ENTRY指定入口點(diǎn)指令END應(yīng)用程序結(jié)尾指令程序舉例ENTRYstartMOVR0,#0xFFMOVR1,#0xEF000000MOVR2,#0x2F000000MOVR3,#0xFFADDR4,R2,R1 ；不轉(zhuǎn)變狀態(tài)位,R4=0X1E000000ADDS R5,R2,R1 ；轉(zhuǎn)變狀態(tài)位CPSR=0x2023003d,結(jié)果不變ADCSR6,R2,R1 ;結(jié)果R4=0X1E000001,SUBR4,R2,R1 ；不轉(zhuǎn)變狀態(tài)位,R4=0X40000000SUBSR4,R2,R1 ;轉(zhuǎn)變狀態(tài)位CPSR=0x0000003dRSBR5,R2,R1 ;R5=0XC0000000RSBSR5,R2,R1 ;轉(zhuǎn)變狀態(tài)位CPSR=0xA000003dSBCR6,R1,R2 ;R6=0XC0000000RSCR7,R1,R2 ;R7=0x40000000,不轉(zhuǎn)變狀態(tài)位stopBstopEND2GPIOI/O定義ARM中的I/O接口定義2410硬件上的引線系統(tǒng)上的可編程存放器程序上的應(yīng)用各類接口的定義接口的主要功能硬件上信號(hào)線可編程硬件存放器應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)各類接口的程序組織系統(tǒng)局部公共局部共性局部ARM中的I/O接口定義ARM中的I/O接口定義2410硬件上的引線系統(tǒng)上的可編程存放器程序上的應(yīng)用2410硬件上的引線有117個(gè)通用的IO接口PROTA(23)PROTB(11)PROTC(16)PROTD(16)PROTE(16)PROTF(8)PROTG(16)PROTH(11)ARM公司將每個(gè)IO接口作成復(fù)用信號(hào)線見圖Mini2410P1-3每個(gè)應(yīng)用可以依據(jù)實(shí)際狀況選用PortA組的引腳功能PortB組的引腳功能PortC組的引腳功能PortD組的引腳功能PortE組的引腳功能PortF組的引腳功能PortG組的引腳功能PortH組的引腳功能系統(tǒng)上的可編程存放器可編程的幾種存放器接口配置存放器PORTCONFIGURATIONREGISTER(GPACON-GPHCON)接口數(shù)據(jù)存放器PORTDATAREGISTER(GPADAT-GPHDAT)接口上拉存放器PORTPULL-UPREGISTER(GPBUP-GPHUP)雜項(xiàng)存放器MISCELLANEOUSCONTROLREGISTER外部中斷把握存放器EXTERNALINTERRUPTCONTROLREGISTER(EXTINTN)電源關(guān)閉模式和I/O接口POWER_OFFMODEANDI/OPORTS通用狀態(tài)存放器GENERALSTATUSREGISTER(GSTATUSn)系統(tǒng)上的可編程存放器可編程的幾種存放器地址GPX每組有四個(gè)可編程存放器:CON,DAT,UP,RESERVED地址連續(xù):00,04,08,0C分組存放器編址PortA0X56000000-0X5600000CPortB0X56000010-0X5600001CPortC0X56000020-0X5600002CPortD0X56000030-0X5600003CPortE0X56000040-0X5600004CPortF0X56000050-0X5600005CPortG0X56000060-0X5600006CPortH0X56000070-0X5600007C接口配置存放器(GPACON)0X56000000只有輸出地址線接口配置存放器(GPB-HCON)0X56000010輸入輸出專用信號(hào)線保存接口數(shù)據(jù)存放器(GPADAT-GPHDAT)0X560000X4接口數(shù)據(jù)存放器定義引腳被定義為輸出時(shí),數(shù)據(jù)存放器作為輸出鎖存引腳被定義為輸入時(shí),數(shù)據(jù)存放器作為輸入鎖存引腳被定義為專用功能時(shí),數(shù)據(jù)存放器依據(jù)功能線定義留意:輸出數(shù)據(jù)是寫入的把握命令或數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)是讀入的狀態(tài)或數(shù)據(jù)接口上拉存放器(GPBUP-GPHUP)X560000X8上拉存放器當(dāng)相應(yīng)的位為=0時(shí),表示該位上拉信號(hào)使能當(dāng)相應(yīng)的位為=1時(shí),表示該位上拉信號(hào)無效留意上拉是為引腳供給電流假設(shè)不使用上拉,需要外接上拉電壓來供給電流接口雜項(xiàng)存放器(MISCELLANEOUS)X56000080程序上的定義定義存放器名和端口地址定義2410addr.h初始化存放器端口初值2410lib.Cvoidport_init(void)正常調(diào)用關(guān)系MainSysInitport_initAPP_TEST系統(tǒng)初始化voidsys_init{ change_clock_divider(1,1); //1:2:4 change_value_MPLL(M_MDIV,M_PDIV,M_SDIV); //Fin=12MHzFCLK=202.8MHz delay(0); //adjustthedelaycount port_init; interrupts_init; uart_init(PCLK,115200,UART0); uart_init(PCLK,115200,UART1); uart_init(PCLK,115200,UART2);#ifdefCLK124_200M change_value_MPLL(88,1,1); //Fin=12MHzFCLK=192MHz uart_init(192023000/4,115200,UART0); uart_init(192023000/4,115200,UART1);#endif uart_select(UART1); print_infor; delay(500);}port_init(void)voidport_init(void){//CAUTION:Followtheconfigurationorderforsettingtheports.//1)settingcontrolregister(GPnCON)//*(bitn)--meansthispinnotuseoncircuit,andsetasdefaultfunction//2)configurepull-upresistor(GPnUP)//3)settingvalue(GPnDAT)//===PORTAGROUPrGPACON=0x5fbfff;//===*PORTBGROUP//Ports:GPB10GPB9GPB8GPB7GPB6GPB5GPB4GPB3GPB2GPB1GPB0//Signal:GPB10GPB9GPB8GPB7GPB6DIS_OFFL3CLOCKL3DATAL3MODEPWM2PWM1//Setting:OutputOutputOutputOutputOutputOutputOutputOutputOutputTOUT1TOUT0//Binary:01,01*01,*01*01,0101,0101,1010

rGPBCON=0x155559;……各類接口的定義各類接口的定義接口的主要功能硬件上信號(hào)線可編程硬件存放器應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)接口功能接口功能系統(tǒng)板上信號(hào)指示燈三個(gè)指示燈接在鎖存器的D2-D0上電路引腳電路關(guān)系CPLD-138-或門-8D輸出鎖存器CPLD選通信號(hào)線EXCS:A25-A21(01000)3-8譯碼器片選使能接EXCS,3-8譯碼器譯碼信號(hào)ABC:A20-A18(110),~Y6輸出輸出鎖存器的數(shù)據(jù)接LED負(fù)端,正端接上拉電阻~Y6和~WE信號(hào)或作用輸出鎖存器LED屬于無條件輸出,輸出地址A25-A18=010001100000000000000000