嵌入式系統(tǒng)第一講(2015研) 嵌入式系統(tǒng)概述資料

1、第一講 嵌入式系統(tǒng)(xtng)與ARM介紹電信(dinxn)學(xué)院崔寅鳴 Email: ymcui共一百二十九頁幾個(gè)(j )問題什么是嵌入式系統(tǒng)？我們這門課主要講什么？這門課是如何安排(npi)的？ ARM相關(guān)的介紹 共一百二十九頁本講主要(zhyo)內(nèi)容課程設(shè)置相關(guān)問題課程主要內(nèi)容課程設(shè)置安排實(shí)驗(yàn)室環(huán)境嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成要素(yo s)微處理器操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)流程開發(fā)流程調(diào)試方法ARM介紹：體系結(jié)構(gòu)編程模型ARM匯編共一百二十九頁實(shí)驗(yàn)室條件(tiojin)友善之臂公司Tiny210教學(xué)開發(fā)(kif)平臺三星S5PV210 (基于Cortex-A8內(nèi)

2、核) 1GHz微處理器Linux&Android操作系統(tǒng)共一百二十九頁課程主要(zhyo)內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)與ARM簡介ARM體系結(jié)構(gòu)、編程模型簡介指令系統(tǒng)簡介嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境(hunjng)與編程嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境及工具介紹嵌入式Linux程序開發(fā)Android系統(tǒng)開發(fā)初步Android開發(fā)環(huán)境搭建Android系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)初步Android系統(tǒng)用戶界面技術(shù)共一百二十九頁課程(kchng)特點(diǎn)理論結(jié)合實(shí)踐，通過實(shí)驗(yàn)掌握知識、鍛煉能力(nngl)課程涉及面廣，要求軟硬件綜合能力高硬件（嵌入式開發(fā)板、各種硬件接口）ARM匯編語言編程C語言編程Linux操作系統(tǒng)Java語言編程An

3、droid開發(fā)課程難學(xué)，要求花費(fèi)時(shí)間多共一百二十九頁課程(kchng)安排（一）217周（32學(xué)時(shí)）2-4周理論課（6學(xué)時(shí)）5-9周嵌入式Linux實(shí)驗(yàn)(shyn)（10學(xué)時(shí)）嵌入式Linux基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（系統(tǒng)構(gòu)建、Makefile實(shí)驗(yàn)、Bootloader實(shí)驗(yàn)、內(nèi)核編譯實(shí)驗(yàn)）嵌入式Linux驅(qū)動程序開發(fā)實(shí)驗(yàn)（驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)、IO口驅(qū)動實(shí)驗(yàn)）10-13周Android實(shí)驗(yàn)14-17周綜合實(shí)驗(yàn)（題目自選）共一百二十九頁評分標(biāo)準(zhǔn)理論課：10實(shí)驗(yàn)(shyn)：90實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)30%實(shí)驗(yàn)報(bào)告40%出勤20%共一百二十九頁內(nèi)部(nib)網(wǎng)絡(luò)資源ftp服務(wù)器：4，port: 21, user: emb ，pwd:

4、embeddedTiny210硬件平臺資料(zlio)ADS開發(fā)系統(tǒng)資料嵌入式Linux BSP軟件包實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書其他安裝軟件（虛擬機(jī)，Redhat9等）共一百二十九頁參考書及資料(zlio)（一）ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用(yngyng)基礎(chǔ)，北航出版社，馬忠梅等， 2002嵌入式系統(tǒng)Intel StrongARM結(jié)構(gòu)與開發(fā)，北航出版社，陳章龍等， 2002ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解，清華大學(xué)出版社，李駒光等， 2003Redhat Linux 9 從入門與精通，Michael Jang著，邱仲潘等譯，電子工業(yè)出版社Linux編程寶典，John Goerzen著，魏永明等譯，電子工業(yè)出版社共一百

5、二十九頁參考書及資料(zlio)（二）Alessandro Rubini，魏永明等譯，linux設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序，第二版，中國電力出版社，2002中國Linux論壇 嵌入式開發(fā)網(wǎng)精通Android 3，Satya Komatineni等著，人民郵電出版社共一百二十九頁Android網(wǎng)絡(luò)資源/ 開放源代碼，用于移植制作手機(jī)/豐富的資料，用于開發(fā)上層應(yīng)用程序/market 應(yīng)用程序市場下載SDK等相關(guān)軟件查看文檔在線幫助(bngzh)開發(fā)社區(qū)共一百二十九頁第一部分 嵌入式系統(tǒng)(xtng)概述共一百二十九頁應(yīng)用(yngyng)于航空航天軍事共一百二十九頁應(yīng)用(yngyng)于消費(fèi)電子產(chǎn)品共一

6、百二十九頁嵌入式Internet應(yīng)用(yngyng)共一百二十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義（一）IEEE對嵌入式系統(tǒng)的定義： Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant. “控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器(j q)和車間運(yùn)行的裝置”共一百二十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義（二）一般的定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心和以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的，并且軟硬件是可裁減的，能滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、實(shí)時(shí)性、成本(

7、chngbn)、體積、功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡單說，嵌入式系統(tǒng)就是應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件的一體化。共一百二十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的特點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)核?。阂话銘?yīng)用于小型電子裝置。專用性強(qiáng)：軟硬件結(jié)合緊密，針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。系統(tǒng)精簡：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件緊密融合，部分(b fen)無明顯區(qū)別。實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)： 合理調(diào)度多任務(wù)，RTOS開發(fā)平臺。專門的開發(fā)工具和環(huán)境。共一百二十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的基本構(gòu)成存儲器及外圍電路嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件嵌入式硬件系統(tǒng)嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口控制器及接插件嵌入式軟件系統(tǒng)板級支持包（BSP）操作系統(tǒng)（O

8、S/RTOS）設(shè)備(shbi)驅(qū)動（Device Driver）協(xié)議棧（Protocol Stack）應(yīng)用程序（Application）共一百二十九頁嵌入式處理器的分類(fn li)嵌入式微處理器（MPU)ARMDragonball Mc9328 Mx1Xscale270嵌入式微控制器(MCU) 8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等 嵌入式DSP處理器嵌入式片上系統(tǒng)(xtng)（SOC-System On Chip）嵌入式可編程片上系統(tǒng)（EPSOC）共一百二十九頁ARM嵌入式微處理器ARM公司成立于1990年，Saxby和12名工程師ARM=Advanced

9、RISC MachineRISC（精簡指令集） 的典型代表32位處理器技術(shù)嵌入式領(lǐng)域的主力軍ARM處理器有三大特點(diǎn)體積小、功耗低、成本低，性能(xngnng)高ARM/Thumb 32/16位雙指令系統(tǒng)全球眾多的合作伙伴共一百二十九頁CISC與RISCARMAdvanced RISC MachineCISCComplex Instruction Set Computer ,復(fù)雜指令集Intel, IA (Intel Architecture) 32架構(gòu)(ji u)AMDRISCReduced Instruction Set Computer，精簡指令集SPARC ,Sun與TI開發(fā)PA-RIS

10、C, HP開發(fā)Alpha, Compaq開發(fā)PowerPC ，IBM與Motorola開發(fā)MIPSARM二者在軟件和硬件上都不兼容共一百二十九頁RISC體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(tdin)采用(ciyng)固定長度的指令格式，指令規(guī)整、簡單（ARM指令為32位）使用單周期指令，便于流水線操作大量使用寄存器（ARM共有37個(gè)寄存器），數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器操作，訪問存儲器只使用Load/Store指令。共一百二十九頁ARMARM的產(chǎn)品ARM處理器內(nèi)核，以知識產(chǎn)權(quán)(zh sh chn qun)（IP）形式提供給IC生產(chǎn)廠家硬核：有和特定工藝相連系的物理版圖。軟核：用硬件描述語言或C語言寫成，用于功能仿真AR

11、M開發(fā)工具、SOC開發(fā)工具、評估板等ARM公司不生產(chǎn)芯片共一百二十九頁ARM贏利模式：專利授權(quán)費(fèi)+版費(fèi)目前在通信領(lǐng)域(ln y)處于統(tǒng)治地位，100%的CDMA手機(jī)和85%以上的WCDMA手機(jī)Intel Inside & Inside IntelARM芯片年出貨量超過幾十億片ARM營收中，手機(jī)芯片占2/3共一百二十九頁市場(shchng)情況1998年，ARM擁有30項(xiàng)專利技術(shù)，芯片出貨量為5100萬塊；而到了2010年，ARM公司擁有的專利技術(shù)就猛增至250項(xiàng)，芯片出貨量更是達(dá)到(d do)61億塊。2011年底，全球智能手機(jī)銷量達(dá)到4.13億部，超過個(gè)人電腦銷量。在手機(jī)領(lǐng)域，ARM市場占有

12、率超過90%在PC及平板電腦領(lǐng)域，2013年ARM處理器估計(jì)占有10%的份額共一百二十九頁ARM嵌入式微處理器共一百二十九頁嵌入式操作系統(tǒng)簡介(jin ji)使用操作系統(tǒng)(co zu x tn)的好處和壞處底層硬件抽象化，多任務(wù)，在比較復(fù)雜的應(yīng)用情況下優(yōu)勢明顯占用系統(tǒng)資源，簡單應(yīng)用情況下增加開發(fā)難度嵌入式系統(tǒng)有多種操作系統(tǒng)可供選擇VxWorks, Palm OS, Nucleus, pSOS, OS-9,QNX,uCOS-II,SymbianWindows CE, NT，XP,Window MobileLinux, uCLinuxAndroid、iOS共一百二十九頁嵌入式操作系統(tǒng)特點(diǎn)(tdin

13、)除具有普通操作系統(tǒng)的功能如任務(wù)調(diào)度、中斷處理等外，嵌入式操作系統(tǒng)還有以下特點(diǎn)：編碼體積小，適合有限的存儲空間面向應(yīng)用，可裁減和移植(yzh)部分要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，又稱實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）可靠性高以及較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能共一百二十九頁嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)共一百二十九頁嵌入式操作系統(tǒng)通常按體系的分類Windows兼容(jin rn)系列Windows CE/NT/XPLinux類嵌入式Linux, uCLinux,RTLinuxAndroid及其派生的iPhone、oPhone、LePhone等通信領(lǐng)域嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks, Nucleus,VRTX,QNS,pSOS其他如Sy

14、mbian、BlackBerry等共一百二十九頁嵌入式Linux特點(diǎn)(tdin)免費(fèi)和代碼公開支持多種硬件平臺可裁剪使用成本低強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能支持GUI開發(fā)豐富的開發(fā)技術(shù)資源共一百二十九頁Androidandroid一詞的本義指“機(jī)器人”，同時(shí)也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)的名稱，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，號稱是首個(gè)為移動(ydng)終端打造的真正開放和完整的移動(ydng)軟件。2008年9月22日，美國運(yùn)營商T-Mobile USA在紐約正式發(fā)布第一款Google手機(jī)T-Mobile G1。該款手機(jī)為臺灣宏達(dá)電代工制造

15、，是世界上第一部使用Android操作系統(tǒng)的手機(jī)，支持WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)，理論下載速率7.2Mbps，并支持Wi-Fi。共一百二十九頁Android歷史背景GPhone幕后(mhu)教父安迪洛賓2005年8月，洛賓將Android出售給Google共一百二十九頁Android平臺(pngti)架構(gòu)共一百二十九頁Android平臺(pngti)架構(gòu)共一百二十九頁Android系統(tǒng)(xtng)云應(yīng)用隨著3G逐漸普及(pj)，Android系統(tǒng)云應(yīng)用日益廣泛物聯(lián)網(wǎng)及智能生活 Google Android C2DM(Cloud to Device Messaging)實(shí)現(xiàn)云服務(wù)與手機(jī)間的互動。手

16、機(jī)支付、智能家居、醫(yī)療、衛(wèi)生、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用?；谖恢玫姆?wù)（LBS） 用無線網(wǎng)或GPS實(shí)現(xiàn)定位，導(dǎo)航，查詢等；手持端僅需顯示，復(fù)雜和巨大的數(shù)據(jù)在云端計(jì)算移動數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)存儲在云端，手持端僅顯示。數(shù)據(jù)同步、云硬盤等共一百二十九頁嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用(yngyng)開發(fā)本實(shí)驗(yàn)室條件支持：無OSADS集成開發(fā)(kif)環(huán)境有OS嵌入式LinuxWindows CEAndroid共一百二十九頁嵌入式產(chǎn)品開發(fā)過程(guchng)共一百二十九頁集成(j chn)開發(fā)環(huán)境ARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境，包括命令行開發(fā)工具、圖形開發(fā)工具、實(shí)用工具和支持

17、軟件4部分，可以(ky)進(jìn)行編輯、編譯及調(diào)試C、C+及匯編程序。Metrowerks CodeWarrior for ARM ADS v1.2ARM匯編及C程序的編輯、編譯AXD調(diào)試共一百二十九頁嵌入式應(yīng)用開發(fā)(kif)的調(diào)試由于嵌入式系統(tǒng)的可用資源有限(yuxin)，嵌入式開發(fā)和調(diào)試工作通常要通過高性能的宿主機(jī)完成。嵌入式應(yīng)用軟件通過宿主機(jī)上的交叉編譯器，完成交叉編譯和連接后下載到目標(biāo)機(jī)。 宿主機(jī)：進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)的主機(jī)目標(biāo)機(jī)：將要開發(fā)的目標(biāo)板共一百二十九頁嵌入式開發(fā)的調(diào)試(dio sh)方法大致有以下(yxi)幾種調(diào)試方法：模擬調(diào)試方式ROM Monitor方式（或Angel方式）ICE

18、仿真JTAG調(diào)試與仿真共一百二十九頁模擬(mn)開發(fā)調(diào)試方式模擬開發(fā)調(diào)試不需開發(fā)板硬件，一臺PC即可純軟件模擬嵌入式處理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模擬器。它雖然簡單可行，但是缺乏在線(zi xin)調(diào)試和實(shí)時(shí)仿真功能。共一百二十九頁ROM Monitor調(diào)試(dio sh)方式（一）ROM Monitor方式（或Angel方式）ROM Monitor（或Angel）是運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)的Flash或ROM的一段程序，它主要負(fù)責(zé)監(jiān)控(jin kn)目標(biāo)機(jī)上被調(diào)試程序的運(yùn)行情況。通過和宿主機(jī)的配合，完成嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試。它是目前低廉有效的一種調(diào)試方式。之前課程使用Metrowerk

19、s公司的CodeWarrior進(jìn)行開發(fā)調(diào)試時(shí)要用到的Metro-TRK就屬于這類軟件。共一百二十九頁ROM Monitor調(diào)試(dio sh)方式（二）共一百二十九頁ICE在線仿真(fn zhn)模式在線仿真(In Circuit Emulator)傳統(tǒng)硬件級仿真調(diào)試模式取下目標(biāo)板MPU；在線仿真器可以完全仿真MPU的行為；通過卡座等連接到目標(biāo)板。它支持(zhch)單步執(zhí)行、斷點(diǎn)、反匯編、源程序級調(diào)試。優(yōu)點(diǎn)：功能非常強(qiáng)大，軟硬件均可做到完全實(shí)時(shí)在線調(diào)試缺點(diǎn)：適合于簡單的MPU一般滯后MPU幾個(gè)月價(jià)格昂貴宿主機(jī)目標(biāo)板仿真器硬件連接示意圖共一百二十九頁JTAG仿真(fn zhn)調(diào)試方式（一）JT

20、AG（Joint Test Action Group）聯(lián)合測試行動小組，是IEEE的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)JTAG初始主要用于芯片內(nèi)部測試，可對具有JTAG接口的芯片的硬件(yn jin)電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測后用于調(diào)試：在芯片內(nèi)部定義TAP（Test Access Port)，可以訪問寄存器和掛在總線上的設(shè)備共一百二十九頁JTAG仿真調(diào)試(dio sh)方式（二）JTAG調(diào)試器硬件簡單，只進(jìn)行并口/usb和JTAG接口的電平轉(zhuǎn)換主要工作由主機(jī)軟件(run jin)完成，如JTAG/usb協(xié)議轉(zhuǎn)換等速度慢，一般10K/s級別JTAG仿真器硬件復(fù)雜，除完成JTAG/usb協(xié)議轉(zhuǎn)換，可能有MPU進(jìn)行控制提供

21、并口/USB接口等，速度快價(jià)格貴共一百二十九頁JTAG仿真調(diào)試(dio sh)方式（三）JTAG仿真器 ARM處理器為了方便調(diào)試，內(nèi)含Embeded ICE 宏單元，并留有JTAG調(diào)試接口，支持在線仿真(fn zhn)。它無需目標(biāo)存儲器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的端口。 使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器是目前最常用的一種調(diào)試方式。宿主機(jī)目標(biāo)板仿真器硬件連接示意圖共一百二十九頁JTAG仿真調(diào)試(dio sh)方式（四）共一百二十九頁ADS開發(fā)(kif)環(huán)境ARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境，包括命令行開發(fā)工具、圖形開發(fā)工具、實(shí)用工具和支持軟件4部分，可

22、以進(jìn)行(jnxng)編輯、編譯及調(diào)試C、C+及匯編程序。Multi 2000Multi 2000是Green Hills軟件公司（）開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境。它支持C/C+/Ada 95/Fortran編程語言，可運(yùn)行與Windows和UNIX平臺。共一百二十九頁嵌入式Linux開發(fā)(kif)調(diào)試嵌入式Linux工具(gngj)鏈 交叉編譯器GCCarm-linux-gcc項(xiàng)目管理工具M(jìn)AKE調(diào)試工具GDBbreak設(shè)置斷點(diǎn)Run執(zhí)行程序Step單步跟蹤進(jìn)入Next單步不進(jìn)入函數(shù)Print, Display顯示變量值Quit共一百二十九頁Android開發(fā)(kif)環(huán)境Android開發(fā)環(huán)境(hun

23、jng)應(yīng)用層Eclipse+SDKJAVA本地代碼開發(fā)環(huán)境NDK共一百二十九頁 第二(d r)部分 ARM體系結(jié)構(gòu)、編程模型、匯編語言介紹共一百二十九頁ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(fzhn)共一百二十九頁ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(fzhn)2012年11月，ARM公司宣布(xunb)推出ARM v8架構(gòu)的cortex-A50系列處理器。共一百二十九頁ARM版本(bnbn)概覽共一百二十九頁ARM 版本(bnbn)性能結(jié)構(gòu)概覽共一百二十九頁ARM處理器命名(mng mng)規(guī)則ARM7TDMI核命名規(guī)則7 體系結(jié)構(gòu) T Thumb 代碼(di m)支持 (16 bit 指令)D Debug 硬件調(diào)試模塊

24、支持M 加強(qiáng)的乘法支持I EmbeddedICE LogicS 可綜合的軟核E DSPJ Jazeller，允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼共一百二十九頁ARM處理器系列(xli)共一百二十九頁ARM7系列(xli)處理器特點(diǎn)（一）ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等采用ARMV4T結(jié)構(gòu)常見芯片主頻為20133MHzARM720T以下沒有MMU適合對價(jià)位(ji wi)和功耗要求較高的產(chǎn)品。3級流水線和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)支持Window CE、Linux Palm OS等共一百二十九頁ARM7系列(xli)處理器特點(diǎn)（二）指令和數(shù)據(jù)Cache(ARM710,720,740)平均功耗0.6mW

25、/MHz每條指令平均需要1.9時(shí)鐘周期(zhuq)處理速度0.9MIPS/MHz小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核廣泛應(yīng)用于手持式計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)類多媒體共一百二十九頁ARM9系列(xli)處理器特點(diǎn)（一）ARM9系列(xli): MX1采用ARM920T核采用ARMV4T結(jié)構(gòu)常見的芯片主頻為100233MHz5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)支持32位的高速AMBA總線接口MMU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)共一百二十九頁ARM9系列(xli)處理器特點(diǎn)（二）指令數(shù)據(jù)分離的Cache（ARM920,940,9E）平均功耗0.7mW/MHz132MIPS（120MHz時(shí)鐘，3.3V供電）或220MIPS（200

26、MHz時(shí)鐘）配寫緩沖低價(jià)、低能耗、高性能應(yīng)用于高級引擎管理、保安(bo n)系統(tǒng)、機(jī)頂盒、便攜計(jì)算機(jī)和高檔打印機(jī)共一百二十九頁ARM9E處理器特點(diǎn)(tdin)（略）ARM9E系列采用ARMV5TE結(jié)構(gòu)5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)緊耦合的存儲器接口支持32位的高速AMBA總線接口MMU支持DSP指令集，適合高速數(shù)字信號處理支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有(jyu)指令Cache和數(shù)據(jù)Cache支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器共一百二十九頁ARM10系列(xli)處理器特點(diǎn)（一）ARM10系列采用ARMV5TE結(jié)構(gòu)6級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)支持64位的高速AHB總線接口MMU支持DSP指令集，適合高速數(shù)字信號處理支持實(shí)時(shí)操作系

27、統(tǒng)具有指令Cache和數(shù)據(jù)(shj)Cache支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器共一百二十九頁ARM10系列(xli)處理器特點(diǎn)（二）時(shí)鐘速度300MHz每條指令平均(pngjn)需要1.2個(gè)時(shí)鐘周期適用于高性能手持式因特網(wǎng)設(shè)備，數(shù)字式消費(fèi)類產(chǎn)品共一百二十九頁ARM11系列(xli)處理器特點(diǎn)ARM11采用ARMV6結(jié)構(gòu)8級流水時(shí)鐘(shzhng)達(dá)到550MHz0.13um工藝支持IEM(Intelligent Energy Manager),節(jié)約高達(dá)75的處理器功耗ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S首批含有Thumb-2內(nèi)核技術(shù)共一百二十九頁一些(yxi)廠商的ARM處理器（一）S

28、ecureCore系列專為安全需要而設(shè)計(jì)(shj)靈活的保護(hù)單元Strong ARM融合了Intel技術(shù)的具有ARM體系結(jié)構(gòu)的32位處理器采用ARMV4T結(jié)構(gòu)5級流水Intel以SA110命名包括SA1100 PDA系統(tǒng)芯片和SA1500 多媒體處理器芯片共一百二十九頁一些(yxi)廠商ARM處理器（二）XscaleIntel新一代的性能(xngnng)全、性價(jià)比高、低功耗的微處理器 ARMV5TE7級超流水線32k數(shù)據(jù)緩存、32k指令緩存共一百二十九頁ARM v7Cortex分為A，R，M三個(gè)系列A系列（適用復(fù)雜軟件系統(tǒng)）使用MMU，支持虛擬內(nèi)存。A5、A7、A8、A9、A15全系列產(chǎn)品的支

29、持。R系列（實(shí)時(shí)處理器）實(shí)時(shí)處理器，具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)響應(yīng)限制 。使用MPU（memory protection unit），只能運(yùn)行在內(nèi)存保護(hù)模式。M系列（成本和功耗出色）不支持原ARM指令，使用Thumb-2指令集。加入NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），提供更快的中斷(zhngdun)處理、還有負(fù)責(zé)CPU在深層睡眠時(shí)的中斷處理WIC（Wake-up Interrupt Controller）。共一百二十九頁Cortex-A系列(xli)核心共一百二十九頁ARM v82012年11月，ARM宣布推出ARMv8架構(gòu)ARM Cortex-A50處理

30、器系列產(chǎn)品 。該系列率先推出的是Cortex-A53與Cortex-A57處理器以及最新節(jié)能64位處理技術(shù)與現(xiàn)有32位處理技術(shù)的擴(kuò)展升級。ARMv8是一個(gè)真正意義上的64位，同時(shí)這個(gè)64位的架構(gòu)當(dāng)中加入了或者說提供(tgng)了32位的支持。 Cortex-A57是ARM最先進(jìn)、性能最高的應(yīng)用處理器，而Cortex-A53不僅是功耗效率最高的ARM應(yīng)用處理器，也是全球最小的64位處理器。 共一百二十九頁ARM v8Cortex-A 57，是為智能手機(jī)和超級手機(jī)功耗級別提供最新的性能，超級手機(jī)指的是三星的Glaxay3或者是蘋果的iPhone5手機(jī)這級別的手機(jī)。Cortex-A53在性能方面大概

31、和Cortex-A9是相當(dāng)?shù)?，但是它的尺寸小得多。?2納米的制程上能減少40%的尺寸，如果到了20納米的話可能(knng)只有目前主流CPU1/4的尺寸。所以說A53可能對于低功耗的這樣一個(gè)智能手機(jī)是一個(gè)很好的選擇。上述兩款A(yù)RM v8產(chǎn)品預(yù)計(jì)2014年上市。 共一百二十九頁2012年后，高通處理器占據(jù)(zhnj)手機(jī)處理器王者地位。2015年預(yù)計(jì)正式發(fā)布的幾款手機(jī)來看，三星的Exynos 7420、高通的驍龍810都是A57+A53的大小核結(jié)構(gòu)。MTK的X10的（即MT6795），8核心A53，主頻2.2GHZ，勝在功耗較低。下半年據(jù)稱將采用更強(qiáng)大的A72華為的麒麟930用了八核的A53蘋

32、果A8處理器，雙核1.4GHz，不遜驍龍800（2.5G四核）；A8x處理器，獨(dú)一無二的三核CPU，64位共一百二十九頁ARM v8共一百二十九頁ARM v7 v8性能(xngnng)功耗對比共一百二十九頁 ARM處理器架構(gòu)(ji u)（略）共一百二十九頁ARM編程模型(mxng)共一百二十九頁主要(zhyo)內(nèi)容解決以下問題(wnt)：處理器是怎樣運(yùn)行的？有哪些工作模式？什么情況下進(jìn)入何種工作模式？（異常處理）共一百二十九頁處理器是如何(rh)工作的？上電順序執(zhí)行，ARM/Thumb雙指令系統(tǒng)跳轉(zhuǎn): B、BL、BX、BLX出現(xiàn)異常，進(jìn)入(jnr)異常處理，處理后返回共一百二十九頁ARM處理器

33、異常(ychng)處理模式當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式中都有專用寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣(zhyng)就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器（保存了程序運(yùn)行狀態(tài)）不被破壞。共一百二十九頁ARM處理器支持的運(yùn)行(ynxng)模式ARM處理器共支持7種運(yùn)行模式，分別為：用戶（usr）：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)；系統(tǒng)模式（sys）：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)； 快速中斷（fiq）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理；外部中斷（irq）：用于通用的中斷處理；管理模式（svc）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式；中止(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令訪問中止時(shí)進(jìn)入

34、該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護(hù)；未定義(und)：當(dāng)未定義指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于硬件協(xié)處理器的軟件(run jin)仿真。共一百二十九頁ARM處理器運(yùn)行(ynxng)模式除用戶模式之外的其余6種稱為非用戶模式，或特權(quán)模式（Privileged Modes）；而特權(quán)模式中，除系統(tǒng)模式之外的其余5種又稱為異常模式（Exception Modes）。用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，不能訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源。應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理(chl)器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理(chl)器模式切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理(chl)，在異常處理(chl)過程中進(jìn)行處理(chl)器處理(chl

35、)器模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。共一百二十九頁系統(tǒng)(xtng)模式系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用(shyng)。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用用戶模式的寄存組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)可以正常保存當(dāng)前工作狀態(tài)，進(jìn)行模式切換共一百二十九頁ARM的寄存器組織(zzh)ARM處理器共有37個(gè)32位寄存器，其中31個(gè)為通用寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。ARM狀態(tài)下的寄存器組織(

36、zzh)未分組寄存器R0R7分組寄存器R8R14程序計(jì)數(shù)器R15（PC）當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 (CPSR)備份的程序狀態(tài)寄存器(SPSR)共一百二十九頁共一百二十九頁Thumb狀態(tài)(zhungti)下的寄存器組織Thumb狀態(tài)下的寄存器組織(zzh)通用寄存器R0R7程序計(jì)數(shù)器PC堆棧指針SP(R13)連接寄存器LRCPSP和SPSR共一百二十九頁共一百二十九頁R13（SP堆棧(duzhn)指針）每種異常模式都有備份寄存器R13_usr, R13_svc, R13_abt, R13_und, R13_irq, R13_fiq用作堆棧指針每種異常模式有自己專用的棧地址(dzh)R13用于被中斷程序

37、的現(xiàn)場保護(hù)，即保存需要保護(hù)的寄存器值共一百二十九頁R14（LR連接(linji)寄存器）每種異常模式都有備份寄存器R14_usr, R14_svc, R14_abt, R14_und, R14_irq, R14_fiq作用存放當(dāng)前子程序的返回地址異常中斷發(fā)生(fshng)時(shí)，該異常模式R14_xxx被設(shè)置為將要返回的地址共一百二十九頁R15（PC程序(chngx)計(jì)數(shù)器）指令(zhlng)地址PC=當(dāng)前執(zhí)行指令地址8地址值字對齊及半字對齊例MOV PC,PC;跳轉(zhuǎn)到下面第二條指令共一百二十九頁狀態(tài)(zhungti)寄存器狀態(tài)寄存器:當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 CPSR，可以在任何工作模式下被訪問；程序

38、狀態(tài)備份寄存器SPSR，只有在異常(ychng)模式下，才能被訪問 ；共一百二十九頁CPSR當(dāng)前程序(chngx)狀態(tài)寄存器（一）當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR N：補(bǔ)碼形式的有符號數(shù)運(yùn)算時(shí)，1為負(fù)，0為正；Z：1表示結(jié)果為零；C：加減法的進(jìn)位或借位(ji wi)，以及非加減法的最后移位；V：1表示補(bǔ)碼形式的有符號數(shù)加減運(yùn)算時(shí)符號位溢出；共一百二十九頁CPSR當(dāng)前程序(chngx)狀態(tài)寄存器（二）Q：v5以上版本才有，描述增強(qiáng)DSP運(yùn)算指令是否發(fā)生(fshng)溢出；I、F：中斷禁止位，1表示中斷禁止；T：指示處理器處于ARM或Thumb工作狀態(tài)；共一百二十九頁CPSR當(dāng)前程序(chngx)狀態(tài)寄

39、存器(三)M4:0：表示處理器的運(yùn)行(ynxng)模式0b10000User0b10001FIQ0b10010IRQ0b10011Supervisor0b10111Abort0b11011Undefined0b11111System共一百二十九頁ARM控制程序執(zhí)行(zhxng)的方式正常執(zhí)行，每執(zhí)行一條指令A(yù)RM指令PC+4Thumb指令PC+2跳轉(zhuǎn):B、BL、BX、BLX異常中斷執(zhí)行完當(dāng)前指令，跳轉(zhuǎn)到異常中斷處理程序執(zhí)行完返回到發(fā)生中斷(zhngdun)指令的下一條處要保護(hù)和恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場共一百二十九頁ARM處理器的異常中斷（一）異常是指正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生暫時(shí)的停止或改變，例如

40、在復(fù)位、有中斷請求及指令預(yù)取中止時(shí)； ARM處理器支持(zhch)7種類型的異常。 復(fù)位（RESET)：當(dāng)處理器的復(fù)位電平有效時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常處理程序處執(zhí)行。 未定義指令(UDEF)：當(dāng)ARM處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時(shí)，產(chǎn)生未定義指令異常?？墒褂迷摦惓C(jī)制進(jìn)行軟件仿真。 軟件中斷(SWI)：該異常由執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，可用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作指令。使用該異常機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用。共一百二十九頁ARM處理器的異常中斷（二）指令預(yù)取中止(PABT)：若處理器預(yù)取指令的地址不存在(cnzi)，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問，存儲器會向處理器發(fā)出中止信號，但當(dāng)預(yù)

41、取的指令被執(zhí)行時(shí)，才會產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常。數(shù)據(jù)中止(DABT)：若處理器數(shù)據(jù)訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問時(shí)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。IRQ（外部中斷請求）：當(dāng)處理器的外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的I位為0時(shí)，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可通過該異常請求中斷服務(wù)。FIQ（快速中斷請求）：當(dāng)處理器的快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位為0時(shí)，產(chǎn)生FIQ異常。共一百二十九頁中斷向量表異常類型模式正常向量地址高向量地址復(fù)位管理0 x000000000 xFFFF0000未定義指令未定義0 x000000040 xFFFF0004軟件中斷管理0 x000000080 xFFFF0

42、008指令預(yù)取中止中止0 x0000000C0 xFFFF000C數(shù)據(jù)中止中止0 x000000100 xFFFF0010IRQIRQ0 x000000180 xFFFF0018FIQFIQ0 x0000001C0 xFFFF001C共一百二十九頁異常中斷優(yōu)先級異常優(yōu)先級異常類型1（最高）復(fù)位2數(shù)據(jù)中止3FIQ4IRQ5預(yù)取中止6未定義指令，SWI共一百二十九頁ARM處理器對異常(ychng)的處理（一）對異常的響應(yīng)：將下一條指令的地址存入相應(yīng)異常類型的連接寄存器LR_mode；將CPSR復(fù)制到相應(yīng)異常類型的SPSR_mode中；設(shè)置CPSR的M4:0,強(qiáng)制改變到相應(yīng)的運(yùn)行模式；禁止正常中斷，

43、如果異常類型為快速中斷或復(fù)位(f wi)，同時(shí)禁止快中斷；強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序處。共一百二十九頁ARM處理器對異常(ychng)的處理（二）異常返回從堆棧(duzhn)中恢復(fù)用戶寄存器將SPSR_mode復(fù)制回CPSR中復(fù)制LR_modePC共一百二十九頁未定義異常(ychng)的操作過程進(jìn)入異常：R14_und=產(chǎn)生異常的下一條指令地址SPSR_und=CPSRCPSR4:0=0b11011/*進(jìn)入未定義運(yùn)行模式*/CPSR5=0/*進(jìn)入ARM工作狀態(tài)*/CPSR7=1/*禁止正常中斷(zhngdun)*/如果設(shè)置了高向量模式，則PC=0

44、 xFFFF0004 否則PC=0 x00000004退出異常：MOVS PC R14 恢復(fù)PC（從R14_und）和CPSR（從SPSR_und），并返回到該未定義指令的下一條指令處共一百二十九頁ARM推薦的異常(ychng)退出指令異常類型R14（ARM）R14（Thumb）返回指令BLPC+4PC+2MOV PC, R14SWIPC+4PC+2MOVS PC, R14UDEFPC+4PC+2MOVS PC, R14FIQPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4IRQPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4PABTPC+4PC+4SUBS PC,R14,#4DABTPC+8PC+8

45、SUBS PC,R14,#8RESET-共一百二十九頁例：SWI中斷(zhngdun)的R14例如(lr)：0 x8000 mov .0 x8004 add .0 x8008 SWI .0 x800C mov .0 x8010 add .當(dāng)程序執(zhí)行SWI異常時(shí)，PC指向0 x8010，在跳轉(zhuǎn)到異常向量的之前，ARM會把R14調(diào)整到0 x800C共一百二十九頁ARM數(shù)據(jù)類型字（Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字的長度為32位，而在8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中，字的長度一般為16位，請注意(zh y)區(qū)分。 半字（Half-Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，半字的長度為16位，與8位/16位處理器體

46、系結(jié)構(gòu)中字的長度一致。 字節(jié)（Byte）：在ARM體系結(jié)構(gòu)和8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中，字節(jié)的長度均為8位。共一百二十九頁存儲器組織(zzh)以0 x87654321為例小端方式對應(yīng)(duyng)于地址A+3=0 x87,A+2=0 x65,A+1=0 x43,A=0 x21大端方式對應(yīng)于地址A=0 x87,A+1=0 x65,A+2=0 x43,A+3=0 x21ByteA+3ByteA+2ByteA+1ByteABit31 bit0共一百二十九頁字對齊(du q)與半字對齊(du q)ARM狀態(tài)，字地址的低兩位bits1:0必須為0b00，半字地址的最低位bit0為0b0Thumb狀態(tài)，

47、字地址最地位(dwi)bit0必須為0b0如果寫入PC的指令地址非對齊ARMV3及以下，忽略R15的bits1:0ARMV4及以上，執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知Thumb，忽略R15的bit0共一百二十九頁ARM處理器工作(gngzu)狀態(tài)從編程的角度看，ARM處理器有2種工作狀態(tài)并可自由(zyu)切換：ARM狀態(tài)：處理器執(zhí)行32位的、字對準(zhǔn)ARM指令；Thumb狀態(tài)：處理器執(zhí)行16位、半字對準(zhǔn)的Thumb指令。共一百二十九頁ARM/Thumb狀態(tài)(zhungti)的切換ARM處理器總是從ARM狀態(tài)開始執(zhí)行可用指令實(shí)現(xiàn)(shxin)狀態(tài)切換BLXLDR、LDM及POP當(dāng)處理器進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)，自動切

48、換到ARM狀態(tài)如果從Thumb狀態(tài)進(jìn)入異常，處理完成退出后仍自動進(jìn)入Thumb狀態(tài)共一百二十九頁立即(lj)數(shù)一條ARM指令32位，可能含12位立即數(shù)immediate=immed_8循環(huán)右移(2*rotate_imm)合法(hf)：0 xff,x0104,0 xff0,0 x3f0非法：0 x101,0 xff1,0 x102(非偶數(shù)位)Qu:0 x1fc共一百二十九頁ARM指令系統(tǒng)(zh ln x tn)跳轉(zhuǎn)B，BL，BLX移位(y wi)ASR,LSL,LSR,ROR,ROX存儲加載LDR,STR軟中斷SWI共一百二十九頁指令名指令含義操作ADD相加Rd=Rn+op2SUB相減Rd=Rn

49、-op2RSB反向相減Rd=op2-RnADC帶進(jìn)位加Rd=Rn+op2+CSBC帶借位減Rd=Rn-op2+C-1RSC反向帶借位減Rd=op2-Rn+C-1AND位與Rd=Rn AND op2ORR位或Rd=Rn OR op2EOR位異或Rd=Rn EOR op2BIC位清零Rd=Rn AND NOT op2MOV傳送Rd=op2MVN傳送非Rd=NOT op2CMP比較Rn-op2CMN負(fù)向比較Rd=op2-RnTST測試Rn AND op2TEQ測試相等Rn EOR op2共一百二十九頁指令名指令含義操作MUL乘法Rd=Rm*RsMLA乘加Rd=Rm*Rs+RnUMULL無符號數(shù)乘法R

50、dH: RdL = Rm*RsUMLAL無符號數(shù)乘加RdH: RdL += Rm*RsSMULL有符號數(shù)乘RdH: RdL = Rm*RsSMLAL有符號數(shù)乘加RdH: RdL += Rm*Rs共一百二十九頁多寄存器加載/存儲(cn ch)指令（一）該指令完成多個(gè)通用寄存器與存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳送。 LDM|STM cond 尋址方式 Rn !,通用寄存器組 符號的含義：尋址方式為：IA、IB、DA、DB、FD、ED、FA、EA；Rn： 基址寄存器，不允許為R15 （PC）；?。褐噶顖?zhí)行后，刷新(shu xn)基址寄存器Rn“”：當(dāng)寄存器列表包含PC且為LDM指令時(shí)，同時(shí)將SPSR拷貝到CPS

51、R，用于異常返回；當(dāng)寄存器列表不包含PC，指示指令中所有的寄存器為用戶模式下的寄存器共一百二十九頁LDM / STM 操作(cozu)語法： Rb!, 四 種尋址操作(cozu): LDMIA / STMIAIncrement After（先操作，后增加） LDMIB / STMIBIncrement Before（先增加，后操作） LDMDA / STMDADecrement After （先操作，后遞減） LDMDB / STMDBDecrement Before （先遞減，后操作）IAr1地址增加r4r0r1r4r0r1r4r0r1r4r0r10IBDADBLDMxx r10, r0,r

52、1,r4STMxx r10, r0,r1,r4基址寄存器 (Rb)共一百二十九頁存儲器塊拷貝可選項(xiàng)“ ! ”將導(dǎo)致LDM / STM 指令去自動更新基址寄存器后綴為IA, IB時(shí)，加上4 乘以 用于傳送的寄存器的數(shù)目的值后綴為DA, DB時(shí)，減去4乘以用于傳送的寄存器的數(shù)目的值示例:; r12指向源數(shù)據(jù)起始地址; r14指向源數(shù)據(jù)尾地址; r13指向目的數(shù)據(jù)起始地址loopLDMIAr12!, r0-r11; 裝載48 bytesSTMIAr13!, r0-r11;存儲themCMPr12, r14; check for the endBNEloop;loop until done此循環(huán)傳送 48 bytes占用(zhn yn)了31周期時(shí)鐘為33 MHz時(shí)傳輸速率超過50 Mbytes/sec存儲器增加(zngji)r13r14r12共一百二十九頁多寄存器加載/存儲(cn ch)指令（二）例如：STMFD R13!, R0, R4-R7, LR ；寄存器進(jìn)棧LDMFD R13!, R0, R4-R7, PC ；寄存器返回注：基址寄存器可以出現(xiàn)在寄存器列表中，但要避免和寫回操作(cozu)“！”同時(shí)使用。R15可以出現(xiàn)在LDM指令的寄存器列表中；但要避免出現(xiàn)在STM指令的寄存器列表中，此時(shí)