嵌入式系统第二章

1、第第2章章 ARM微处理器的体系结构微处理器的体系结构2.1 ARM微处理器微处理器2.1.1 ARM微处理器概述微处理器概述ARMAdvanced ARMAdvanced RISCRISC Machines Machines 精简指令集计算机精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)ARM32ARM32位位RISCRISC结构结构IPIP（知识产权）核（知识产权）核的主要供应商的主要供应商目前ARMARM已成为一类嵌入式微处理器的通称一类嵌入式微处理器的通称英国ARM公司32位RISC

2、结构IP核提供商 ARM7系列 ARM9ARM9系列系列 例如例如:S3C2410:S3C2410 ARM10E系列 ARM11系列 CortexCortex系列系列 例如例如:STM32F103:STM32F103 Intel的Xscale系列 Intel的StrongARM2.1.2 ARM系列微处理器系列微处理器ARMARM处理器的主要特点：处理器的主要特点：l采用精简指令集（采用精简指令集（RISCRISC）l具有具有1616位位/32/32位双指令集位双指令集l采用多级流水线和缓存技术采用多级流水线和缓存技术l大量使用寄存器，大多数数据操作在寄存器中完成大量使用寄存器，大多数数据操作

3、在寄存器中完成l采用加载采用加载/ /存储模式存储模式l支持多种运行模式（支持多种运行模式（7 7种）种）2.1.3 ARM系列微处理器的特点系列微处理器的特点2.2 ARM的体系结构的体系结构2.2.1 ARM微处理器的微处理器的CPU结构结构2.2.2 ARM微处理器的精简指令集微处理器的精简指令集 采用固定长度的指令格式，指令规整、简单、数量少采用固定长度的指令格式，指令规整、简单、数量少 使用单周期指令，便于流水线操作使用单周期指令，便于流水线操作 大量使用寄存器，数据处理操作只对寄存器进行（加大量使用寄存器，数据处理操作只对寄存器进行（加 载载/存储型存储型）精简指令集的主要特点：精

4、简指令集的主要特点：2.3.1 ARM2.3.1 ARM微处理器的工作状态微处理器的工作状态 ARM920T 处理器有两种工作状态:uARMARM工作状态 使用32-32-bitbit的ARM指令集uThumbThumb工作状态 使用16-16-bitbit的Thumb指令集 ARM状态和Thumb工作状态可以使用BX指令(分支和交换指令）进行切换2.3 ARMARM微处理器的工作状态和运行模式微处理器的工作状态和运行模式 2.3.2 2.3.2 处理器的运行模式处理器的运行模式ARM 处理器有7种运行模式:（1 1）用户模式）用户模式(usr)(usr) - - 正常的程序执行模式正常的程序

5、执行模式（2 2）中断模式）中断模式(irq)(irq) - -用于通用中断处理用于通用中断处理（3 3）快速中断模式）快速中断模式(fiq) (fiq) - -用于高速数据传输或通道处理用于高速数据传输或通道处理（4 4）管理模式）管理模式(svc)(svc) - - 操作系统使用的保护模式操作系统使用的保护模式（5 5）数据访问中止模式）数据访问中止模式(abt)(abt) 数据指令预取中止时用数据指令预取中止时用（6 6）系统模式）系统模式(sys)(sys)- - 用于运行具有特权的操作系统用于运行具有特权的操作系统（7 7）未定义模式）未定义模式(und)(und)- - 用于支持硬

6、件协处理器软件仿真用于支持硬件协处理器软件仿真 寄存器组：共有寄存器组：共有3737个个3232位寄存器位寄存器 寄存器寄存器未分组寄存器未分组寄存器R0R7，各模式通用，各模式通用分组寄存器分组寄存器R8R14，不同模式专用，不同模式专用程序计数器程序计数器R15，各模式通用，各模式通用当前程序状态寄存器当前程序状态寄存器CPSR与备份程序状与备份程序状态寄存器态寄存器SPSR ， SPSR为不同模式专用为不同模式专用2.4 ARM2.4 ARM微处理器的寄存器组织微处理器的寄存器组织 2.4.1 ARM2.4.1 ARM状态下的寄存器组织状态下的寄存器组织 （1） 未分组寄存器未分组寄存器

7、R0R7在在7种不同模式下，未分组寄存器都指向同一物理种不同模式下，未分组寄存器都指向同一物理寄存器。如果从一种模式切换到另一种模式，寄存器寄存器。如果从一种模式切换到另一种模式，寄存器内容没有保护，程序设计时要注意。内容没有保护，程序设计时要注意。（2） 分组寄存器分组寄存器R8R14对分组寄存器，每次访问的物理寄存器与处理器当前对分组寄存器，每次访问的物理寄存器与处理器当前操作模式有关。操作模式有关。同一分组寄存器，在不同操作模式下通过加后缀表示同一分组寄存器，在不同操作模式下通过加后缀表示例：例：R8_fiq表示表示快速中断模式下快速中断模式下R8寄存器。寄存器。在分组寄存器中：分组寄存

8、器中：R13一般用来作为堆栈指针（类似一般用来作为堆栈指针（类似AT89S51的的SP）R14（LR）一般用来作为调子程序的链接寄存器，当）一般用来作为调子程序的链接寄存器，当执行调子程序指令执行调子程序指令BL时，将程序计数器时，将程序计数器R15的内容拷的内容拷贝进贝进R14保存，从子程序返回时再将保存，从子程序返回时再将R14的内容送回的内容送回到程序计数器到程序计数器R15。 （3） 程序计数器程序计数器R15（PC） R15一般用来存放下一条将要执行指令的地址（类似一般用来存放下一条将要执行指令的地址（类似 AT89S51的的PC） 在在ARM状态下状态下R15的最低的最低2位为位为

9、0，在，在Thumb状态下状态下R15的最低位为的最低位为0（4）当前程序状态寄存器）当前程序状态寄存器CPSR与备份程序状态寄存器与备份程序状态寄存器 SPSR当前程序状态寄存器当前程序状态寄存器CPSR用来保存当前的状态与控用来保存当前的状态与控制的标志位制的标志位备份程序状态寄存器备份程序状态寄存器SPSR用来在操作模式切换时保用来在操作模式切换时保存程序状态寄存器存程序状态寄存器CPSR的当前值的当前值程序状态寄存器的格式程序状态寄存器的格式N N、 Z Z、 C C、 V V 条件码标志：条件码标志：N N 负数标志负数标志 Z Z零标志零标志 C C进位标志进位标志 V V溢出标溢

10、出标志志I and F I and F 位是中断禁止位位是中断禁止位M0M0、 M1 M1、 M2 M2、 M3 M3、 M4 M4 是运行模式标志是运行模式标志T T为为ARM/ThumbARM/Thumb状态标志位状态标志位表示寄存器仅在特定模式下使用（称为分组寄存器）用户与系统用户与系统模式寄存器模式寄存器快速中断模快速中断模式寄存器式寄存器中断模式中断模式 寄存器寄存器管理模式管理模式 寄存器寄存器中止模式中止模式 寄存器寄存器未定义模未定义模式寄存器式寄存器ARMARM处理器在不同运行模式下可使用的寄存器列表处理器在不同运行模式下可使用的寄存器列表2.5.1 2.5.1 ARM支持的

11、数据类型支持的数据类型 （1 1）字字（WordWord）, ,在在ARMARM体系中，多数的数据是以字为体系中，多数的数据是以字为 单位保存在存储器中的，每个字的长度是单位保存在存储器中的，每个字的长度是3232位，占位，占4 4 个字节的存储单元。个字节的存储单元。（2 2）半字半字（Half-WordHalf-Word），在），在ARMARM体系中，半字的长体系中，半字的长 度是度是1616位，占位，占2 2个字节的存储单元。个字节的存储单元。（3 3）字节字节（ByteByte），在），在ARMARM体系中，每个字节的长度是体系中，每个字节的长度是 8 8位，占位，占1 1个存储单元。

12、个存储单元。 2.5.2 ARM支持的支持的存储模式存储模式一个字为32位二进制数据，含4个字节，那么这4个字节在存储器空间如何存放呢？存放方法大端模式小端模式大端模式高字节的数据放到低地址存储单元中， 低字节的数据放到高地址存储单元中 。小端模式高字节的数据放到高地址存储单元中， 低字节的数据放到低地址存储单元中。ARM两种模式都支持两种模式都支持q 异常异常由内部或外部事件引起正常程序流由内部或外部事件引起正常程序流程暂时停止，使处理器处理一个事件称为异程暂时停止，使处理器处理一个事件称为异常常，处理异常之前必须保存处理器的状态，处理异常之前必须保存处理器的状态。q 异常的种类异常的种类（

13、1）外部中断请求（）外部中断请求（IRQ） 该异常由外部通过对处理器上的该异常由外部通过对处理器上的nIRQ引脚产生。引脚产生。 （2 2）快速中断请求（）快速中断请求（FIQ） 该异常由外部通过对处理器上的该异常由外部通过对处理器上的nFIQ引脚产生，引脚产生， 在在ARM状态中快速中断有状态中快速中断有8个专用寄存器可用于个专用寄存器可用于 快速保护现场。快速保护现场。2.6 2.6 ARM微处理器微处理器的的异常（3）软件中断（）软件中断（SWI）该异常是由通过执行软件中断指令该异常是由通过执行软件中断指令SWI产生，发产生，发生软件中断异常时进入管理模式，调用操作系统生软件中断异常时进

14、入管理模式，调用操作系统的功能子程序。的功能子程序。（4）中止（）中止（ABORT）产生中止异常有产生中止异常有2种情况，种情况，指令预取中止，即指令预取中止，即在取指令时发生取指令失败；在取指令时发生取指令失败；数据中止，即在数据中止，即在访问数据时访问失败。访问数据时访问失败。（5）未定义指令）未定义指令当当ARM处理器遇到不能处理的指令时，会产处理器遇到不能处理的指令时，会产生未定义指令，进入未定义指令异常处理。生未定义指令，进入未定义指令异常处理。（6）复位（）复位（RESET）当当ARM处理器上电启动或按复位键时进入的操作。处理器上电启动或按复位键时进入的操作。q 处理器的异常处理过

15、程（1）进入异常操作 1 1）将下一条指令的地址保存在相应的链接寄存）将下一条指令的地址保存在相应的链接寄存 器器LR LR (R14)(R14)中；中； 2 2）将）将CPSRCPSR复制到相应的复制到相应的SPSRSPSR中；中； 3 3）强制使）强制使CPSRCPSR模式位置成对应异常类型的值；模式位置成对应异常类型的值； 4 4）强制使程序计数器指向相应）强制使程序计数器指向相应异常向量异常向量, ,取下取下 一条指令，转到相应异常处理程序执行。一条指令，转到相应异常处理程序执行。（2 2）从异常返回的操作）从异常返回的操作 1 1）将）将LRLR寄存器中的值减去相应的偏移量送到寄存器

16、中的值减去相应的偏移量送到 PCPC中；中； 2 2）将）将 SPSR SPSR 复制回复制回 CPSRCPSR； 3 3）清除禁止中断标志。）清除禁止中断标志。q 异常向量异常向量异常向量异常向量异常处理程序入口地址异常处理程序入口地址复位复位未定义未定义软件中断软件中断指令预取中止指令预取中止数据中止数据中止外部中断外部中断快速中断快速中断保留保留S3C2410A是是韩国三星电子公司购买ARM公司的知识产权设计制造的具有ARM内核的微处理器，S3C2410A采用ARM920T内核，是国内广泛应用的32位嵌入式微处理器。2.7 2.7 典型典型ARM微处理器芯片微处理器芯片S3C2410AS

17、3C2410AS3C2410A的主要技术特性为：的主要技术特性为：采用采用ARM920T内核内核CPU运行频率运行频率203MHz 存储器控制器（可外接存储器，最大寻址空间为存储器控制器（可外接存储器，最大寻址空间为1GB）内核使用内核使用1.8V供电、供电、I/O接口和存储器采用接口和存储器采用3.3V供电供电117位通用并行接口位通用并行接口3个串行接口个串行接口4个看门狗定时个看门狗定时/计数器和计数器和1个内部时钟，个内部时钟，可处理可处理56个中断源的中断系统个中断源的中断系统1个个LCD控制器，触摸屏接口控制器，触摸屏接口3个个USB接口接口配备有配备有I2C、 I2S、SPI总线

18、总线内置内置8路路10位位A/D转换器转换器 性能性能AT89S51单片机单片机S3C2410X嵌入式微处理器嵌入式微处理器运行操作系统运行操作系统 很难运行操作系统很难运行操作系统 可运行操作系统可运行操作系统工作频率工作频率22MHz203MHz寻址空间寻址空间64KB（内部（内部128B+4KB） 1GB（内部（内部16KB+16KB）供电供电5VDC1.8V/3.3VDC并口并口32位位117位位串口串口1个异步串行接口个异步串行接口3个异步串行接口个异步串行接口定时定时/计数器计数器2个个4个定时个定时/计数器计数器中断管理中断管理6个中断源（个中断源（2个外部）个外部） 56个中断源（个中断源（24个外部）个外部）内置内置A/D无无内置内置8路路10位位A/D转换器转换器LCD接口接口无无1个个触摸屏接口触摸屏接口无无1个个