第2章++ARM微处理器基础.ppt

1、南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，第二章，ARM微处理器基础，教学目的，掌握嵌入式系统的基本概念，掌握ARM技术的发展过程，掌握ARM微处理器的基本结构，南通大学计算机科学与技术学院教研室，教学内容， 2.1嵌入式系统概述2.2 ARM概述2.3 ARM内核的特点2.4基于ARM内核的微处理器2.5 ARM寄存器2.6 ARM存储系统简介，南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，2.1嵌入式系统概述，2.1.1嵌入式系统基本概念2.1.2嵌入式系统开发2.1.3嵌入式系统的组成与结构2.1.4嵌入式处理器2.1.5典型嵌入式处理器简介，系统教学与研究部分， 2.1.1嵌入式系统的基本概念

2、根据IEEE的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或辅助设备、机械或工厂运行的设备”。 这主要是从应用中定义的，从应用中可以看出，嵌入式系统是一个软件和硬件的综合体，也可以涵盖机械和其他附属设备。南通大学计算机科学与技术学院系统系。然而，上述定义并没有完全反映嵌入式系统的本质。目前，在中国，一个普遍接受的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、为软件和硬件量身定制、满足应用系统在功能、可靠性、成本、体积和功耗方面的严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是面向用户、面向产品和面向应用的。嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业具体应用相结合的产物。嵌入式系统必须根据应用需求定制软

3、硬件，以满足应用系统的功能、可靠性、成本和体积要求。南通大学计算机科学与技术学院系统系嵌入式系统的几个重要特点：内核小、专用性强、系统精简、系统实时性高、软件和多任务操作系统需要特殊的开发工具和环境。南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，2.1.2嵌入式系统的开发，第一阶段是以单片机为核心的可编程控制器形式的系统；第二阶段是基于嵌入式中央处理器的嵌入式系统，以简单操作系统为中心。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。第四阶段是以互联网为标志的嵌入式系统。南通大学计算机科学与技术学院系统系，发展趋势，系统联网，低成本，友好的人机界面，南通大学计算机科学与技术学院系统系，2.1.3嵌入式

4、系统结构，这是一个软硬件紧密集成的系统。一般来说，嵌入式系统的体系结构可以分为四个部分：处理器、内存、输入输出和软件。南通大学计算机科学与技术学院系统教研室。硬件和硬件架构如图2-1的下部所示。它以嵌入式处理器为核心，由存储器、输入输出设备、通信模块和电源等必要的辅助接口组成。与普通计算机不同，嵌入式系统是一种量身定制的特殊计算机应用系统。在实际应用中，嵌入式系统的硬件配置非常简单。除了微处理器和基本外围电路，其他电路可以根据需求和成本进行切割和定制，非常经济可靠。嵌入式系统的硬件核心是嵌入式微处理器。有时，为了提高系统的信息处理能力，数字信号处理器和数字信号处理器协处理器通常通过外部连接(或

5、内部集成)来完成高性能的信号处理。南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，软件，1。设备驱动层设备驱动层是嵌入式系统不可缺少的重要组成部分。任何外部设备都需要相应驱动程序的支持，驱动程序为上层软件提供设备的操作界面。上层软件不需要注意设备的具体内部操作，只需要调用驱动程序提供的接口。驱动程序层通常包括硬件抽象层HAL、板级支持包BSP和设备驱动程序。南通大学计算机科学与技术学院系统系。实时操作系统RTOS对于使用操作系统的嵌入式系统，操作系统通常以内核映像的形式下载到目标系统。南通大学计算机科学与技术学院系统系。操作系统的应用编程接口是一系列复杂功能、消息和结构的集合。嵌入式操作系统下的应用编

6、程接口在功能、意义和知识体系上与通用操作系统下的应用编程接口完全一致。南通大学计算机科学与技术学院系统系，4。应用实际的嵌入式系统应用软件是基于系统的主要任务。用户应用程序主要通过调用系统的应用编程接口函数来操作系统，并完成用户应用程序功能的开发。在用户的应用程序中，您也可以创建自己的任务。任务之间的协调主要取决于系统的消息队列，2.1.4嵌入式处理器和各种嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心部分。目前，世界上有1000多种具有嵌入式功能的处理器，流行的体系结构包括30多个系列，如单片机和微处理器。鉴于嵌入式系统的广阔发展前景，许多半导体制造商大规模生产嵌入式处理器，由公司自主设计处理器已成为未

7、来嵌入式领域的一大趋势。其中，从单片机、数字信号处理器到现场可编程门阵列，种类繁多，速度越来越快，性能越来越强，价格越来越低。南通大学计算机科学与技术学院系统系，2.1.5典型嵌入式处理器介绍，1。微处理器(无锁定管道级的微处理器，无内部联锁的流量计处理器)2。PowerPC处理器3。Sparc处理器42.2 ARM处理器，南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，2.2.1 ARM概述，2 . 2 . 2 ARM技术开发过程，南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，2 . 2 . 1计算机体系结构分类，1冯诺依曼体系结构数据和指令存储。具有这种结构的计算机系统由中央处理器和存储器组成。哈佛体系

8、结构哈佛体系结构为数据和程序提供独立的存储器，程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，南通大学计算机科学与技术学院系统系，1冯诺伊曼体系结构，南通大学计算机科学与技术学院系统系，哈佛体系结构，2 . 2 . 2 arm技术开发，南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，2.3 arm内核特性，2.3.1 RISC技术，2.3.2流水线技术， 2.3.3超标量技术、南通大学计算机科学与技术学院系统教研室、2.3.1 RISC技术和RISC结构以使用频率最高的简单指令为主，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少； 控制逻辑是主要方法，不需要或很少使用微码控制来实现上述目的。南通大学计算机科学

9、与技术学院系统系，2.3.2流水线技术，基于三级(ARM7)和五级(ARM9)流水线架构的ARM处理器内核。一个简单的3阶段流水线如下：提取阶段。提取级读取程序存储器中的指令，并将它们放入指令流水线。解码阶段。解码指令，并为下一个周期准备数据路径所需的控制信号。这一级别的指令“占用”解码逻辑，而不是数据路径。管理层。指令“占用”数据路径，读取寄存器堆栈，操作数在桶式移位器中移位，ALU生成相应的运算结果并将其写回目的寄存器，ALU结果根据指令要求改变状态寄存器的条件位。南通大学计算机科学与技术学院系统系，南通大学计算机科学与技术学院系统系，当通过R15寄存器直接访问PC时，必须考虑流水线执行的

10、真实情况。程序计数器R15总是指向提取的指令，而不是执行指令或解码指令。在正常情况下，人们总是习惯于把正在执行的指令作为参考点，这就是当前的第一条指令。因此，电脑总是指向第三条指令。对于ARM指令，有：PC值，当前程序执行位置8；对于Thumb指令，有：PC值，当前程序执行位置4，南通大学计算机科学与技术学院系统教研室，2.3.3超标量技术，超标量技术是通过反复设置多套指令执行组件，同时处理和完成多条指令来达到提高处理速度的目的。目前，所有的ARM内核，包括流行的ARM7、ARM9和ARM11，都是单周期指令机器。ARM的下一代处理器将是一个超标量处理器，每个周期可以处理多条指令。超标量体系可

11、以在一个时钟周期内同时执行多条指令，大大提高了中央处理器的效率。南通大学计算机科学与技术学院系统系，基于ARM核的2.4微处理器，基于ARM核的2.4.1硬件结构，2 . 4 . 2 ARM核的数据流模型，2 . 4 . 3 ARM处理器的工作模式和工作状态，2.4.1基于ARM核的硬件结构，南通大学计算机科学与技术学院系统系，ARM处理器控制整个设备。有许多版本的ARM处理器可以满足不同的处理特性。ARM处理器包含一个内核和一些外围组件，它们通过总线连接。这些组件可能包括内存管理和缓存。控制器协调系统的重要功能模块。两种最常见的控制器是中断控制器和存储器控制器。南通大学计算机科学与技术学院系

12、统系外围接口组件提供芯片与外部之间的所有输入/输出功能，不同的外围接口功能反映了器件之间的一些独特特性。总线用于设备不同部分之间的通信。南通大学计算机科学与技术学院系统系。ARM处理器中广泛使用的总线结构称为高级微控制总线结构(AMBA)。最初的AMBA总线包括ARM系统总线和ARM外围总线。然后提出了一种叫做ARM (AHB)的高性能总线。在图2-6所示的器件中，有三条：总线和一条AHB总线连接到高性能片上外设接口。APB总线连接到慢速片上外围接口；第三条总线用于连接片外外设，这条外部总线需要一个特殊的桥来连接AHB总线。南通大学计算机科学与技术学院系统系，2 . 4 . 2 ARM内核的数

13、据流模型。数据通过数据总线进入处理器内核。这里所指的数据可以是要执行的指令或数据项。指令解码器在执行指令之前对指令进行翻译。每个可执行指令都属于一个特定的指令集。像所有的精简指令集处理器一样，ARM处理器采用负载存储架构。这意味着只有两种类型的指令用于将数据移入/移出处理器：加载指令将数据从内存复制到内核的寄存器；接着，存储指令将数据从寄存器复制到存储器。没有直接操作存储器的数据处理指令，因此数据处理只能在寄存器中执行。由于ARM内核是一个32位处理器，大多数指令认为寄存器保存32位有符号或无符号数字。当从存储器向寄存器读取数据时，符号扩展硬件将8位和16位的有符号数转换为32位。南通大学计算

14、机科学与技术学院系统系，2 . 4 . 3 ARM处理器的工作模式和工作状态，1工作模式2处理器的工作状态，南通大学计算机科学与技术学院系统系，1处理器的工作模式，ARM微处理器支持7种工作模式，它们是：用户模式(usr):ARM处理器的正常程序执行状态；快速中断模式(fiq)；用于高速数据传输或通道处理的外部中断模式(irq );通用中断处理管理模式(SVC)；操作系统使用的保护模式；停止模式(abt):当数据或指令预取终止时，进入该模式，用于虚拟存储和存储保护。未定义指令模式(und):执行未定义指令时进入该模式，用于支持硬件协处理器的软件仿真。系统模式：运行特权操作系统任务。南通大学计算

15、机科学与技术学院系统系，2处理器工作状态。自ARM7TDMI内核出现以来，架构中带有T变体的ARM处理器内核可以工作在两种状态，并可以在两种状态之间切换：ARM状态：ARM微处理器执行32位ARM指令集。拇指状态：ARM微处理器执行16位拇指指令集，2.5 ARM寄存器，2.5.1通用寄存器2.5.2状态寄存器2.5.3拇指寄存器，ARM微处理器有37个32位寄存器：31个通用寄存器和6个状态寄存器。这些寄存器不能同时访问，最多可以有18个活动寄存器：16个数据寄存器和2个状态寄存器；使用哪些寄存器取决于微处理器的工作状态和特定工作模式，并且可以通过编程方式访问。南通大学计算机科学与技术学院系

16、统系，2.5.1通用寄存器，南通大学计算机科学与技术学院系统系，1。未分组的寄存器，包括R0R7，所有未分组的寄存器在所有工作模式下都指向同一个物理寄存器，它们不被系统用于特殊目的。因此，当中断或异常处理用于改变操作模式时，由于不同的处理器操作模式都使用相同的物理寄存器，寄存器中的数据可能会被破坏，这在编程时应该注意。南通大学计算机科学与技术学院系统系。分组寄存器，包括R8R14。对于分组寄存器，它们每次访问的物理寄存器与处理器的当前工作模式相关。如图2-9所示。对于R8R12，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。使用fiq模式时，访问寄存器R8 _ FIQR 12 _ FIQ；当使用fiq模式以外的模式时，可访问寄存器R8R12。南通大学计算机科学与技术学院系统系。分组寄存器R13和R14分别对应于六个不同的物理寄存器