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1、,嵌入式系统 第2课 ARM 体系结构,课前导入, 嵌入式系统组成原理 嵌入式最小系统 嵌入式系统扩展,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？ 2. 什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？ 3. 嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？,嵌入式系统和一般的计算机系统类似，也是由CPU、内存、IO端口、总线等几个部分组成。 嵌入式系统硬件的特点主要是集成度高，非标准化，接口非常复杂。,课前导入,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？ 2. 什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？ 3. 嵌入式系统常见的扩展部件有哪
2、些？,嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的最基本系统）。 嵌入式最小系统的组成，包括处理器、内存、时钟、电源和复位。为了能够支持程序的下载和调试，一般还需要在最小系统中添加对JTAG接口的支持。,课前导入,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？ 2. 什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？ 3. 嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？,嵌入式的处理器一般集成了很多的外围器件，但也不可能把所有的功能都集成到芯片内部，因此实际的嵌入式系统需要在最小系统的基础上进行系统扩展。 常用的扩展芯片有以下几类：存
3、储类芯片、通信类芯片以及其他功能芯片。,课前导入,课程重点,1.可编程器件的特点 2.计算机的体系结构（冯诺依曼与哈佛） 3. ARM处理器的流水线概念及运行原理 4. ARM各模式及可访问的寄存器 5. ARM体系的异常 6. ARM体系的存储系统 7. ARM的寻址方式,1.可编程器件的特点,模拟器件 - 数字器件 ASIC - 可编程器件,1.可编程器件的特点,CPU在固定频率的时钟控制下节奏运行。 CPU可以通过总线读取外部存储设备中的二进制指令集，然后解码执行。 这些可以被CPU解码执行的二进制指令集是CPU设计的时候确定的，是CPU的设计者（ARM公司）定义的，本质上是一串由1和0
4、组成的数字。这就是CPU的汇编指令集。,整个编程及运行过程,程序员用汇编指令编程 -经汇编器汇编成二进制可执行程序文件-二进制文件被CPU读取进去-CPU内部电路对二进制文件解码-解码通过则CPU执行指令、完成指令动作。 如果程序员用C语言等高级语言编程，则编译器先将C语言程序编译为汇编程序，再进行上面的后续部分。,从源代码到CPU执行过程,1.可编程器件的特点,2.计算机的体系结构（冯诺依曼与哈佛结构 ）,2冯诺依曼体系结构,1.计算机组成是人眼可见的，而计算机体系结构是人眼看不见的东西，它是一个复杂的系统，在它内部存在多级的层次结构。 2. 计算机组成是计算机的外部，是使用人员所关心的系统
5、硬件指标参数；而计算机实现是计算机的内部，是制造人员关心的内容,凭您直观的感觉，计算机由哪几部分组成？,计算机的实现,半导体技术 制造技术 封装技术 装配技术 电源技术 冷却技术 ,15,2计算机运行的两部分,2冯诺依曼体系结构,几个基本概念间的关系 体系结构、计算机组成、计算机实现,由图示可见，体系结构在整个计算机系统中占据核心地位,2 冯诺依曼体系结构,冯诺依曼理论的要点： 1)存储程序 2)顺序执行 3)采用二进制,？,2 冯诺依曼体系结构,运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit ）,冯诺依曼计算机组成（五大部分）：,控制器（Controler）,存储器（Memory
6、）,输入设备（Input Unit）,输出设备（Output Unit）,2冯诺依曼体系工作原理,冯诺依曼体系工作原理（CPU工作原理）： 程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。冯诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。,2冯诺依曼体系工作原理,冯诺依曼体系结构计算机功能图,2冯诺依曼结构思想,冯诺依曼理论的思想是： 应该把程序和数据一起存储在存储器里，让计算机自己负责从存储器里提取指令，执行指令，循环式地执行这两个动作。 这样，计算机在执行程序的过程中，就可以完全摆脱外界的影响，以自己可能的速度自动地运行
7、。 按照这种原理构造出来的计算机就是“存储程序控制计算机”，也被称做“冯诺依曼计算机”,冯诺依曼理论的要点： 指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理； 指令格式使用二进制机器码表示； 使用程序存储控制方式工作。,冯诺依曼结构,冯诺依曼体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,结构特点： 1、指令和数据存储在相同的内存空间，但存储地址不同。 2、处理器利用相同的总线处理内存中的指令和数据，指令和数据具有相同的数据宽度，指令与数据无法同时存取。,ARM7嵌入式微处理器采用此结构
8、,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,CPU,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,结构特点： 1、指令存储和数据存储分开，指令和数据分别位于不同的存储空间。 2、指令与数据的存取采用不同总线，取指令和存取数据可同时进行，微处理器具有较高的执行效率。,数字信号处理器DSP通常采用哈佛结构 ； 自ARM9开始，ARM嵌入式微处理器亦采用此结构。,冯诺依曼结构与哈佛结构,程序和数据都放在内存中，且不彼此分离的结构称为冯诺依曼结构。譬如Intel的CPU均采用冯诺依曼结构。 程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分
9、离的结构称为哈佛结构。譬如大部分的单片机（MCS51、ARM9等）均采用哈佛结构。,优劣对比,冯诺依曼结构中程序和数据不区分的放在一起，因此安全和稳定性是个问题，好处是处理起来简单。 哈佛结构中程序（一般放在ROM、flash中）和数据（一般放在RAM中）独立分开存放，因此好处是安全和稳定性高，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）,3. ARM处理器的流水线概念及运行原理,三级流水线,ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。,ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：,取指,译
10、码,执行,处理指令并将结果写回寄存器,识别将要被执行的指令,从寄存器装载一条指令,三级流水线,取指,译码,执行,处理指令并将结果写回寄存器,识别将要被执行的指令,从寄存器装载一条指令,正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条(第二条)指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。,在ARM状态下，流水线上各指令的地址为：,在Thumb状态下，流水线上各指令的地址为：,三级流水线结构的指令执行顺序,PC,周期2,周期1,周期3,周期4,处理器执行一条指令的三个阶段,执行ADD PC,PC,#4指令后，PC的值为多少？,思考题,PC,ADD,程序计数器R15(PC)总是指向“正在取指”的指令，而
11、不是指向“正在执行”的指令或“正在译码”的指令。,一般来说，人们习惯性约定将“正在执行”的指令作为参考点，则： PC值当前程序执行位置8 注：ARM状态时，每条指令为4字节长。,PC指向0 x4000地址，取指ADD指令。,PC指向0 x4004地址，译码ADD指令。,PC指向0 x4008地址，执行ADD指令，所以指令执行的结果为: PC=PC+40 x400840 x400C。,注意：只有流水线被指令填满时才能发挥最大效能，即每时钟周期完成一条指令的执行。如果程序发生跳转，流水线将被清空，这将需要几个时钟才能使流水线再次填满。因此，为提高程序执行效率，应尽可能少用跳转指令，解决的方案是尽量
12、使用指令的“条件执行”功能。,简介,ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。所处的模式由当前程序状态寄存器CPSR中的控制位M4:0反映。这样的好处是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。ARM7TDMI完全支持这七种模式。,4. ARM各模式及可访问的寄存器,除用户模式外，其它模式均为特权模式。ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。,这两种模式都不能由异常进入，想要进入必须修改CPSR，而且它们使用
13、完全相同的寄存器组。系统模式是特权模式，不受用户模式的限制。操作系统在该模式下访问用户模式的寄存器就比较方便，而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模式访问一些受控的资源。,这五种模式称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入相应的模式。每种异常模式都有一些独立的寄存器，以避免异常退出时用户模式的状态不可靠。,何时进入异常模式，具体规定如下： 处理器复位之后进入管理模式，操作系统内核通常处于管理模式； 当处理器访问存储器失败时，进入数据访问中止模式； 当处理器遇到没有定义或不支持的指令时，进入未定义模式； 中断模式与快速中断模式分别对A
14、RM处理器2种不同级别的中断作出响应。,4. ARM各模式及可访问的寄存器,4. ARM各模式及可访问的寄存器,4. ARM各模式及可访问的寄存器,简介,在ARM处理器内部共有37个用户可访问的寄存器，分别为31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。,ARM处理器共有7种不同的处理器模式，每种模式都有一组相应的寄存器组，最多可以18个活动的寄存器。,4. ARM各模式及可访问的寄存器,4. ARM各模式及可访问的寄存器,程序状态寄存器的格式,条件代码标志,保留,控制位,溢出标志,进位或借位扩展,零,负或小于,IRQ禁止,FIQ禁止,状态位,模式位,N,Z,C,V,I,T,F,4. ARM各模式及
15、可访问的寄存器,4. ARM各模式及可访问的寄存器,5. ARM体系的异常,异常简介,只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式。例如在用户模式下执行程序时，当外设向处理器内核发出中断请求导致内核从用户模式切换到异常中断模式。 如果同时发生两个或更多异常，那么将按照固定的顺序来处理异常。,5. ARM体系的异常,5. ARM体系的异常,异常向量表,注：表中的I和F表示不对该位有影响，保留原来的值。,5. ARM体系的异常,异常优先级,当多个异常同时发生时，一个固定的优先级决定系统处理它们的顺序。,优 先 级 由 高 到 低,5. ARM体系的异常,6. ARM体系的存储系统,简介,ARM
16、处理器采用冯诺依曼（Von Neumann）结构，指令、数据和I/O统一编址（即存在同一个空间）。只有装载、保存和交换指令可访问存储器中的数据。,ARM芯片一般在处理器核和外部存储器之间有一个存储器管理部件将局部总线的信号和时序转换为现实的外部总线信号和时序。,ARM7的规范定义了局部总线的信号和时序。,各芯片生产厂商制定了自己的外部总线的信号和时序。,6. ARM体系的存储系统,地址空间,ARM结构使用单个平面的232个8位字节地址空间。地址空间可以看作是包含230个32位字，或231个16位半字。如果地址向上或向下溢出地址空间，通常会发生翻转。 注意：如果在取指操作时地址发生溢出，只要没有执行预取的无效指令，就不会导致异常。,6. ARM体系的存储系统,存储器格式,地址空间的规则要求字地址A： 位于地址A的字包含的字节位于地址A,A+1,A+2和A+3； 位于地址A的半字包含的字节位于地址A和A+1； 位于地址A+2的半字包含的字节位于地址A+2和A+3； 位于地址A的字包含的半字位于地址A和A+2；
