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1、ARM体系结构与编程,大连交通大学软件学院 嵌入式教研室 授课教师：岳洋 email: 办公电话：86223625 qq: 49799860,这门课主要讲的是什么？,ARM Advanced RISC Machine,1、ARM基础知识（第1、2章）,2、ARM汇编（第3、4、8章）,3、ARM存储系统 MMU （第5章） Memory Management Unit,4、异常中断处理（第9章）,学习这门课的目的是什么？,前言 了解嵌入式系统概述,1 嵌入式系统简介 2 嵌入式系统的定义 3 嵌入式系统的特点 4 嵌入式系统的组成 5 嵌入式系统的应用,嵌入式系统简介,嵌入式系统的历史与现状
2、从1946年电子计算机的诞生，发展到今天在许多场合要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。 为了区别于通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。,嵌入式系统简介,现代计算机技术的两大分支 标志计算机进入了通用计算机与嵌入式计算机两大分支并行发展时代。 通用计算机侧重的发展方向：高速、海量的数值计算、总线速度提升，扩大存储容量。 而嵌入式计算机对体积、功耗、功能、可靠性、专用性有较高要求。,2 嵌入式系统的定义,嵌入式系统的定义,参考IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备
3、的装置”,嵌入式系统：以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、面向应用,对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 。,嵌入式系统组成,嵌入式系统的应用,消费电子,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,工业,军事国防,电子商务,网络,现实生活中的嵌入式系统实例,家庭环境,现实生活中的嵌入式系统实例,办公室环境,现实生活中的嵌入式系统实例,工业自动化领域,现实生活中的嵌入式系统实例,国防领域,现实生活中的嵌入式系统实例,交通领域,现实生活中的嵌入式系统实例,航空领域,现实生活中的嵌入式系统实例,医疗系统,第1章 ARM概述
4、及其基本编程模型,第1章 目录,8.异常 9.复位 10.存储器及存储器映射I/O 11.寻址方式简介 12.ARM7指令简介 13.协处理器接口 14.调试接口简介,1.简介 2.ARM7三级流水线 3.处理器状态 4.处理器模式 5.内部寄存器 6. 程序状态寄存器 7.体系结构直接支持的数据类型,1.1 ARM简介,ARM公司简介,ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是英国一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处理器。 公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并
5、提供服务。,1.1 ARM简介,ARM公司简介,将技术授权给芯片厂商,形成各具特色的ARM芯片,1.1 ARM简介,ARM有三种含义：一个公司的名称；一类处理器的通称；一种技术的名称。 ARM不是完整的单片机，它只是一个单片机的内核。 所谓以ARM为核的单片机，就是把ARM作为中央处理器（核），根据需要设计出外围功能模块，用总线把这些功能模块和ARM核连接在一起，组成一个单片机。这个单片机由ARM核控制。,1.1 ARM简介,一点启示,学习ARM核时，涉及具体管脚和功能寄存器的设置不多。在学习51系列单片机时，能学会控制定时器/计数器，学会串口的使用，知道每个引脚的作用。但学习ARM核时，还未
6、大范围涉及这些内容。但使用具体芯片就会用到arm核的知识，来使用管脚实现功能。 应该牢记，学会ARM核以后，就大致掌握了所有以ARM为核的单片机。无论这个单片机结构多么复杂，功能多么强大，也无论它来自哪个厂家。,1.1 ARM简介,ARM体系结构,ARM处理器为RISC（reduce instruction set computing)芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典而先进的RISC特点：,数据处理操作绝大多数只针对寄存器（暂时存储数据，在CPU内部，离cpu最近，速度最快）的内容，而不直接对存储器（内存和外存，在CPU外部， 存储器能够保存的数据量大
7、 ）进行操作；通过load/store指令在寄存器和存储器之间传递数据。,简单的寻址模式;,统一和固定长度的指令域(32位）简化了指令的译码。,具有大量的寄存器,ARM体系还采用一些特别技术，见教材第2页,1、在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理和移位处理。 如： ADD R0,R1,R1,LSL #3;R0=R1+R1*8,2、使用地址自动增加（减少）来优化程序中的循环。 如： LDR R0 , R1 #4 ; 先R0R1 ，然后自动使R1+4,3、Load/Store指令可以批量传输数据，效率很高。一条指令就可以完成入栈或出栈操作。 如：STMFD R13,R4-R6 ;将R4-R6的内
8、容放入以R13为栈基址的连续3个单元中,4、所有指令都可以根据前面指令的执行结果，决定是否执行。如： CMP R2, R3;R2与R3相等跳到loop，不等则执行MOV R1, R0语句 BEQ loop MOV R1, R0,1.1 ARM简介,各ARM体系结构版本(这里主要指指令集）,目前ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V6表示。,拥有相同指令集版本的ARM芯片，虽然出自不同的生产厂商，但它们使用的指令和应用软件是相互兼容的。,1.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V1,该版本的ARM体系结构，只有26位的寻址空间，如今现在已经废弃不再使用，没有商业化，其
9、特点为： 基本的数据处理指令(加，减，与，或，非，比较）（这个版本不包括乘法）； 字节、字和半字加载/存储指令； 具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分支和链接指令； 在操作系统调用中使用的软件中断指令（SWI）。,1.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V2,同样为26位寻址空间，如今现在已经废弃不再使用，它相对V1版本有以下改进： 具有乘法和乘加指令； 支持协处理器（专门用于进行辅助运算的芯片，其本身除了运算功能外没有其他功能，因此不能独立工作，必须和CPU一起工作）； 快速中断模式(FIQ)中，提供两个额外备份寄存器； 原子性（不可分割）加载/存储指令SWP和SWPB（见备注）。,1.
10、1 ARM简介,各ARM体系结构版本V3,寻址范围扩展到32位： 增加了程序状态保护寄存器SPSR； 增加了两种处理器模式（ARM和THUMB）； 修改了v3以前用于异常返回指令的功能； 教材有更详细的介绍,1.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V4,目前大多使用的arm核，使用的是V4t，v5te版本，它相对V3版本作了以下的改进： 增加了半字加载（LDRH）/存储（STRH）指令； 增加了字节（LDRSB/STRSB）和半字的加载和符号扩展指令（LDRSH/STRSH）； 增加了T变种，具有可以转换到Thumb状态的指令； 增加了新的特权处理器模式。,1.1 ARM简介,各ARM体系结构
11、版本V5,在V4版本的基础上，对现在指令的定义进行了必要的修正，对V4版本的体系结构进行了扩展并增加了指令，具体如下： 改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率； 允许T变种（支持Thumb指令集）和非T变种一样，使用相同的代码生成技术； 增加前导零计数(最高有效位前0的个数）指令CLZ和软件断点指令BKPT； 对乘法指令如何设置标志作了严格的定义。,1.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V6,ARM体系版本6是2001年发布的。其主要特点是增加了SIMD(Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流)功能扩展。它适合使用电池供电的高性能的便携式设备，便
12、携式设备一方面需要处理器提供高性能，另一方面又需要低功耗。 ARM体系版本6首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介,ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：,ARM7,ARM9,ARM9E,ARM10,SecurCore,Xscale,StrongARM,ARM11E,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM7,该系列包括ARM7TDMI和扩充了Jazelle（Java加速器）的ARM7EJ-S等等。高档的单片机，除了ARM720T外，都
13、缺少mmu（memory management unit)不能运行真正的操作系统。 ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM7特点,低功耗 0.9MIPS/MHz （mips指每秒百万条指令）的3级流水线结构 32位ARM指令集和16位的Thumb指令集 主频最高可达130MIPS,典型芯片,ATMEL公司AT91M40800/55800A； Samsung公司的S3C44B0/4510B,1.2 ARM7,简介,ARM7基于ARM体系结构V4版本，是目前低端的ARM
14、核。具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。,注意：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设、GPIO（General Purpose I/O通用的输入输出端口）组合在一起才能构成现实的芯片。,1.2 ARM7TDMI,简介,ARM7TDMI支持32位寻址范围， 使用了冯诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。 ARM7TDMI的后缀意义为：,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM9,该系列包括ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。 ARM9系列主要应用于无线通信、仪器
15、仪表、安全系统和机顶盒等领域。,1.1MIPS/MHz的哈佛结构（见备注），5级流水线 32位ARM指令集和16位Thumb指令集 全性能的MMU(存储器管理单元），支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM9特点,典型芯片 ATMEL公司AT91RM9200 ； Samsung公司的S3C2410,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM10,该系列包括ARM1020E和ARM1022E处理器核，其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提
16、供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。,支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 6级流水线，指令执行效率更高。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持64位的高速AMBA总线接口。 支持VFP10浮点处理协处理器。 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力 主频最高可达400MIPS。 内嵌并行读/写操作部件。,1.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM10特点,ARM公司在2003年4月29日宣布了其下一代ARM架构的CPUARM11（又名Jaguar美洲虎），基于ARM11的微处理器具有更强的性能，尤其是多媒体处理能力。 ARM11微处理器采用0.13微米工艺，低端产品运行在350MHz500MHz，高端产品运行在533750MHz，如果将加工工艺减小到0.10微米，那么芯片速度将达1GH
