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1、第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 第2章 嵌入式微处理器及ARM9 硬件开发平台 2.l 嵌入式微处理器 2.2 ARM9微处理器简介 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 2.1.1 嵌入式微处理器的类型 嵌入式微处理器是指应用在嵌入式计算机系统中的微处理 器。与通用计算机系统的CPU相比，嵌入式微处理器具有品 种多、体积小、成本低、集成度高的特点。从1971年Intel公 司推出第一块微处理器芯片4004到今天，嵌入式微处理器已 经有30多年的发展历史。 2.l 嵌入式微处理器 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 如图2-1所示，嵌入式硬件系统一般由嵌入式微处
2、理器 、存储器和输入/输出部分组成。其中嵌入式微处理器是嵌 入式硬件系统的核心，通常由三大部分组成：控制单元、算 术逻辑单元和寄存器。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 图2-1 嵌入式硬件系统的基本结构 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 各部分的主要功能如下： (1) 控制单元：主要负责取指、译码和取操作数等基本 操作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的 寄存器：程序计数器(PC)和指令寄存器(IR)。程序计数器用 于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到 正确的内存处取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的 指令，通过译码，产生必要的控制信号
3、送到算术逻辑单元完 成相关的数据处理。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 (2) 算术逻辑单元：算术逻辑单元分为两部分，一部分 是算术运算单元，主要处理数值型数据，完成数学运算，如 加、减、乘、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元， 主要处理逻辑运算，如AND、OR、XOR或NOT等运算。 (3) 寄存器：用于存储暂时性的数据，主要是由存储器 中所得到的数据(这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理) 和算术逻辑单元中处理好的数据。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 嵌入式微处理器的字长宽度可为4位、8位、16位、32位 和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器，
4、32位及 以上的称为嵌入式微处理器。 如果按集成度划分，嵌入式微处理器系统可分为两种： 一种是微处理器内部仅包含单纯的中央处理器单元，称为一 般用途型微处理器；另一种则是将CPU、ROM、RAM及I/O 等部件集成到同一个芯片上，称为单芯片微控制器。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 如果按用途划分，嵌入式微处理器可分为以下几类： (1) 嵌入式微控制器(MCU)，又称为单片机。微控制器 的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制领域，因此称为 微控制器。微控制器芯片内部集成有ROM/EPROM、RAM 、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、 脉宽调制输出(PWM)、
5、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种 必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大 特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可 靠性提高。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 由于嵌入式微控制器低廉的价格、优良的功能，因此品 种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、 MCS-96/196/296、C166/167、68K系列以及 MCU8XC930/931、C540、C541，并且支持I2C、CAN-BUS 、LCD及众多专用嵌入式微控制器和兼容系列。目前嵌入式 微控制器占嵌入式系统约70%的市场份额。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬
6、件开发平台 (2) 嵌入式微处理器(EMPU)，它由通用计算机中的CPU 发展而来。它的特征是具有32位以上的处理器，较高的性能 ，当然其价格也相应较高。但与计算机CPU不同的是，在实 际嵌入式应用中，EMPU只保留和嵌入式应用紧密相关的功 能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就可以最低的功耗 和资源实现嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器与用于 桌面计算机的CPU相比具有体积小、重量轻、功耗低、成本 低及可靠性高的优点。通常嵌入式微处理器把CPU、ROM 、RAM及I/O等元件做到同一个芯片上，也称为单板计算机 。当前，主要的嵌入式微处理器有ARM、MIPS、POWER PC和基于X86的3
7、86EX等。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 (3) 嵌入式 DSP处理器，是专门用于信号处理方面的处 理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有 很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱 分析等各种仪器上，DSP获得了大量的应用。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 (4) 嵌入式片上系统(SOC)，是追求产品系统最大包容 的集成器件。SOC最大的特点是成功实现了软/硬件无缝结 合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述 语言，可实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统 设
8、计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只 需要使用精确的语言，综合时序设计，直接在器件库中调用 各种通用处理器的标准，然后通过仿真，之后就可以直接交 付芯片厂商进行生产。SOC的绝大部分系统构件都是在系统 内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗 ，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 2.1.2 典型32位ARM微处理器的结构和特点 32位微处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空间 达到了4 G。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有 ARM系列、MIPS系列、PoweRPC系列等。属于这些系列的 嵌入式微处理
9、器产品，有千种以上。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 1ARM概述 ARM(Advanced RISC Machine)公司是一家专门从事芯 片IP设计与授权业务的英国公司，其产品有ARM内核以及 外围接口。ARM内核是一种32位RISC微处理器，具有功耗 低、性价比高和代码密度高等特点。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 ARM微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持 运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成为AISC标准 。ARM处理器核是系统中的引擎，它从存储器读取ARM或 Thumb的指令并执行这些指令。ARM微处理器体系结构目 前被公认为是嵌入式应用领域领
10、先的32位嵌入式RISC微处 理器结构。自诞生至今，ARM体系结构发展并定义了7种不 同的版本。从版本1到版本7，ARM体系的指令集功能不断 扩展。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现技术 、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM 体系版本，那么基于它们的应用软件就都是兼容的。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 目前基于ARM核的处理器有以下几类：ARM7系列处 理器；ARM9系列处理器，ARM9E系列处理器，ARM 10E 系列处理器，ARM11系列处理器，SecurCore系列处理器， OPtimoDE数据引擎内核；MPCore多处理器系列处理器； Intel
11、公司的StrongARM/XScale系列处理器。 目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机 顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是 ARM的授权用户，如Intel、三星等公司。 作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM处理器具有 RISC体系结构的典型特征，同时具有以下特点： 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 每条数据处理指令都控制算术逻辑单元ALU和移位器 ，以使ALU和移位器获得最大的利用率。 具有自动递增和自动寻址模式，以优化程序中的循环 。 可同时执行Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量 。 所有指令都可以条件执行，以执行吞吐量。 这些
12、对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以在 高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得良好的 平衡。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 2ARM的数据类型 字(Word)：在ARM体系结构中，字的长度为32位，而 在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位。 半字(Half-word)：在ARM体系结构中，半字的长度为 16位，与8位/16位处理器体系结构中字的长度一致。 字节 (Byte)：在ARM体系结构和8位/16位处理器体系结 构中，字节的长度均为8位。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 3ARM的运行模式 ARM处理器有7种运行模式，如
13、表2-1所示。大多数应 用程序在User模式下执行，当特定的异常出现时，进入相应 的6种异常模式之一。每种模式都有某些附加的寄存器保存 相应的状态。除User模式外，其他模式都被称为特权模式， 可以存取系统中的任何资源。 User模式下程序不能访问某些受保护的资源，也不能直 接改变CPU的模式，而只能通过异常的形式来改变CPU的当 前运行模式。软件可以控制CPU模式的改变，外部中断也可 以引起模式的改变。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 表2-1 ARM处理器的7种运行模式 处理器模式说 明 用户模式(User)正常程序执行模式，用于应用程序 异常模式(FIQ)快速中断处理，用于
14、支持高速数据传送通道处理 异常模式(IRQ)用于一般中断处理 异常模式(Supervisor)特权模式，用于操作系统处理 异常模式 (Abort)存储器保护异常处理 异常模式 (Undefined)未定义指令异常处理 系统模式(System)运行特权操作系统任务(ARMv4以上版本) 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 4寄存器结构 ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用 寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访 问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决于微处理器的工 作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14 R0、程序计数器R15(或PC)、
15、一个或两个状态寄存器都是 可访问的。 (1) R0R15。ARM中的通用寄存器是R0R15(R15也 是PC)。它们可以被划分为以下三类： 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 未分组的寄存器R0R7。对于所有的模式，R0R7 所对应的物理寄存器都是相同的。这8个寄存器是真正意义 上的通用寄存器，ARM体系结构中对它们没有作任何特殊 的假设，它们的功能都是等同的。在中断或者异常处理程序 中一般都需要对这几个寄存器进行保存。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 分组的寄存器R8R14。程序访问的物理寄存器取 决于当前的处理器模式。若要访问特定的物理寄存器而不依 赖于当前的处理器
16、模式，则要使用规定的名字。R8R12有 两组物理寄存器：一组是FIQ模式；另一组是除FIQ以外的 其他模式。R13R14有6个组的物理寄存器，一组用于用户 模式和系统模式，其他5组分别用于5种异常模式。R13(也被 称为SP指针)被用做栈指针，通常在系统初始化时需要对所 有模式的SP指针赋值；当CPU在不同的模式时，栈指针会 被自动切换成相应模式下的值。R14有两个用途：一是在调 用子程序时用于保存调用返回地址；二是在发生异常时用于 保存异常返回地址。 第2章 嵌入式微处理器及ARM9硬件开发平台 程序计数器R15(或PC)。R15虽然可以用作通用寄存 器，但是有一些指令在使用R15时存在特殊限制，若不注意 ，执行的结果将是
