第1章ARM嵌入式微處理器概述

1ARM處置器系統(tǒng)運(yùn)用與開(kāi)發(fā)第一章ARM嵌入式微處置器概述1.1ARM處置器特點(diǎn)與分類(lèi)核體系構(gòu)造ARM7TDMI，ARM710T，ARM720TARM740TV4TStrongARM，ARM8，ARM810V4ARM9TDMI，ARM920T，ARM940TV4TARM9E-SV5TEARM10TDMI，ARM1020EV5TEARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S，ARM11JZF-SV6Cortex–A15,Cortex–A9,Cortex–A8,A7，A5V7ACortex–R系列V7RCortex–M系列V7MARM開(kāi)展歷程ARM微處置器系列ARM7微處置器系列ARM9微處置器系列ARM9E微處置器系列ARM10E微處置器系列ARM11系列Cortex系列SecurCore系列Intel的Xscale系列Inter的StrongARMARM9微處置器系列Cache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM9TDMI無(wú)無(wú)5有無(wú)無(wú)ARM920T16K/16kMMU5有無(wú)無(wú)ARM922T8k/8kMMU5有無(wú)無(wú)ARM9的時(shí)鐘頻率比ARM7更高，在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處置器的時(shí)鐘頻率是ARM7TDMI的1．8～2．2倍。ARM9E微處置器系列Cache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM926EJ-S4KB~128KBMMU5/6有有有ARM946E-S4KB~1MBMPU5有有無(wú)ARM966E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM968E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM996HS無(wú)MPU5/6有有無(wú)ARM10E微處置器系列Cache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM1020E32KBMMU6有有無(wú)ARM1022E16KBMMU6有有有ARM1026EJ-S4~128KBMMU6有有有ARM11微處置器系列Cache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelle浮點(diǎn)運(yùn)算ARM1136J-S4~64KBMMU8有有有無(wú)ARM1135JF-S4~64KBMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無(wú)無(wú)ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無(wú)有ARM1176JZ-S可配置9Thumb-2有有無(wú)ARM1176JZF-S可配置9Thumb-2有有有ARM11系列微處置器是ARM公司近年推出的新一代RISC處置器，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。Cortex微處置器系列Cortex系列微處置器屬于ARMv7架構(gòu)，這是ARM公司最新的指令集架構(gòu)。Cortex處置器類(lèi)型包括：Cortex-M3Cortex-A15、9、8、7、5Cortex-R4、R4F、R5、R7Cortex微處置器系列Cortex-M3采用ARMv7-M架構(gòu)，它包括一切的16位Thumb指令集和根本的32位Thumb-2指令集架構(gòu)，單片機(jī)的完美替代品Cortex-A15四核芯片，2.5GHz，支持超越4GB的內(nèi)存，運(yùn)用于高級(jí)智能手機(jī)、挪動(dòng)計(jì)算、高端數(shù)字家庭文娛、無(wú)線根底構(gòu)造、低功耗效力器。Cortex-A15內(nèi)核智能手機(jī)，是當(dāng)前的高級(jí)智能手機(jī)性能的五倍。運(yùn)用選型ARM處置器選型的幾個(gè)關(guān)鍵要素：能否需求支持操作系統(tǒng)——內(nèi)核版本ARM9以后多帶有MMU單元，以實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的支持。處置才干要求——系統(tǒng)時(shí)鐘在很大程度上決議了微處置器的處置才干。常見(jiàn)的ARM7芯片系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為20～133MHz常見(jiàn)的ARM9芯片的系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為100～233MHz運(yùn)用選型〔續(xù)〕芯片內(nèi)存儲(chǔ)器容量的要求——絕對(duì)大多數(shù)ARM處置器都在片內(nèi)集成有存儲(chǔ)單元，但容量各有區(qū)別。片內(nèi)擴(kuò)展模塊的選擇——幾乎一切的ARM芯片均需求根據(jù)各自不同的運(yùn)用領(lǐng)域，擴(kuò)展相關(guān)功能模塊，并集成在芯片內(nèi)部，稱(chēng)之為片內(nèi)擴(kuò)展模塊。多芯核構(gòu)造的選擇——某些供應(yīng)商提供的ARM芯片內(nèi)置多個(gè)處置器內(nèi)核。如ARM+DSP、ARM+FPGA、ARM+ARM等處置器封裝的選擇——ARM芯片如今主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等方式。1.2ARM微處置器體系構(gòu)造1.2.1ARM處置器形狀處置器形狀A(yù)RM7TDMI處置器內(nèi)核包含2套指令系統(tǒng)，分別為ARM指令集和Thumb指令，并且各自對(duì)應(yīng)1種處置器的形狀：ARM形狀：32位，處置器執(zhí)行字方式的ARM指令，處置器默以為此形狀；Thumb形狀：16位，處置器執(zhí)行半字方式的Thumb指令。2.4ARM處置器形狀形狀切換的一個(gè)例子運(yùn)用BX指令將ARM內(nèi)核的操作形狀在ARM形狀和Thumb形狀之間進(jìn)展切換。ARM指令集Thumb指令集指令集關(guān)系1.2.2ARM處置器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式ARM體系構(gòu)造支持7種處置器方式，分別為：用戶(hù)方式、快中斷方式、中斷方式、管理方式、中止方式、未定義方式和系統(tǒng)方式。這樣的益處是可以更好的支持操作系統(tǒng)并提高任務(wù)效率。ARM7TDMI完全支持這七種方式。ARM微處置器的任務(wù)方式◆?usr：ARM處置器正常的程序執(zhí)行形狀?fiq：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處置?irq：用于通用的中斷處置?svc：操作系統(tǒng)運(yùn)用的維護(hù)方式?abt：用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)維護(hù)?sys：運(yùn)轉(zhuǎn)具有特權(quán)的操作系統(tǒng)義務(wù)?und：當(dāng)出現(xiàn)未定義指令終止時(shí)進(jìn)入該方式1.2.3ARM體系構(gòu)造的存儲(chǔ)器格式ARM微處置器的存儲(chǔ)器格式◆?ARM體系構(gòu)造所支持的最大尋址空間為4GB〔232字節(jié)〕?ARM體系構(gòu)造將存儲(chǔ)器看作是從零地址開(kāi)場(chǎng)的字節(jié)的線性組合。從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次陳列。?ARM體系構(gòu)造可以用兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱(chēng)之為大端格式和小端格式ARM微處置器的存儲(chǔ)器格式ARM微處置器的存儲(chǔ)器格式—大端格式◆?在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)那么存放在高地址中ARM微處置器的存儲(chǔ)器格式ARM微處置器的存儲(chǔ)器格式—小端格式◆?與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)1.2.4ARM的存放器組織在ARM處置器內(nèi)部共有37個(gè)用戶(hù)可訪問(wèn)的存放器，分別為31個(gè)通用32位存放器和6個(gè)形狀存放器。ARM處置器共有7種不同的處置器方式，每種方式都有一組相應(yīng)的存放器組，最多可以18個(gè)活動(dòng)的存放器。ARM形狀各方式下的存放器寄存器類(lèi)別寄存器在匯編中的名稱(chēng)各模式下實(shí)際訪問(wèn)的寄存器用戶(hù)系統(tǒng)管理中止未定義中斷快中斷通用寄存器和程序計(jì)數(shù)器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15狀態(tài)寄存器CPSRCPSRSPSR－SPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一切的37個(gè)存放器，分成兩大類(lèi)：31個(gè)通用32位存放器；6個(gè)形狀存放器。1.2.4ARM的存放器組織在Thumb形狀各方式下實(shí)踐訪問(wèn)的存放器Thumb形狀存放器集是ARM形狀集的子集，程序員可以直接訪問(wèn)的存放器為：8個(gè)通用存放器R0～R7；程序計(jì)數(shù)器〔PC〕；堆棧指針〔SP〕；鏈接存放器〔LR〕；當(dāng)前程序形狀存放器〔CPSR〕。ARM形狀Thumb存放器在ARM形狀存放器上的映射R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12堆棧指針(R13)連接寄存器(R14)程序計(jì)數(shù)器(R15)CPSRSPSRR0R1R2R3R4R5R6R7堆棧指針(SP)連接寄存器(LR)程序計(jì)數(shù)器(PC)CPSRThumb形狀Thumb形狀R0～R7與ARM形狀R0～R7一樣；1Thumb形狀CPSR(無(wú)SPSR)與ARM形狀CPSR一樣。5Thumb形狀SP映射到ARM形狀R13；2Thumb形狀LR映射到ARM形狀R14；3Thumb形狀PC映射到ARM形狀R15(PC)；4低端存放器高端存放器在Thumb形狀中，高端存放器的訪問(wèn)是遭到限制的，只需MOV、CMP和ADD指令可以對(duì)其訪問(wèn)，可以用于數(shù)據(jù)的快速暫存。1.2.5異常處置異常簡(jiǎn)介只需正常的程序流被暫時(shí)中止，處置器就進(jìn)入異常方式。例如在用戶(hù)方式下執(zhí)行程序時(shí)，當(dāng)外設(shè)向處置器內(nèi)核發(fā)出中斷懇求導(dǎo)致內(nèi)核從用戶(hù)方式切換到異常中斷方式。假好像時(shí)發(fā)生兩個(gè)或更多異常，那么將按照固定的順序來(lái)處置異常。異常入口/出口匯總下表所示為異常前往地址值以及退出異常處置程序所引薦運(yùn)用的指令。異常或入口返回指令返回地址SWIMOVSPC,R14_svcR14未定義的指令MOVSPC,R14_undR14預(yù)取中止SUBSPC,R14_abt,#4R14－4快速中斷SUBSPC,R14_fiq,#4R14－4中斷SUBSPC,R14_irq,#4R14－4數(shù)據(jù)中止SUBSPC,R14_abt,#8R14－8復(fù)位無(wú)－1.2.5ARM體系的異常異常向量表地址異常進(jìn)入時(shí)的模式進(jìn)入時(shí)I的狀態(tài)進(jìn)入時(shí)F的狀態(tài)0x00000000復(fù)位管理禁止禁止0x00000004未定義指令未定義IF0x00000008軟件中斷異常管理禁止F0x0000000C中止（預(yù)?。┲兄笽F0x00000010中止（數(shù)據(jù)）中止IF0x00000014保留保留－－0x00000018IRQ中斷禁止F0x0000001CFIQ快速中斷禁止禁止注：表中的I和F表示不對(duì)該位有影響，保管原來(lái)的值。1.2.5ARM體系的異常異常優(yōu)先級(jí)當(dāng)多個(gè)異常同時(shí)發(fā)生時(shí)，一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)決議系統(tǒng)處置它們的順序。優(yōu)先級(jí)異常1復(fù)位2數(shù)據(jù)中止3FIQ4IRQ5預(yù)取指中止6未定義指令中止6軟件中斷異常優(yōu)先級(jí)由高到低S3C2440處置器引見(jiàn)三星ARM處置器引見(jiàn)S3C44B0：ARM7TDMI、66MHz、集成LCD控制器〔支持STN，但不支持TFT〕、無(wú)網(wǎng)絡(luò)接口；適用產(chǎn)品：POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能、電子書(shū)包、機(jī)頂盒，手持游戲機(jī)等等。160LQFP，160FBGA。支持LINUX、PSOS、uC/OSII等。S3C2410：ARM920T、200MHz、支持TFT、USBHOST、USBDEVICE、SDCard以及MMC接口、觸摸屏接口，NANDFLASH直接引導(dǎo)。無(wú)網(wǎng)絡(luò)接口。適用產(chǎn)品：POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能、電子書(shū)包、機(jī)頂盒，手持游戲機(jī)、電子相冊(cè)、多媒體產(chǎn)品、視頻監(jiān)控、智能控制儀表等等。272BGA。支持WINCE、LINUX、VxWorks等。三星ARM處置器引見(jiàn)S3C2440：ARM920T、400~533MHz、支持TFT、USBHOST、DEVICE、SDCard以及MMC接口、觸摸屏接口、AC’97CODEC、8通道10bitADC、照相機(jī)接口、289-FBGA，S3C2440CPU支持包括微軟WindowsCE、PalmOS、Symbian和Linux等操作系統(tǒng)

S3C2440功能特點(diǎn)S3C2440是三星公司開(kāi)發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核和0.18umCMOS工藝的16/32位RISC微處置器，適用于低成本、低功耗、高性能的手持設(shè)備或其它電子產(chǎn)品。S3C2440中集成了以下一些通用的系統(tǒng)外設(shè)和接口：1.8V內(nèi)核電壓，3.3V存儲(chǔ)電壓，3.3VI/O電壓。包括16KB的I-Cache〔指令高速緩存〕、16KB的D-Cache〔數(shù)據(jù)高速緩存〕和MMU〔存儲(chǔ)管理單元〕外部的存儲(chǔ)控制器〔SDRAM控制器和片選邏輯〕LCD控制器〔最高支持4K色的STN和16M色的TFT〕，包括一個(gè)LCDDMA4個(gè)帶外部懇求管腳的DMA3個(gè)UART、2個(gè)SPIS3C2440功能特點(diǎn)1個(gè)IIC-BUS控制器、1個(gè)IIS-BUS控制器SD主機(jī)接口，兼容Multi-MediaCardProtocolV2.112端口USB主設(shè)備接口、1端口USB從設(shè)備接口〔V1.1〕4個(gè)PWM時(shí)鐘和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘看門(mén)狗時(shí)鐘117個(gè)GPIO、24個(gè)外部中斷源功率控制：Normal,Slow,Idle,Power-off四種方式8路10-bitADC和觸摸屏接口帶ALARM功能的RTC帶PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器NANDFlash控制器,支持從NANDflash啟動(dòng)S3C2440X內(nèi)核構(gòu)造S3C2440X內(nèi)核構(gòu)造S3C2440的封裝〔289FBGA)S3C6410處置器引見(jiàn)ARM11系列微處置器是ARM公司近年推出的新一代RISC處置器，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該系列主要有ARM1J，ARM1156T2和ARM1176JZ三個(gè)內(nèi)核型號(hào)，分別針對(duì)不同運(yùn)用領(lǐng)域。ARMv6架構(gòu)是根據(jù)下一代的消費(fèi)類(lèi)電子、無(wú)線設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用和汽車(chē)電子產(chǎn)品等需求而制定的。ARM11的媒體處置才干和低功耗特點(diǎn)，特別適用于無(wú)線和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品；其高數(shù)據(jù)吞吐量和高性能的結(jié)合非常適宜網(wǎng)絡(luò)處置運(yùn)用；另外，在實(shí)時(shí)性能和浮點(diǎn)處置等方面ARM11可以滿(mǎn)足汽車(chē)電子運(yùn)用的需求。S3C6410簡(jiǎn)介S3C6410是一款低功率、高性?xún)r(jià)比、高性能的用于挪動(dòng)和通用途置RSIC處置器。為2.5G和3G通訊效力提供了優(yōu)化的硬件性能，采用64/32bit的內(nèi)部總線架構(gòu)，交融了AXI、AHB、APB總線。還有很多強(qiáng)大的硬件加速器，包括運(yùn)動(dòng)視頻處置、音頻處置、2D加速、顯示處置和縮放。一個(gè)集成的MFC(Multi-FormatvideoCodec)支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，這個(gè)硬件編解碼器支持實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議以及NTSC和PAL制式的TV輸出。此外還內(nèi)置一個(gè)采用最先進(jìn)技術(shù)的3D加速器，支持OpenGLES1.1/2.0和D3DMAPI能實(shí)現(xiàn)4Mtriangles/s的3D加速。S3C6410簡(jiǎn)介S3C6410包括優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口，該接口能滿(mǎn)足在高端通訊效力中的數(shù)據(jù)帶寬要求。接口分為兩路，DRAM和Flash/ROM/DRAM端口。DRAM端口可以經(jīng)過(guò)配置來(lái)支持MobileDDR、DDR、Mobile