ARM体系结构及常用接口简介解析.ppt

1 第二章ARM体系结构及常用接口简介 ARM AdvancedRISCMachines 2 ARM AdvancedRISCMachines 既可以认为是一个公司的名字 也可以认为是对一类微处理器的通称 还可以认为是一种技术的名字 ARM技术的应用领域及特点 1991年ARM公司成立于英国剑桥 主要出售芯片设计技术的授权 精简指令集系统RISC ReducedInstructionSetComputer 复杂指令集系统CISC ComplexInstructionSetComputer ARM公司的Chipless模式 3 世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核 根据各自不同的应用领域 加入适当的外围电路 从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场 ARM技术的应用领域及特点 基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75 以上的市场份额 ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面 我国的中兴集成电路 大唐电讯 中芯国际和上海华虹 以及国外的一些公司如德州仪器 意法半导体 Philips Intel Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器 ARM微处理器的特点 低功耗 低成本 高性能 4 采用RISC指令集 ARM技术的应用领域及特点 使用大量的寄存器 ARM THUMB指令支持 三 五级流水线 ARM微处理器的特点 采用RISC体系结构 5 ARM技术的应用领域及特点 采用RISC架构的ARM处理器一般具有如下特点 固定长度的指令格式 指令归整 简单 基本寻址方式有2 3种 使用单周期指令 便于流水线操作执行 大量使用寄存器 数据处理指令只对寄存器进行操作 只有加载 存储指令可以访问存储器 以提高指令的执行效率 ARM微处理器的特点 大量使用寄存器 6 ARM技术的应用领域及特点 ARM处理器共有37个寄存器 被分为若干个组 这些寄存器包括 31个通用寄存器 包括程序计数器 PC指针 均为32位的寄存器 6个状态寄存器 用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态 均为32位 ARM微处理器的特点 高效的指令系统 7 ARM技术的应用领域及特点 ARM微处理器支持两种指令集 ARM指令集和Thumb指令集 ARM指令为32位的长度 Thumb指令为16位长度 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集 但与等价的ARM代码相比较 可节省30 40 以上的存储空间 同时具备32位代码的所有优点 ARM微处理器的特点 其他技术 8 ARM技术的应用领域及特点 除此以外 ARM体系结构还采用了一些特别的技术 在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积 并降低功耗 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行 从而提高指令的执行效率 可用加载 存储指令批量传输数据 以提高数据的传输效率 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率 ARM微处理器系列 9 ARM微处理器系列 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的Xscale 其中 ARM7 ARM9 ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列 每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求 SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计 ARM处理器核心技术演进路线 10 数据源 ARM 三星 DIGITIMES整理 2009 9 ARMv5指令集 ARM926EJ S ARM1026EJ S ARMv6指令集 ARM1136J F S ARM11MPCore 1 4核心 ARMv7 Cortex指令集 Cortex A8 Cortex A9MPCore 1 4核心 400MHz 600MHz 800MHz 200MHz 2005 2006 2007 2008 2009 130nm制程 90nm制程 65nm制程 45nm制程 1GHz ARM9微处理器系列 11 ARM微处理器系列 ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表现 具有以下特点 5级整数流水线 指令执行效率更高 提供1 1MIPS MHz的哈佛结构 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集 支持32位的高速AMBA总线接口 全性能的MMU 支持WindowsCE Linux PalmOS等多种主流嵌入式操作系统 MPU支持实时操作系统 支持数据Cache和指令Cache 具有更高的指令和数据处理能力 ARM9微处理器系列 12 ARM9系列微处理器主要应用于无线设备 仪器仪表 安全系统 机顶盒 高端打印机 数字照相机和数字摄像机等 ARM微处理器系列 ARM9系列微处理器包含ARM920T ARM922T和ARM940T三种类型 以适用于不同的应用场合 ARM920T系统结构分析 13 ARM9TDMI采用5级流水线 具有分开的指令和数据存储器 1 取指 从存储器中取出指令 并将其放入指令流水线 2 译码 对指令进行译码 3 执行 把一个操作数移位 产生ALU的结果 4 缓冲 数据 如果需要 则访问数据存储器 否则ALU的结果只是简单地缓冲1个时钟周期 以便所有的指令具有同样的流水线流程 5 回写 将指令产生的结果回写到寄存器 包括任何从存储器中读取的数据 ARM920T系统结构分析 14 ARM9TDMI处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式 即采用了指令缓存 I Cache 和数据缓存 D Cache 这样可以把指令访问和数据访问单独安排1级流水线 InstructionFetch Shift ALU MemoryAccess RegWrite RegRead RegDecode FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITE ARM9TDMI ARMorThumbInstDecode RegSelect RegRead Shift ALU RegWrite Thumb ARMdecompress ARMdecode InstructionFetch FETCH DECODE EXECUTE ARM7TDMI 嵌入式微处理器 每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器嵌入式微处理器体系结构可采用冯 诺依曼 VonNeumann 结构或哈佛 Harvard 15 冯 诺依曼结构 哈佛结构 ARM微处理器的工作状态 16 ARM微处理器的工作状态 从编程的角度看 ARM微处理器的工作状态一般有两种 并可在两种状态之间切换 ARM状态 此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令 Thumb状态 此时处理器执行16位的 半字对齐的Thumb指令 在开始执行代码时 应该处于ARM状态 ARM微处理器 处理器工作状态 进入Thumb状态 执行BX指令 并设置操作数寄存器的状态 位 0 为1 在Thumb状态进入异常 IRQ FIQ UNDEF ABORT SWIetc 当异常处理返回时自动转换到Thumb状态进入ARM状态 执行BX指令 并设置操作数寄存器的状态 位 0 为0 进入异常时 将PC放入异常模式链接寄存器中 从异常向量地址开始执行也可进入ARM状态 ARM微处理器 处理器工作状态 Thumb 2 增加了混合模式能力定义了一个新的32 bit指令集能在传统的16 bit指令运行的Thumb状态下同时运行 这样能在一个系统中更好地平衡ARM和Thumb代码的能力 使系统能更好地利用ARM级别的性能和Thumb代码的密度的优势 ARM与THUMB 19 THUMB指令是ARM指令的子集 ARM微处理器的工作状态 可以相互调用 只要遵循一定的调用规则 Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为 存储空间约为ARM代码的60 70 指令数比ARM代码多约30 40 存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约40 存储器为16位时Thumb比ARM代码快约40 50 使用Thumb代码 存储器的功耗会降低约30 处理器模式 20 ARM微处理器的工作模式 Usr 用户 ARM处理器正常的程序执行状态 Fiq 快速中断 用于高速数据传输或通道处理 Irq 中断 用于通用的中断处理 Svc 管理 操作系统使用的保护模式 Abt 中止 用于虚拟存储及存储保护 Sys 系统 运行具有特权的操作系统任务 Und 未定义 当出现未定义指令终止时进入该模式 ARM微处理器的存储器格式 21 ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB 232字节 ARM微处理器的存储器格式 ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合 从零字节到三字节放置第一个存储的字数据 从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据 依次排列 ARM体系结构可以用两种方法存储字数据 称之为大端格式和小端格式 ARM体系结构的存储器格式 大端格式 22 ARM微处理器的存储器格式 在这种格式中 字数据的高字节存储在低地址中 而字数据的低字节则存放在高地址中 ARM体系结构的存储器格式 小端格式 23 ARM微处理器的存储器格式 与大端存储格式相反 在小端存储格式中 低地址中存放的是字数据的低字节 高地址存放的是字数据的高字节 ARM微处理器 内存和I O 大端的数据存放格式 低地址 高地址 地址A 地址A 1 地址A 2 地址A 3 最高有效字节的地址就是该word的地址 最高有效字节位于最低地址 worda 0 xf6734bcd f6 73 4b cd ARM微处理器 内存和I O 小端的数据格式 低地址 高地址 地址A 地址A 1 地址A 2 地址A 3 最低有效字节的地址就是该word的地址 最低有效字节位于最低地址 worda 0 xf6734bcd f6 73 4b cd 寄存器组织 ARM微处理器共有37个32位寄存器 其中31个为通用寄存器 6个为状态寄存器 但是这些寄存器不能被同时访问 但在任何时候 通用寄存器R14 R0 程序计数器PC 一个或两个状态寄存器都是可访问的 26 ARM微处理器的寄存器格式 ARM体系结构所支持的异常类型 27 ARM异常处理 异常向量表 ExceptionVectors 28 ARM异常处理 异常优先级 ExceptionPriorities 29 ARM异常处理 应用程序中的异常处理 当系统运行时 异常可能会随时发生 要进行异常处理 采用的方式是在异常向量表中的特定位置放置一条跳转指令 跳转到异常处理程序 当ARM处理器发生异常时 程序计数器PC会被强制设置为对应的异常向量 从而跳转到异常处理程序 当异常处理完成以后 返回到主程序继续执行 我们需要处理所有的异常 尽管我们可以简单的在某些异常处理程序处放置死循环 30 ARM异常处理 ARM微处理器 内存和I O 数据信息 状态信息 控制信息 数字量 模拟量 开关量 连续几位二进制形式表示的数或字符 如键盘输入的信息以及打印机 显示器输出的信息等 时间上连续变化的量 如温度 压力 流量等 只有两个状态的量 如阀门的合与断 电路的开与关等 CPU与I O设备之间的接口信息 反映外设当前工作状态的信息 READY信号 输入设备是否准备好BUSY信号 输出设备是否忙 CPU向外部设备发送的控制命令信息 读写控制信号时序控制信号中断信号片选信号其它操作信号 数据 状态 控制信息都是通过CPU的数据总线传送 存在I O接口的不同端口中 数据 状态 控制端口 ARM微处理器 内存和I O I O端口的编址方法 即I O端口的地址安排方式 存储器映射编址 I O映射编址 I O端口的地址与内存地址统一编址 即I O单元与内存单元在同一地址空间 I O端口与内存单元分开编址 即I O单元与内存单元都有自己独立的地址空间 ARM微处理器 内存和I O ARM微处理器 内存和I O ARM的I O端口都是内存映射的方式 即对I O端口的访问与内存的访问的方式完全一样 通常将I O所映射的存储系统标识为非高速缓存 uncachable 和非缓冲 unbufferable 嵌入式系统总线 概述AMBA总线PCI总线CPCI总线串行总线 概述 总线是CPU与存储器和设备通信的机制 是计算机各部件之间传送数据 地址和控制信息的公共通道 片内总线或内部总线 连接CPU内部各主要功能部件 片外总线 CPU与存储器 RAM和ROM 和I O接口之间进行信息交换的通道 数据总线Dbus 地址总线Abus 控制总线Cbus 按相对于CPU位置划分 按功能和信号类型 总线分类 概述 总线宽度 总线频率 总线带宽 总线带宽 单位 MB s 总线宽度 8 总线频率 如 总线宽度32位 频率66MHZ 则总线带宽 32 8 66MHz 264MB s 总线的主要参数 又称总线位宽 指的是总线能同时传送数据的位数 如16位总线就是具有16位数据传送能力 总线工作速度的一个重要参数 工作频率越高 速度越快 通常用MHz表示 又称总线的数据传送率 是指在一定时间内总线上可传送的数据总量 用每秒最大传送数据量来衡量 总线带宽越宽 传输率越高 概述 原因 数据宽度 高速总线通常提供较宽的数据连接 成本 高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器 桥允许总线独立操作 这样在I O操作中可提供某些并行性 一个微处理器系统可能含有多条总线 高速总线 低速总线 高速设备 低速设备 桥 总线互联的电路 39 存储器 高速设备 CPU 低速设备 低速设备 桥 高速总线 低速总线 多总线系统 40 41 Processor localbus Micro processor Cache Memorycontroller DMAcontroller Bridge Peripheral Peripheral Peripheral Peripheralbus 嵌入式系统总线 AMBA总线 AMBA AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture 是ARM公司研发的一种总线规范 目前为3 0版本 42 AMBA总线 在AMBA总线规范中 定义了3种总线 AHB AdvancedHigh performanceBus 用于高性能系统模块的连接 支持突发模式数据传输和事务分割 可以有效地连接处理器 片上和片外存储器 支持流水线操作 ASB AdvancedSystemBus 也用于高性能系统模块的连接 由AHB总线替代 APB AdvancedPeripheralBus 用于较低性能外设的简单连接 一般是接在AHB或ASB系统总线上的第二级总线 43 44 基于AMBA总线的典型系统 AMBA总线 AHB 只有主单元可在任何时刻使用总线 AHB可以有一个或多个主单元 主单元可以是RISC处理器 协处理器以及DMA控制器 以启动和控制总线操作 AHB总线 主单元 从单元 仲裁器 译码器 可以响应 并非启动 读或写总线操作 总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应 从单元向主单元发出成功 失败信号或等待各种反馈信号 从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块 例如外存接口 总线桥接口以及任何内存都可以是从单元 系统的其他外设也包含在AHB的从单元中 用来确定控制总线是哪个主单元 以保证在任何时候只有一个主单元可以启动数据传输 一般来说仲裁协议都是固定好的 例如最高优先级方法或平等方法 可根据实际的情况选择适当的仲裁协议 总线译码器用于传输译码工作 提供传输过程中从单元的片选信号 AMBA总线 AHB 一个典型的AHB总线工作过程 它包括以下两个阶段 地址传送阶段 addressphase 它将只持续一个时钟周期 在HCLK的上升沿数据有效 所有的从单元都在这个上升沿来采样地址信息 数据传送阶段 dataphase 它需要一个或几个时钟周期 可以通过HREADY信号来延长数据传输时间 当HREADY信号为低电平时 就在数据传输中加入等待周期 直到HREADY信号为高电平才表示这次传输阶段结束 AMBA总线 AHB ISA IBM公司于1981年推出的基于8位机PC XT的总线 称为PC总线为了能够合理地开发外插接口卡 由Intel公司 IEEE和EISA集团联合开发了与IBM AT原装机总线意义相近的ISA总线ISA总线有98只引脚 其中62线的一段基于8位的PC总线 可以独立使用 连接8位的扩展卡 而62线与36线相加后就扩展成标准的16位ISA 连接16位的扩展卡 48 PCI 1991年下半年 Intel公司首先提出了PCI的概念 并联合IBM Compaq AST HP DEC等100多家公司成立了PCI集团 其英文全称为 PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup 外围部件互连专业组 简称PCISIG 32位PCI的数据传输率为133MB s 大大高于ISA 49 PCI总线 特点 PCI总线是地址 数据多路复用的高性能32位和64位总线 2 1版本定义了64位总线扩展和66MHz总线时钟的技术规范 从数据宽度上看 PCI总线有32bit 64bit之分从总线速度上分 有33MHz 66MHz两种 PCI总线 特点 与ISA总线不同 PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的 支持即插即用 PlugandPlay 中断共享等功能 分时复用的好处是一方面可以节省接插件的管脚数 另一方面便于实现突发数据传输 PCI总线 特点 数据传输时 由一个PCI设备做发起者 主控 Initiator或Master 而另一个PCI设备做目标 从设备 Target或Slave 总线上所有时序的产生与控制都由Master来发起 PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输 这就要求有一个仲裁机构 来决定谁有权拿到总线的主控权 PCI总线 信号定义 32位PCI系统的管脚按功能来分有以下几类 系统控制CLK PCI时钟 上升沿有效RST Reset信号传输控制FRAME 标志传输开始与结束IRDY Master可以传输数据的标志DEVSEL 当Slave发现自己被寻址时设置低电平应答TRDY Slave可以传输数据的标志STOP Slave主动结束传输数据IDSEL 在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号 PCI总线 信号定义 地址与数据总线AD 31 0 地址 数据分时复用总线C BE 3 0 命令 字节使能信号PAR 奇偶校验信号仲裁信号REQ Master用来请求总线使用权GNT 仲裁机构允许Master得到总线使用权错误报告PERR 数据奇偶校验错SERR 系统奇偶校验错 PCI总线 操作 PCI总线进行操作时发起者先置REQ 当得到仲裁器的许可时 GNT 将FRAME 置低电平 并在AD总线上放置Slave地址 同时C BE 放置命令信号 说明接下来的传输类型 PCI总线上的所有设备都需对此地址译码 被选中的设备置DEVSEL 以声明自己被选中 然后当IRDY 与TRDY 都置低时 传输数据 Master在数据传输结束前 将FRAME 置高以标明只剩最后一组数据要传输 并在传完数据后放开IRDY 以释放总线控制权 PCI总线 读操作 CPCI总线 为了将PCI总线规范用在工业控制计算机系统上 1995年11月PCI工业计算机制造者联合会 PICMIG 颁布了CompactPCI 以后简称CPCI 规范1 0版 1997年推出了CPCI2 0规范 简言之 CPCI总线规范 PCI总线的电气规范 标准针孔连接器 IEC 1076 4 101 欧洲卡规范 IEC297 IEEE1011 1 57 CPCI总线 目前在嵌入式PC 工控计算机及高端的嵌入式系统中已经开始大量采用CPCI接口 CPCI总线工控机之所以被业界所青睐 是因为其既具有PCI总线的高性能又具有欧洲卡结构的高可靠性 是符合国际标准的真正工业型计算机 适合在可靠性要求较高的工业和军事设备上应用 CPCI总线工控机定义了两种板卡尺寸 3U 100mm 160mm 6U 233mm 160mm 58 CPCI总线 59 3U 100mm 160mm 6U 233mm 160mm PCI Express总线 与PCI总线不同 PCIExpress总线属于串行总线 点对点传输 每个传输通道独享带宽 PCIExpress总线还支持双向传输模式和数据分路传输模式 其中数据分路传输模式即PCIExpress总线的X1 X2 X4 X8 X12 X16和X32多通道连接 X1单向传输带宽即可达到250MB s 双向传输带宽更可实现夸张的500MB s 绝非PCI总线可比 60 61 I2C总线 在现代电子系统中 有为数众多的IC需要进行相互之间以及与外界的通信 为了提供硬件的效率和简化电路的设计 PHILIPS开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C interIC总线 I2C总线支持任何一种IC制造工艺I2C已经成为世界性的工业标准每个I2C器件都有一个唯一的地址 而且可以是单接收的器件 例如 LCD驱动器 或者可以接收也可以发送的器件 例如 存储器 62 63 SPI总线 串行外围设备接口SPI serialperipheralinterface 总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口SPI总线是一种三线同步总线 因其硬件功能很强总线上可以连接多个可作为主机的MCU 装有SPI接口的输出设备 输入设备如液晶驱动 A D转换等外设也可以简单连接到单个TTL移位寄存器的芯片总线上允许连接多个能作主机的设备 但在任一瞬间只允许有一个设备作为主机 64 PC104总线 PC104是工业总线的标准PC104有两个版本 8位和16位 分别与PC和PC AT相对应 PC104PLUS是专为PCI总线设计的 可以连接高速外接设备 65 CAN总线 CAN 全称为 ControllerAreaNetwork 即控制器局域网 是国际上应用最广泛的现场总线之一CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯 在车载各电子控制装置ECU之间交换信息 形成汽车电子控制网络 CAN是一种多主方式的串行通讯总线 基本设计规范要求有高的位速率 高抗电磁干扰性 而且能够检测出产生的任何错误 66 并行接口 是指8位数据同时通过并行线进行传送 这样数据传送速度大大提高并口的工作模式主要有如下几种 SPP标准工作模式 SPP数据是半双工单向传输的 传输速率仅为15Kb s 速度较慢 但几乎可以支持所有的外设 一般设为默认的工作模式 EPP增强型工作模式 EPP采用双向半双工数据传输 其传输速度比SPP高 可达2MB s EPP可细分为EPP1 7和EPP1 9两种模式 目前较多外设使用此工作模式 ECP扩充型工作模式 ECP采用双向全双工数据传输 传输速率比EPP要高 67 串口 串行口的典型代表是RS 232 C及其兼容插口 25针串行口还具有20mA电流环接口功能 用9 11 18 25针来实现 RS 232 C是美国电子工业协会EIA ElectronicIndustryAssociation 制定的一种串行物理接口标准 一般嵌入式系统提供标准的RS232C接口 该接口采用负逻辑 与CMOS TTL电路的相连需要专用集成电路进行电平转换 最高传输速率为20kb s 最大传输线长为30米 68 现在的PC机一般有两个串行口 COM1和COM2 我们可以选择任何一个进行连接 然后在操作系统上面进行正确的配置 Windows操作系统和Linux操作系统都能够很好地支持串口 特别是在Linux环境下可以对串口通信简单地进行编程 下面就来介绍串口编程 串口 Linux系统环境下的所有设备都提供了相应的设备文件供用户访问 设备文件都位于 dev目录下 COM1和COM2对应的文件分别为 dev目录下的ttyS0和ttyS1 我们可以通过打开并读写这两个文件来对串口进行操作 使用open 函数打开串口的例子如下 intfd 以读写方式打开串口 fd open dev ttyS0 O RDWR if 1 fd 不能打开串口一 perror 提示错误 对串口进行设置是一种常见的操作 一般的设置包括波特率设置 校验位和停止位设置 串口编程 Termios的结构如下 Structtermios tcflag tc iflag 输入模式tcflag tc oiflag 输出模式tcflag tc cflag 控制模式tcflag tc lflag 局部模式cc tc cc NCCS 特殊控制字符 在上面的结构体成员中 c cflag是最常用的 它用于控制串口的波特率 奇偶校验 停止位等 在c cflag成员中 选项CLOCAL和CREAD是必须的 即本地和接收使能 例如 下面的代码将波特率