ARM嵌入式系統(tǒng)PPT課件

1、ARM嵌入式系統(tǒng)原理及應用 主講：盛晨輝主講：盛晨輝第1頁/共68頁教學計劃教學計劃第二講第二講 基于基于LPC2000系列系列ARM的工程設計的工程設計第三講第三講 ARM程序設計程序設計第一講第一講 嵌入式系統(tǒng)概述及嵌入式系統(tǒng)概述及ARM7體系結構體系結構第五講第五講 ARM外圍硬件系統(tǒng)與接口技術外圍硬件系統(tǒng)與接口技術第四講第四講 LPC2000系列系列ARM內部硬件結構內部硬件結構第六講第六講 LPC2000系列系列ARM硬件結構及實驗硬件結構及實驗(1)第七講第七講 LPC2000系列系列ARM硬件結構及實驗硬件結構及實驗(2)第八講第八講 LPC2000系列系列ARM硬件結構及實驗硬

2、件結構及實驗(3)第2頁/共68頁第一講第一講 嵌入式系統(tǒng)概述及嵌入式系統(tǒng)概述及ARM7體系結構體系結構ARM7體系結構體系結構LPC2000系列系列ARM概述概述ARM嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述參考資料及文獻：參考資料及文獻：ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程（第嵌入式系統(tǒng)基礎教程（第2版）版）第一第一章、第二章、第四章章、第二章、第四章第3頁/共68頁嵌入式系統(tǒng)概述 概述 即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也是無處不在。嵌入式即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也是無處不在。嵌入式系統(tǒng)不僅存在于生活的方方面面，而且在很多領域和系統(tǒng)不僅存在于生活的方方面面，而且在很多領域和行業(yè)得到廣泛應用，包括工業(yè)自動化、國防、運輸以行業(yè)得

3、到廣泛應用，包括工業(yè)自動化、國防、運輸以及航空航天等。及航空航天等。 嵌入式系統(tǒng)具有無數的種類，每種種類都有自嵌入式系統(tǒng)具有無數的種類，每種種類都有自己獨特的個性。己獨特的個性。第4頁/共68頁計算機分為兩大類 通用計算機：PC機、服務器、工作站 專用計算機：硬件軟件可剪裁，通常是以嵌入式操作系統(tǒng) + 用戶應用程序，明顯的可嵌入性，對體積、成本、價格、功耗非常敏感，功能具有很強的針對性，通常要求可靠性和實時性第5頁/共68頁嵌入式系統(tǒng)的定義 從技術角度定義：以應用為中心，以計算機技術為基礎，硬件軟件可剪裁，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 從系統(tǒng)角度定義

4、：嵌入式系統(tǒng)是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。術語“嵌入式”反映了它通常是更大系統(tǒng)中的完整系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以有多個嵌入式系統(tǒng)。第6頁/共68頁嵌入式微處理器的分類 嵌入式微處理器MPU 嵌入式微控制器MCU 嵌入式數字信號處理器DSP第7頁/共68頁ARM技術的發(fā)展 ARM (Advanced RISC Machines) 是一家坐落在英國劍橋的電子公司，1990年11月由蘋果電腦、Acorn和VLSI Technology共同組建。 ARM公司既不設計芯片，也不生產芯片，他們以高效的IP (Intellectual Property) 內核為產品。第8頁/

5、共68頁ARM技術的發(fā)展 目前，幾十家大的半導體公司都是使用ARM公司的授權，在ARM內核及其技術的基礎上添加自己的設計并推出各種芯片產品，即ARM微處理器或ARM微控制器。 ARM芯片已遍及工業(yè)控制、消費電子、通信系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)以及生活的各個方面。已經改變了人們生活、工作和娛樂方式。 世界上大多數嵌入式系統(tǒng)32位微控制器芯片都是基于ARM內核的。 ARM已經成為嵌入式微處理器的代名詞，ARM公司成為全球性RISC標準的締造者。第9頁/共68頁第一講第一講 主要內容主要內容ARM7體系結構體系結構LPC2000系列系列ARM概述概述ARM嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述第10頁/共68

6、頁ARM體系結構 ARM處理器為RISC芯片，其簡單的結構使得ARM內核非常小，功耗也很低。RISC體系結構應具有如下特點：采用固定長度的指令格式，便于譯碼；采用固定長度的指令格式，便于譯碼；使用單周期指令，便于流水線操作；使用單周期指令，便于流水線操作；使用大量寄存器，數據處理指令只對寄存器操作，不直接操使用大量寄存器，數據處理指令只對寄存器操作，不直接操作存儲器；作存儲器；簡單的尋址模式；簡單的尋址模式；在一條數據處理指令中，同時完成邏輯處理和位移處理在一條數據處理指令中，同時完成邏輯處理和位移處理兩個功能，實現兩個功能，實現ALU和移位寄存器的最大利用；和移位寄存器的最大利用；所有的指令

7、都可以根據前面的執(zhí)行結構決定是否被執(zhí)行，提高指所有的指令都可以根據前面的執(zhí)行結構決定是否被執(zhí)行，提高指令的執(zhí)行效率；令的執(zhí)行效率；在循環(huán)處理中使用地址的自動增減，提高運行效率。在循環(huán)處理中使用地址的自動增減，提高運行效率。第11頁/共68頁各ARM體系結構版本 為清楚表達各ARM體系結構使用的指令集，ARM公司定義了5種主要的ARM指令集體系版本，即V1V5 。 各版本號有著巨大的改進和完善，并仍在改進中。第12頁/共68頁ARM處理器核簡介 ARM公司開發(fā)的很多系列的處理器內核，基于各種內核的處理器都有各自的特點和應用領域。目前使用比較廣泛的系列是： ARM7 ARM9 ARM9E ARM1

8、0 SecurCore Intel的Xscale第13頁/共68頁ARM處理器核簡介ARM7 ARM7系列微處理器包括四種類型內核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ-S。ARM7TDMI(-S)是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器。 T：支持16位壓縮指令集Thumb D：支持片上Debug M：內嵌硬件乘法器Multiplier I：嵌入式ICE，支持片上斷點調試 S：可綜合版本第14頁/共68頁ARM7TDMI(-S) ARM7TDMI(-S) 基于ARM 體系結構V4 版本，是目前低端的ARM 內核，具有優(yōu)異的性能，功耗很低，使用的門的數量少，

9、因而應用廣泛。 ARM7TDMI(-S) 支持32 位尋址范圍，彌補了ARM6 不能在低于5V 電壓下工作的不足。第15頁/共68頁ARM7TDMI(-S)內核框圖第16頁/共68頁ARM7TDMI(-S) ARM7TDMI(-S) 使用流水線來提高指令流的速度。ARM7TDMI(-S)的流水線分為三級：取址 譯碼 執(zhí)行。ARMThumbPCPC取指PC-4PC-2譯碼PC-8PC-4執(zhí)行周期1周期2周期3周期4周期5周期6取指 譯碼 執(zhí)行取指 譯碼 執(zhí)行取指 譯碼 執(zhí)行取指 譯碼 執(zhí)行第17頁/共68頁ARM處理器狀態(tài) 為了更好地控制代碼量，設計了2套指令系統(tǒng)，分別為ARM指令集和Thumb

10、指令集，ARM指令集為32位，Thumb指令集為16位。 ARM指令集具完整功能，Thumb功能上可看做ARM指令集的子集，具有很高的代碼密度 ARM狀態(tài)(默認)：執(zhí)行字方式的ARM指令。 Thumb狀態(tài)：執(zhí)行半字方式的Thumb指令。第18頁/共68頁ARM處理器狀態(tài) ARM指令集和Thumb指令集不能同時有效 ARM狀態(tài)下要使用Thumb指令必須進行狀態(tài)切換，反之亦然。當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中的控制位T反映處理器的當前狀態(tài) T=0表示ARM狀態(tài)； T=1表示Thumb狀態(tài)。l 處理器狀態(tài)的切換并不影響處理器的模式和寄存器的內容第19頁/共68頁ARM處理器狀態(tài) BX指令控制程序跳轉的同

11、時進行狀態(tài)切換。 使用BX指令進行狀態(tài)切換后，流水線中的取指和譯碼指令會被清除，避免出現處理器錯誤。 BX指令這種清空流水線的功能使得處理器狀態(tài)間的切換是安全的。使用MSR(寫狀態(tài)寄存器)直接修改CPSR的T位的做法是不安全的。第20頁/共68頁ARM處理器模式 ARM處理器共支持7種處理器模式，并以當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中的控制位M4:0反映處理器正在操作的模式。處理器模式說明用戶(usr)正常工作模式，不能直接切換到其他模式特權模式系統(tǒng)(sys)與用戶模式相似，但能直接切換到其他模式異常模式管理(svc)只有在系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時才進入此模式中止(abt)在ARM7內核中無效未定義

12、(und)只有在未定義指令異常響應時才進入此模式中斷(irq)只有在IRQ異常響應時才進入此模式快速中斷(fiq)只有在FIQ異常響應時才進入此模式第21頁/共68頁ARM處理器模式 只有特權模式下才能對當前程序狀態(tài)寄存器CPSR的所有控制位直接進行讀/寫訪問，而在非特權模式下只允許對CPSR的控制位進行間接訪問。 進入異常模式時，處理器總是切換到ARM狀態(tài)，而非Thumb狀態(tài)。 處理器復位后進入管理模式，操作系統(tǒng)內核通常處于管理模式。 用戶模式是正常運行的工作模式，系統(tǒng)模式具有與用戶模式完全相同的寄存器，但系統(tǒng)模式是特權模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，主要提供給操作系統(tǒng)的任務使用。第22頁/共

13、68頁ARM處理器內部寄存器 ARM7DMI內部有37個用戶可訪問的32位寄存器，其中6個32位寬的狀態(tài)寄存器目前只使用了其中的12位。 31個通用寄存器 6個狀態(tài)寄存器 在不同的工作模式下，程序員可以訪問的寄存器不完全相同。第23頁/共68頁ARM處理器內部寄存器第24頁/共68頁當前程序狀態(tài)寄存器CPSR ARM內核通過CPSR來監(jiān)視和控制內部操作，每種異常模式都有一個對應的程序狀態(tài)保存寄存器SPSR，用于保存任務在異常發(fā)生之前的CPSR的內容。CPSR包括：4個條件代碼標識(負標識N、零標識Z、進位標識C和溢出標識V)2個中斷禁止位(IRQ禁止與FIQ禁止)5個當前處理器模式編碼位(M4

14、:0)1個用于指示當前執(zhí)行指令狀態(tài)的位(ARM或Thumb)第25頁/共68頁當前程序狀態(tài)寄存器CPSRN Z C V IF T M4 M3 M2 M1 M0控制位控制位保留位保留位標識位標識位N、Z、C、V是條件代碼標識位，可以通過算術和邏輯操作來設置這些位，ARM處理器對這些位進行測試以決定是否執(zhí)行一條指令，實現條件執(zhí)行。 N 負標識，運算結果的最高位，記錄標識設置操作的結果 Z 零標識，如果標識設置操作的結果為0，置位 C 進位標識，記錄無符號加法溢出，減法借位 V 溢出標識，記錄標識設置操作的有符號溢出第26頁/共68頁當前程序狀態(tài)寄存器CPSR CPSR的低八位為控制位，分別是： 中

15、斷禁止I和F 處理器狀態(tài)位T 處理器模式位M4M0 發(fā)生異常時，控制位改變。當處理器在一個特權模式下操作時，可用軟件操作這些位。第27頁/共68頁異常向量表地址異常進入時的模式IF0 x00000000復位管理禁止 禁止0 x00000004未定義指令 未定義IF0 x00000008軟件中斷管理禁止 F0 x0000000C中止(預取)中止IF0 x00000010中止(數據)中止IF0 x00000014保留保留0 x00000018IRQ中斷禁止 F0 x0000001CFIQ快速中斷禁止 禁止第28頁/共68頁異常優(yōu)先級優(yōu)先級異常最高最低1復位2數據中止3FIQ4IRQ5預取指中止6未

16、定義指令6軟件中斷SWI第29頁/共68頁進入異常 保存返回地址到LR 保存CPSR的當前值到相應異常模式下的SPSR 設置CPSR為相應的異常模式，禁止相應中斷控制位，防止不受控制的中斷嵌套 設置PC為相應異常處理程序的中斷入口向量地址第30頁/共68頁退出異常 用LR中的值減去偏移量再恢復PC 用SPSR恢復CPSR 在入口處置位的中斷禁止控制位清零第31頁/共68頁復位異常 nRESET信號被拉低時，ARM處理器放棄正在執(zhí)行的指令； nRESET信號恢復高電平時，ARM處理器執(zhí)行以下操作： 強制進入管理模式 禁止IRQ和FIQ 進入ARM狀態(tài) 強制PC從0 x0000 0000開始執(zhí)行

17、復位后，除PC和CPSR之外的所有寄存器的值都是隨機的。第32頁/共68頁中斷請求異常IRQ IRQ中斷異常發(fā)生時，內核自動做如下處理： 將返回地址保存到R14_irq中 將CPSR保存到SPSR_irq中 禁止新的IRQ中斷，進入ARM狀態(tài)，進入IRQ異常模式 強制PC執(zhí)行0 x0000 0018地址的指令 如果需要嵌套IRQ中斷，那么必須在中斷服務程序中重新使能IRQ中斷。第33頁/共68頁FIQ快速中斷異常 CPSR的F位被清零時，可以發(fā)生FIQ異常。FIQ是優(yōu)先級最高的中斷，進入該中斷后會同時禁止任何外部中斷源再次發(fā)生中斷，除非在軟件中重新使能FIQ和IRQ。 FIQ有8個專用寄存器，

18、使得進入FIQ時不用壓棧，以提高響應速度。 FIQ入口地址在向量表頂部，可以不需要跳轉，直接放置中斷服務程序。第34頁/共68頁未定義指令異常 當ARM處理器遇到一條自己和系統(tǒng)內任何協(xié)處理器都無法執(zhí)行的指令時，發(fā)生未定義指令異常。 軟件可以使用這一機制通過仿真未定義的協(xié)處理器指令來擴展ARM指令集。第35頁/共68頁中止異常 中止表示當前對存儲器的訪問不能被完成。 中止有兩種類型：預取指中止和數據中止。第36頁/共68頁SWI軟件中斷異常 由于系統(tǒng)正常工作是在用戶模式下進行的，如果需要切換到特權模式就必須使用軟件中斷切換到管理模式。 該異常由執(zhí)行指令SWI產生，用于用戶模式下的程序調用特權操作

19、指令。第37頁/共68頁ARM體系的存儲系統(tǒng) ARM處理器采用馮諾依曼結構，指令和數據共用一條32位數據總線。ARM存儲器可以看做一個從0開始的線性遞增字節(jié)集合： 字節(jié)03保存第1個存儲的字 字節(jié)47保存第2個存儲的字 字節(jié)811保存第3個存儲的字 ARM處理器可以將存儲器中的字以下列格式存儲：大端(Big-endian)小端(Little-endian)。第38頁/共68頁存儲器格式 位于地址A的字包含的字節(jié)位于地址A、A+1、A+2、A+3 位于地址A的半字包含的字節(jié)位于地址A、A+1 位于地址A+2的半字包含的字節(jié)位于地址A+2、A+3 位于地址A的字包含的半字位于地址A、A+2第39頁

20、/共68頁LPC2000系列ARM指定為小端Little31-2423-1615-87-0字地址高地址低地址11109887654432100Big31-24 23-16 15-8 7-0字地址高地址低地址89101184567401230第40頁/共68頁第一講第一講 主要內容主要內容ARM7體系結構體系結構LPC2000系列系列ARM概述概述ARM嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述第41頁/共68頁LPC2000系列ARM概述 LPC2000系列ARM是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S的微控制器，芯片內集成豐富的外設，功耗卻很低。 具有64/144引腳封裝。 片內SRAM及

21、FLASH使單片運行成為可能。 外擴大容量存儲器。 片內PLL可實現60MHz操作頻率。 片內Boot裝載程序實現在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用編程(IAP)。第42頁/共68頁LPC2000系列ARM概述 4/8路10位A/D轉換器，轉換時間低至 2個32位定時器、PWM單元、實時時鐘和看門狗。 多個串行接口：UART、I2C和SPI。 向量中斷控制器。 2個低功耗模式：空閑和掉電。 可個別使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗。 雙電壓：內核、I/O操作。第43頁/共68頁LPC2000系列ARM概述第44頁/共68頁第45頁/共68頁不同芯片內部存儲器容量第46頁/共68頁對片內Flash編程的3種

22、方法 使用JTAG仿真器，通過芯片的JTAG接口下載程序。 使用在系統(tǒng)編程技術(ISP)，通過UART0接口下載程序。 使用在應用編程技術(IAP)，可以實現用戶程序運行時對FLASH進行擦除或編程。第47頁/共68頁對片內外存儲器的操作 對于SRAM，不管是片內片外，都可直接進行讀寫操作。 對于片內FLASH，可以直接讀取數據，可使用ISP或IAP進行擦除和編程。 對于片外FLASH，可以直接讀取數據，但是寫操作時必須進行時序控制。第48頁/共68頁存儲器映射 LPC2000絕大部分存儲器單元的地址是在芯片設計生產時就確定的，用戶無法修改。 ARM芯片對AHB外設、VPB外設、片內及片外存儲

23、器進行統(tǒng)一編址。第49頁/共68頁AHB和VPB AHB和VPB外設區(qū)域都為2MB，每個外設空間都為16KB，各自分配最多128個外設。 AHB外設掛接在芯片內部AHB總線上，具有較高的速度。 VPB外設掛接在芯片內部VPB總線上，速度相對較低。第50頁/共68頁預取指中止和數據中止異常 如果試圖訪問一個保留地址或未分配區(qū)域的地址，LPC2000系列ARM將產生預取指中止或數據中止異常。第51頁/共68頁存儲器映射模式模式激活說明Boot Block模式由任何復位硬件激活Boot Block異常向量映射到存儲器底部用戶片內FLASH模式由Boot代碼軟件激活不需要重映射用戶片內RAM模式由用戶

24、程序激活由用戶程序激活，異常向量表從靜態(tài)RAM底部重映射用戶外部存儲器模式復位時BOOT【1：0】不為11時激活中斷向量從外部存儲器的底部重映射第52頁/共68頁MEMMAP寄存器描述位位名稱描述復位值1：0 MAP1:000:BOOT裝載程序模式01:用戶FLASH模式10:用戶RAM模式11:用戶外部存儲器模式07：2保留NA第53頁/共68頁存儲器重映射 定義：為存儲器分配地址的過程稱為映射，為了增加系統(tǒng)的靈活性，系統(tǒng)中部分存儲單元可以同時出現在不同的地址上，即存儲器的重映射。重映射通過存儲器管理部件實現。 注意：存儲器重映射并不是對重映射單元的內容進行了復制，只是將多個地址指向了同一存

25、儲單元。 舉例：LPC2000系列處理器中Boot Block和異常向量表進行了重映射。第54頁/共68頁Boot Block Boot Block是芯片設計廠商在LPC2000系列ARM內部固化的一段代碼，用戶無法對其修改或刪除。 Boot Block在芯片復位后被首先運行。 LPC2200系列芯片的Boot Block為8KB，有的芯片中 Boot Block占用了用戶FLASH空間。 Boot Block存在于FLASH的頂部。 沒有片內FLASH的芯片也存在Boot Block。第55頁/共68頁Boot Block的重映射 Boot Block有些程序是可以被用戶調用的，為了增加用戶

26、代碼的可移植性，所以最好能把Boot Block代碼固定在某個地址上。由于各芯片片內FLASH大小不同，所以將Boot Block重映射到接近2GB的地方，這樣無論片內FLASH地址如何變化， Boot Block地址是不變的。第56頁/共68頁異常向量表地址異常0 x0000 0000復位0 x0000 0004未定義指令0 x0000 0008軟件中斷0 x0000 000C預取指中止0 x0000 0010數據中止0 x0000 0014保留0 x0000 0018IRQ0 x0000 001CFIQ第57頁/共68頁異常向量表及其重映射 ARM內核發(fā)生異常后，會使程序跳轉到位于0 x000000000 x0000001C的異常向量表處，再經過向量表跳轉到異常服務程序。 Boot Block 、FLASH、SRAM、外部存儲器中的中斷向量重映射到0 x000000000 x0000001C地址上。第58頁/共68頁Boot Block的功能 不同芯片的Boot Block不盡相同，以LPC2200系列ARM為例： 判斷運行哪個存儲器上的程序。 用戶代碼是否有效，無效時進入ISP狀態(tài)。 判斷芯片是否加密。 IAP ISP第59頁/共68頁MAM存儲器加速模塊 當系統(tǒng)時鐘工作在60MHz時，一條指令的執(zhí)行時間只需十幾