《嵌入式电子系统电子课件教案-第3讲-ARM处理器综述、开发与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式电子系统电子课件教案-第3讲-ARM处理器综述、开发与仿真（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1ARM处理器综述、开发及仿真 （一）嵌入式电子系统内容提要1.本次课目标 2.ARM简介 3.ARM内核体系结构21.本次课要达到的目标n了解ARM发展、体系结构 基础知识。3内容提要1.本次课目标 2.ARM简介 3.ARM内核体系结构42. ARM简介ARM的三种含义：n一个公司的名称n一类微处理器的通称n一种技术的名称5ARM公司nARM公司1990年11月成立于 英国剑桥n前身为 Acorn计算机公司nAdvance RISC Machine(ARM)n主要设计ARM系列RISC处理 器内核n授权ARM内核给生产和销售半 导体的合作伙伴nARM 公司不生产芯片nIP(Intellig
2、ence Property)6lARM公司把ARM作为知识产权IP（Intellectual Property）推向嵌入式处理器市场，目前，已占有RISC处理器80左右的市场。lARM公司拥有广泛的全球技术合作伙伴（超过100个），其中包括领先的半导体系统厂商、实时操作系统（RTOS）开发商、电子设计自动化工具供应商、应用软件公司、芯片制造商和设计中心。78ARM应用领域n工业控制n无线通信n网络应用n消费类电子产品n成像和安全产品9内容提要1.本次课目标 2.ARM简介 3.ARM内核体系结构103.ARM内核体系结构nARM作为嵌入式系统中的处 理器，具有低电压、低功耗 等特点；并具有开放
3、和可扩 性。事实上已成为嵌入式系 统首选的处理器体系结构。113.1RISC架构3.2AMBA总线架构3.3运行模式3.4指令集与工作状态3.5寄存器组123.6异常与中断处理3.7存储管理3.8存储数据类型3.9存储格式3.10存储映射的I/O3.1RISC架构n嵌入式微处理器分为：nCISC （Complex Instruction Set Computer）架构 ：大多数PC机均使用 CISC微处理器，如Intel的X86；nRISC（ Reduced Instruction Set Computer）架构nSilicon Graphics的MIPS(Microprocessor wit
4、hout Interlocked Pipeline Stages)技术nARM公司的Advanced RISC Machines技术nHitachi公司的SuperH技术 13nRISC和CISC是目前设计制作 微处理器的两种典型技术， 它们都试图在体系结构、指 令集、软硬件、编译时间和 运行时间等诸多因素中做出 平衡，以求达到高效的目的 ，只是采用的方法不同。14nCISC架构n1960年前后的主流架构n新的指令不断引入，计算机体系 结构变得复杂n20%的指令经常使用，占80%程 序代码量；80%的指令较少使用 ，占20%程序代码量不合理15nRISC架构n1979年加州大学伯克利分校提出n
5、目的是使计算机体系结构更合理， 提高运算速度n选取使用频繁的简单指令，固定指 令长度，减少指令类型和寻址方式 ，以逻辑控制为主。16nRISC和CISC的差异n（1）指令系统nRISC设计者把主要精力放在经常使用 的指令上，使其具有简单高效的特点。 对于不常用的功能，通常通过指令组合 来实现。nCISC指令系统丰富，有专用指令完成 特定功能，处理特殊任务效率较高。17n（2）存储器操作nRISC对存储器操作指令少，控制简单化。nCISC存储器操作指令多，操作直接。n（3）程序nRISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间 ，实现特殊功能时程序复杂，不易设计。nCISC汇编语言程序编程相对简单，科
6、学计算 及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。18n（4）中断nRISC在一条指令执行的适当地方可以响应 中断;nCISC在一条指令执行结束后响应中断。n（5)CPUnRISC包含较少的单元电路，面积小，功耗 低;nCISC：包含丰富的电路单元，功能强、面 积大、功耗大。19n（6）设计周期nRISC结构简单，布局紧凑，设计周期短， 易于采用最新技术;nCISC结构复杂，设计周期长。n（7）易用性nRISC结构简单，指令规整，性能容易把握 ，易学易用;nCISC结构复杂，功能强大，实现特殊功能 容易。20n（8）应用范围nRISC指令系统与特定的应用领域有 关，更适于嵌入式系统应用；nCIS
7、C更适合于通用计算机。2122nRISC架构的特点:n采用固定长度的指令格式n使用单周期指令，便于流水线操作执行n使用很少的指令类型和寻址模式，基本 寻址方式只有2、3种n大量使用寄存器，数据处理指令只对寄 存器操作，以提高指令的执行效率。23n尽管RISC架构有很多优点，但是决不能 认为RISC架构就能够替代CISC架构， 两者是各有优势，而且界限并不明显。n一些现代CPU外围采用CISC的外围，内 部加入RISC的特性，如超长指令集CPU 融合了RISC和CISC的优势，成为未来 CPU发展方向之一。243.2AMBA总线架构n典型的AMBA总线构架 25ARM处理 器核宽带片上 RAMD
8、MA控制 器宽带外部 RAM接口桥UART PIO定时 器键盘控 制器AHB或ASB总线APB总线nAMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture, 高级微控制器总 线结构)，是ARM公司设计的一种用 于高性能嵌入式系统的总线标准。它 独立于处理器和制造工艺技术，增强 了各种应用中的外设和系统宏单元的 可重用性。AMBA总线规范是一个开 放标准，可免费从ARM获得。26n目前，AMBA 拥有众多第三 方支持，被ARM公司90%以 上的合作伙伴采用，在基于 ARM处理器内核的SoC设计 中，已经成为广泛支持的现 有互联标准之一。27nAMBA总线规范
9、2.0于1999年发布，该规 范引入的先进高性能总线（AHB）是现 阶段AMBA实现的主要形式。28n目前AMBA 总线规范的版本为3.0，它 定义了三组不同的总线：n高性能总线AHB (Advanced High- performance Bus)n高性能系统总线ASB (Advanced System Bus)n高性能外设总线APB (Advanced Peripheral Bus)29n高性能系统总线(AHB或ASB)主要用以 满足CPU和存储器之间的带宽要求。 CPU、片内存储器和DMA等高速设备连 接在系统总线上,而系统的大部分低速外 设则连接在低带宽总线APB上。n系统总线和外设总
10、线之间用一个桥接器 (AHB/ASB-APB- Bridge)连接。30n在不必使用AHB的高速特性时,可选择 ASB作为系统总线。ASB也支持CPU 、片上存储器和片外处理器接口与低 功耗外部宏单元之间的连接。31nAPB非常简单,适用于低速、低功耗 的外设,只有一个总线主设备控制器, 最大支持32位数据总线宽度,读、写 数据总线分开。n适合于作为传送速度较低的外围设 备总线，驱动速度较慢的设备。 32选 择 信 号系统总线 从模块接口nAPB桥 n桥单元把 系统总线传 输转化为 APB总线 传输。 33nAPB桥的功能n锁存地址并在整个传输过程中保持其有效， 直到数据传送完成;n地址译码并
11、且生成一个外部选择信号PSELx ，在一次传输期间只有一个选择信号有效; n读写数据驱动;n触发使能信号PENABLE，使其有效。 3435AMBA总线系统AHB/ASB连接CPU和存储器等 高性能片内模块，支 持流水线技术、突发 传输、分离事务和仲 裁器APB连接低速外设不执行流水线操作外设工作在从模式3.3运行模式nARM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。3637处理器模式说明备注用户 (usr)正常程序工作模式不能直接切换到其它模式系统(sys)运行具有特权的操作系 统任务与用户模式类似，但具有可以 直接
12、切换到其它模式等特权快中断(fiq)支持高速数据传输及通 道处理FIQ异常响应时进入此模式中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式管理 (svc)操作系统保护模式系统复位时进入此模式数据访问中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或 存储器保护数据访问终止时进入该模式未定义指令终 止 (und)支持软件仿真硬件的协 处理器指令预取终止时进入此模式38处理器模式说明备注用户 (usr) 正常程序工作模式不能直接切换到其它模式系统 (sys)运行具有特权的操作系 统任务与用户模式类似，但具有可以 直接切换到其它模式等特权快中断 (fiq)支持高速数据传输及通 道处理FIQ异常响应时进
13、入此模式中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式管理 (svc)操作系统保护模式系统复位时进入此模式数据访问中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或 存储器保护数据访问终止时进入该模式未定义指令终 止 (und)支持软件仿真硬件的协 处理器指令预取终止时进入此模式用户模式:操作系统的 Task一般以这种模式执行。 User Mode是ARM唯一的非 特权模式，这表示如果CPU 处于这种模式下，很多指令 将不能够执行，因此操作系 统的资源得以保护。 39处理器模式说明备注用户 (usr) 正常程序工作模式不能直接切换到其它模式系统 (sys)运行具有特权的操作系 统任务与用户模式
14、类似，但具有可以 直接切换到其它模式等特权快中断 (fiq)支持高速数据传输及通 道处理FIQ异常响应时进入此模式中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式管理 (svc)操作系统保护模式系统复位时进入此模式数据访问中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或 存储器保护数据访问终止时进入该模式未定义指令终 止 (und)支持软件仿真硬件的协 处理器指令预取终止时进入此模式除用户模式外，其它6 种模式均为特权模式。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。
15、40处理器模式说明备注用户 (usr) 正常程序工作模式不能直接切换到其它模式系统 (sys)运行具有特权的操作系 统任务与用户模式类似，但具有可以 直接切换到其它模式等特权快中断 (fiq)支持高速数据传输及通 道处理FIQ异常响应时进入此模式中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式管理 (svc)操作系统保护模式系统复位时进入此模式数据访问中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或 存储器保护数据访问终止时进入该模式未定义指令终 止 (und)支持软件仿真硬件的协 处理器指令预取终止时进入此模式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。系统复位后进入管理模式。 41处理器模式说明备注用户 (usr) 正常程序工作模式不能直接切换到其它模式系统 (sys)运行具有特权的操作系 统任务与用户模式类似，但具有可以 直接切换到其它模式等特权快中断 (fiq)支持高速数据传输及通 道处理FIQ异常响应时进入此模式中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式管理 (svc)操作系统保护模式系统复位时进入此模式数据访问中止
