第三章典型的嵌入式系统处理器

《第三章典型的嵌入式系统处理器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章典型的嵌入式系统处理器（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 典型的嵌入式系统 处理器 在本章中将会让读者了解几款典型的 嵌入式系统，在介绍典型的处理器过程 中会配合例子进行说明，以便让读者更 好更深地掌握嵌入式硬件设计。 3.1 ARM处理器 ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片 设计技术的授权。作为知识产权供应商，ARM 本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由 合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导 体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处 理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当 的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯 片进入市场。 ARM 32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范 围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系 统应

2、用领域的领先地位。 ARM公司使用通用的基础体系结构，以极 低的成本和功耗提供了高性能、多系列的32 RISC处理器核。ARM处理器在耗电、数据传送 、数据处理速度以及带DSP功能方面业界领先， 很快成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费 和嵌入式解决市场的RISC标准。 RISC体系结构具有如下特点：采用固定长 度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方 式有23种；使用单周期指令，便于流水线操 作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对 寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问 存储器，以提高指令的执行效率。 在CISC 指令集的各种指令中，其使用频 率却相差悬殊，大约有20%的指令会被反复

3、使 用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的 指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。 ARM微处理器具RISC的典型特征，还具有以 下特点： n在每条数据处理指令当中，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； n自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环； n同时Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量；n所有指令都根据条件执行，以增大执行吞吐量。ARM体系结构的字长为32位，它们都支持Byte（8 位）、Halfword（16位）和Word（32位）3种数据类型 。ARM处理器支持7种处理器模式 ：处理器模式 描述 User 普通程序执

4、行模式 FRQ 用于高速数据传输或通道处理 IRQ 用于通用中断处理 Supervisor 操作系统的保护模式 Abort 用于实现虚拟或存储保护 Undefined 支持软件模拟或硬件协处理器 System 运行特权操作系统任务 ARM 处理器共有37个寄存器，其中31个是 32位的通用寄存器，包括一个程序计数器。6 个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程 序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中 的一部分。在任何一种处理器模式下，其中的16个通 用寄存器都是可见的。其他的寄存器用来加速 异常处理。ARM指令当中指定的所有寄存器都 可以从这16个可见的寄存器中寻址。 31个通用寄存器分

5、为几个相互重叠的组， 每一组寄存器用于一种特定的处理器状态。 通常，一种状态下可见的寄存器为15个通 用寄存器（R0R14）、一个或两个状态寄存 器和程序计数器PC。 R0R7被称为unbanked register，表示在所 有处理器模式中，它们都代表相同的32位物理 寄存器。它们没有特殊的功用，仅当作通用寄 存器使用。 寄存器R8R14被称作banked register，它们实际代 表的32位物理寄存器与当前的处理器状态有关。它们 可以在指令中用作通用寄存器，同时，ARM体系结构 还为它们中的一部分赋予了特殊的作用：R13用作堆栈 指针SP，R14用作链接寄存器LR。 另外6个寄存器是程

6、序状态寄存器，它们也是32位 宽的寄存器，但是只用到了32位中的12位。这6个寄存 器也被称为程序状态寄存器。当前程序状态寄存器（ CPSR）在所有的处理器模式下都可以访问。它包含了 条件码、中断屏蔽码、当前处理器模式和其他的状态 、控制信息。 ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集 ：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令为32位的长 度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令 集的功能子集，但与等价的ARM 代码相比较，可节省 30%40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有 优点。ARM芯片还获得了许多实时操作系统（Real Time Operating

7、 System）供应商的支持，比较知名的有： Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks, Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。 ARM7系列微处理器最适合用于对价位和功耗要求 较高的消费类应用。ARM7性能特征表 性能 类型 Cache大 小（指 令/数据 ） 紧密耦 合存储 器（ TCM） 存储器 管理 AHB接 口总线 Thumb DSP Jazelle ARM7T DMI 无 无无有 有 无无ARM7T DMI-S 无无无有 有 无无ARM7E J 无无无有 有 有 有 ARM72 0T 8K 无MMU 有 有 无无ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪

8、器仪 表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数 字摄像机等。ARM9性能特征表 性能 类型 Cache 大小（ 指令/数 据） 紧密耦 合存储 器（ TCM） 存储器 管理 AHB接 口总线 Thumb DSP Jazelle ARM92 0T 16K/16 K 无 MMU有 有 无 无 ARM92 2T 8K/8K 无 MMU有 有 无 无 ARM94 0T 4K/4K 无 MMU有 有 无 无 ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很 适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。 ARM9E性能特征表 性能 类型 Cache大 小（指令/ 数据） 紧密耦合 存储器

9、（ TCM） 存储 器管理 AHB接 口总线 Thumb DSP Jazelle ARM92 6EJ-S 4-128K/4- 128K 有 MMU 双AHB 有 有 有 ARM94 6E-S 4-1MB/4- 1MB 有 MMU AHB 有 有 有 ARM96 6E-S 无 有 MMU AHB 有 有 有 ARM10E系列微处理器由于采用了新的体系结构， 与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下， 性能提高了近50%，同时，ARM10E系列微处理器采用 了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E性能特征 性能类型 Cache大 小（指 令/数据 ） 紧密耦 合存储 器（ TCM）

10、存储器 管理 AHB接 口总线 Thumb DSP Jazelle ARM1 020E 32K/32K 无 MMU 双AHB 有 有 有 ARM1 022E 16K/16K 无 MMU 双AHB 有 有 有 ARM1 026EJ- S 可变 有 MMU+ MMU 双AHB 有 有 有 SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提 供了完善的32位RISC技术的安全解决方案。SecurCore 系列微处理器除了具有ARM体系结构各 种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的 安全；采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测 ；可集成用户自

11、己的安全特性和其他协处理器。SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性 要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子 政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 Inter StrongARM SA-1100处理器融合了Inter公司的设计和 处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容 ARMv4体系结构、同时采用具有Intel 技术优点的体系结构。 Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的 理想选择。 基于ARM的Intel微处理器 性能 类型 Cache 大小（ 指令/数 据） 紧密耦 合存储 器（ TCM） 存储器 管理 AHB接 口

12、总线 Thumb DSP Jazelle StrongA RM 16K/16 K 无 MMU N/A 无 无 无 Xscale 32K/32 K 无 MMU N/A 有有无 ARM处理器的选择要注意以下方面：n用户如果希望使用Windows CE或标准Linux等操作系统 以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有 MMU功能的ARM芯片，目前有uCLinux等不需要MMU支持 的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。 n系统时钟决定了ARM芯片的处理速度，不同芯片对时钟 的处理不同，有的芯片只有一个主时钟频率，这样的 芯片可能不能同时顾及UART和音频时钟的准确性，如 Ci

13、rrus Logic的EP7312等；有的芯片内部时钟控制器可 以分别为CPU核和USB、UART、DSP、音频等功能部 件提供不同频率的时钟，如PHILIPS公司的SAA7750等 芯片。 除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均 根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并 集成在芯片之中，如USB接口、IIS接口、LCD控制器 、键盘接口、RTC、ADC 和DAC、DSP协处理器等片 内外围电路。大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大 ，需要用户在设计系统时外扩存储器，但也有部分芯 片具有相对较大的片内存储空间，如ATMEL的 AT91F40162就具有高达2MB的片内程

14、序存储空间，用户 在设计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设计。 nWAIT信号即外部总线速度控制信号。不是每个ARM芯 片都提供这个信号引脚，利用这个信号与廉价的GAL芯片就 可以实现与符合PCMCIA标准的WLAN卡和Bluetooth卡的接 口，而不需要外加高成本的PCMCIA专用控制芯片。另外， 当需要扩展外部DSP协处理器时，此信号也是必需的。ARM内核只提供快速中断（FIQ）和标准中断（IRQ）两 个中断向量，但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不 同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中 断等硬件中断。为了增强多任务处理能力、数学运算能力、多媒体以及 网络处理能力，

15、某些供应商提供的ARM芯片内置多个芯核， 目前常见的有ARM+DSP、ARM+FPGA、ARM+ARM等结构。 3.1.1 ATMEL ARM芯片 ATMEL ARM芯片的特点是以ARM7TDMI 32位RISC 为内核，内置大小适宜的SRAM、ROM和Flash，具有丰 富的片内外围设备，先进的电源管理提供空闲模式及外 围禁止，具有快速先进向量中断控制器，段寄存器提供 分离的栈和中断模式返回。 AT91系列是工业级应用，缺点是没有集成LCD控制 器。AT75/76系列内置ARM7/DSP双内核，有ARM+2DSP 、ARM+DSP+MAC两种配置，加上PHY就可实现voip终端。 AT91F

16、R40162是美国Atmel公司生产的AT91系列微 控制器中的一员，具有ARM7TDMI核、大容量Flash存 储器以及片内SRAM和外围。图3-1 AT91FR40162系统结构 AT91FR40162的主要特点是：ARM7TDMI处理器核 、256KB的片内SRAM和1024K字的16位Flash存储器、完 全可编程的外部总线接口EBI、具有8个优先级且可以独 立屏蔽的向量中断控制器、32个可编程的I/O口线、3通 道的16位定时器/计数器、2个通用同步/异步收发器 USART、可编程的看门狗定时器、先进的省电特性、完 全静态的操作、2.73.6 V的I/O工作范围和1.651.95 V 的内核工作范围、 -4085的运行温度范围以及121- ball 10 mm10 mm1.2 mm BGA封装（球的直径为0.8 mm）。 1.存储器 AT91FR40162嵌入了256 KB的内部SRAM。这个内 部存储器是单周期访问的，它直接与32位数据总线相 连。 T91FR40162以拥有1个外部总线接口EBI为特性，它 用