《基于S3C2440的嵌入式Linux開發(fā)實(shí)例》課件第2章

2.1嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類型2.2ARM9微處理器簡介2.1.1嵌入式微處理器的分類

嵌入式微處理器是指應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的微處理器。如圖2-1所示，嵌入式硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲器和輸入/輸出部分組成。其中嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心，通常由三大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。2.1嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類型圖2-1嵌入式硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)各部分的主要功能如下：

●控制單元：主要負(fù)責(zé)取指、譯碼和取操作數(shù)等基本動作，并發(fā)送主要的控制指令。

●算術(shù)邏輯單元：算術(shù)邏輯單元分為兩部分，一部分是算術(shù)運(yùn)算單元，主要處理數(shù)值型的數(shù)據(jù)。

●寄存器：用于存儲暫時性的數(shù)據(jù)。主要是指從存儲器中所得到的數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)被送到算術(shù)邏輯單元中進(jìn)行處理)和算術(shù)邏輯單元中處理好的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算或存入到存儲器中。如果根據(jù)嵌入式微處理器用途，可分為以下幾類：

(1)嵌入式微控制器(MCU)，又稱為單片機(jī)。

(2)嵌入式微處理器(EMPU)。

(3)嵌入式DSP處理器。

(4)嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)。它是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。2.1.2典型32位ARM微處理器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1．ARM處理器

1)?ARM概述

(1)?ARM7系列處理器。

(2)?ARM9系列處理器。

(3)?ARM9E系列處理器。

(4)?ARM10E系列處理器。

(5)?ARM11系列處理器。

(6)?SecurCore系列處理器。

(7)?OptimoDE。OptimoDE數(shù)據(jù)引擎內(nèi)核采用VLIW體系結(jié)構(gòu)，擁有一個完整的用戶自定義數(shù)據(jù)通道。

(8)?MPCore。MPCore支持多達(dá)四路緩存的協(xié)同式對稱多任務(wù)處理(Four-wayCacheCoherentSynuntricMultiprocessing，SMP)、多達(dá)四路的非對稱多任務(wù)處理(Four-WayAsymmetricMultinrocessing，AMP)，或以上兩種模式的混合。

(9)?StrongARM/Xscale系列處理器。

Xscale是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款性能全、性價比高、功耗低的處理器，支持32位的Thumb指令和DSP指令集，主要應(yīng)用在數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場合。

2)?ARM的數(shù)據(jù)類型

●字(Word)

●半字(Half-word)

●字節(jié)(Byte)

3)?ARM的運(yùn)行模式

ARM處理器有7種運(yùn)行模式，如表2-1所示。大多數(shù)應(yīng)用程序在User模式下執(zhí)行，當(dāng)出現(xiàn)特定的異常時，進(jìn)入相應(yīng)的6種異常模式之一。每種模式都有某些附加的寄存器保存相應(yīng)的狀態(tài)。除User模式外，其他模式都被稱為特權(quán)模式，可以存取系統(tǒng)中的任何資源。

表2-1ARM處理器的7種運(yùn)行模式

4)寄存器結(jié)構(gòu)

ARM微處理器共有37個32位寄存器，其中31個為通用寄存器，6個為狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能被同時訪問，具體哪些寄存器是可編程訪問的，取決于微處理器的工作狀態(tài)及具體的運(yùn)行模式。(1)通用寄存器R0～R15。

●未分組的寄存器R0～R7。

●分組的寄存器R8～R14。

●程序計(jì)數(shù)器R15(或者PC)。

(2)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR。CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)在所有的模式下都是可以讀/寫的。它主要包含條件標(biāo)志、中斷標(biāo)志、當(dāng)前處理器的模式、其他的一些狀態(tài)和控制標(biāo)志。CPSR的格式如下：●條件標(biāo)志包括N，Z，C，V。

●中斷標(biāo)志包括I，F(xiàn)。

●?ARM/Thumb控制標(biāo)志T。

●模式控制位M0～M4，見表2-2。表2-2模式控制位M0～M4

5)指令集

一個CPU的指令集是硬件和軟件之間的一個重要的分水嶺。根據(jù)分層的思想，指令集向上要支持編譯器，向下要方便硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

它有以下特點(diǎn)：

●所有ARM指令都是32位定長，在內(nèi)存中以4字節(jié)邊界保存(地址最后兩位為0)，這樣方便譯碼電路和流水線的實(shí)現(xiàn)。●?Load-Store體系結(jié)構(gòu)。

●由于硬件上有桶形(barrel)移位器，?所以ARM可以在一條指令中用一個指令周期完成一個移位操作和一個ALU(算術(shù)邏輯)操作。

●任何指令的高4位都是條件指示位，根據(jù)CPSR中的N，Z，C，V決定該指令是否執(zhí)行。

●具有功能很強(qiáng)的加載和存儲(Load-Store)多個寄存器的指令：LDM和STM。當(dāng)發(fā)生過程調(diào)用或中斷處理時，只用一條指令就能把當(dāng)前多個寄存器的內(nèi)容保護(hù)到內(nèi)存堆棧中。

6)異常

異常是由內(nèi)部或外部原因引起。對X86CPU，當(dāng)有異常發(fā)生時，CPU首先到指定的向量地址讀取要執(zhí)行的程序的地址，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的地址并執(zhí)行程序；而對于ARMCPU，當(dāng)有異常發(fā)生時CPU是到向量地址的地方讀取指令并執(zhí)行，也就是ARM的向量地址處存放的是一條指令(一般是一條跳轉(zhuǎn)指令)。

ARM將引起異常的類型分為7種，如表2-3所列。表2-3ARM的異常類型

7)內(nèi)存和I/O地址

ARM的尋址空間是線性地址空間，最大為4?GB。

I/O端口的編址方法即地址安排方式有兩種：I/O映射編址和存儲器映射編址。

(1)?I/O映射編址。如圖2-2所示，I/O映射編址采用I/O端口與內(nèi)存單元分開編址，互不影響。

(2)存儲器映射編址。如圖2-3所示，存儲器映射編址采用I/O端口的地址與內(nèi)存地址統(tǒng)一編址方式，I/O單元與內(nèi)存單元在共享同一地址空間。這種編址方式不區(qū)分存儲器地址空間和I/O端口地址空間，把所有的I/O端口都當(dāng)做是存儲器的一個單元對待，每個接口芯片都安排一個或幾個與存儲器統(tǒng)一編號的地址號。圖2-2I/O映射編址方式

圖2-3存儲器映射編址方式

2．IntelXScalePXA270處理器

IntelXScalePXA270微處理器提供了一種全新的、高性價比、低功耗且基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP擴(kuò)充，是Intel公司的StRongARM系列處理器的升級換代產(chǎn)品。其特點(diǎn)如下：

●?Intel7～8級超流水線結(jié)構(gòu)帶來的高性能和超低功耗；

●?Intel動態(tài)電壓管理，可以動態(tài)管理芯片電壓和時鐘頻率，讓使用者可以在功耗和性能上取得平衡；

●?Intel媒體處理技術(shù)，可有效處理多媒體指令；●?128個跳轉(zhuǎn)指令目的地址緩存可存儲跳轉(zhuǎn)指令的目的地，讓指令預(yù)取和指令流水線獲得更高效率；

●?32KB數(shù)據(jù)緩存和指令緩存；調(diào)試單元擁有硬件中斷功能，可存儲256個斷點(diǎn)位置；

●64位內(nèi)核內(nèi)存數(shù)據(jù)寬度，可以讓內(nèi)核在600?MHz時鐘頻率下獲得4.8?GB/s的高速數(shù)流。

IntelPXA270處理器是針對高端便攜式手持設(shè)備及工業(yè)設(shè)備推出的一款高性能、低功耗、功能強(qiáng)大的嵌入式SOC微處理器產(chǎn)品；PXA270的QuickCapture技術(shù)使其能夠拍攝高達(dá)400萬像素的圖像和視頻，并支持低功耗、實(shí)時的回放處理；支持24位色的LCD顯示，具有256?KB的片上SRAM幀緩沖，和QuickCapture一起加速了圖像的回放；支持Intel專用的無線加Speedstep動態(tài)電源管理技術(shù)，使處理器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同電源狀況，自動切換工作頻率和電壓，從而實(shí)現(xiàn)嵌入的、智能的電源管理。

PXA270處理器加入了wirelessMMX技術(shù)和Speedstep動態(tài)電源管理技術(shù)，不但增強(qiáng)了PXA270的媒體處理能力，而且極大地降低了系統(tǒng)功耗，延長便攜產(chǎn)品的電池壽命。PXA270的QuickCapture技術(shù)最大可支持400萬像素的CCD攝像頭，數(shù)碼攝像功能強(qiáng)大；且具備3D加速功能，滿足了游戲應(yīng)用；支持LAN接口，可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用?！?WirelessMMX。

●?QuickCapture。

●?SpeedStep。SpeedStep技術(shù)原用于Intel移動處理器。

PXA270處理器支持專用的無線SpeedStep技術(shù)，這種技術(shù)可以使處理器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同電源狀況，自動切換工作頻率和電壓。2.2.1ARM9與ARM7處理器的比較

與ARM7TDMI相比，ARM9TDMI核將處理器的功能顯著提高到更高、更強(qiáng)的水平。ARM9TDMI也支持Thumb指令集，并支持片上調(diào)試。流水線操作如圖2-4所示。2.2ARM9微處理器簡介圖2-4ARM7的流水線操作到ARM7為止，上述的3級流水線性價比很高，隨著對性能要求不斷提高，使用原有的3級流水線無法滿足要求，因此ARM9處理器使用了5級流水線。5級流水線具體如下：

●取指：從存儲器中取出指令，并將其放入指令流水線。

●譯碼：對指令進(jìn)行譯碼。

●執(zhí)行：把一個操作數(shù)移位，產(chǎn)生ALU的結(jié)果。

●緩沖/數(shù)據(jù)：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲器；否則ALU的結(jié)果只是簡單地緩沖一個時鐘周期，以便所有的指令具有同樣的流水線流程。

●回寫：將指令產(chǎn)生的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括任何從存儲器中讀取的數(shù)據(jù)。

圖2-5比較了ARM7的3級流水線和ARM9的5級流水線。圖2-5ARM7和ARM9流水線操作對比2.2.2三星S3C2440XARM9處理器基礎(chǔ)

EY-2440-S的CPU為ARM920T內(nèi)核的三星S3C2440芯片，由于有MMU可以運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的ARM-LINUX內(nèi)核。?EY-2440-S及相關(guān)產(chǎn)品的資料可以訪問博創(chuàng)公司的網(wǎng)站獲得。

EY-2440-S開發(fā)箱的硬件配置如表2-4所示。表2-4UP-NetARM2440-S的硬件配置

ARM920T核由ARM9TDMI、?存儲管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。

在時鐘方面，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時鐘，能夠使處理器工作頻率最高