单片机原理与应用系统设计第08章arm系列单片机原理与应用

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1、8.1 ARM系列单片机概述8.2 ARM处理器的编程模型8.3 ARM系列单片机的硬件结构 8.4 ARM系列单片机指令系统及编程 8.5 ARM系列单片机集成开发环境,第8章 ARM系列单片机原理与应用,8.1 ARM系列单片机概述,ARM系列单片机实际上是对基于ARM处理器核而设计的一类单片机的泛称,也常被称为ARM系列微控制器。ARM是Advanced RISC Machines 的缩写,是英国一家知名微处理器设计公司的名称。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片,它只从事处理器技术研发和技术授权转让,将其自主研发的技术出售给合作伙伴公司,由他们去生产基于ARM核的单片机芯片。至今,全世界

2、包括Intel、Philips、Atmel、IBM、TI、AD、Motorola、Altera、NetSilicon、OKI、SONY、NEC等许多著名半导体公司在内的100多家公司,都与ARM公司建立了合作伙伴关系,采用了其ARM核技术来生产微处理器或微控制器芯片。国内多家大公司也已经购买ARM公司的芯核技术,用于通信专用芯片的设计。,8.1 ARM系列单片机概述,ARM处理器核的显著特点是速度高、功耗低、功能强、价格廉,具有业界公认的世界领先、最受欢迎的32位嵌入式 RISC ( Reduced Instruction Set Computer)处理器结构(通常称之为ARM体系结构)。因此

3、,ARM核单片机在移动通信、可视电话、信息家电、掌上电脑、TV机顶盒、数码照相机、摄像机等控制及算法相对复杂、数据存储及处理量较大、事务调度能力和实时性要求较高的场合,获得了极为广泛的应用,而且必将用得越来越广泛。目前在32位单片机市场上,ARM实际上已扮演着类似于8位单片机市场上8051的角色。,8.1 ARM系列单片机概述,按照ARM结构设计的ARM处理器核,经过多年的发展和优胜劣汰,当前应用较多的主要有6个系列:ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore和最新的ARM11。其中在中国市场上比较流行的主要是ARM7和ARM9两个系列,两者功能、性能上虽然互有差异,但基

4、本结构大同小异,且都是32位嵌入式处理器,都同时支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集,因此在应用编程上也大同小异。鉴于ARM7比ARM9应用更广,基于ARM7处理器核设计生产芯片的公司更多,同时其性能价格比也更高,加之结合它进行教学既简单又典型,所以本章将主要以ARM7处理器核为例,介绍ARM的编程结构和以它为核心构成的单片机的应用系统设计和调试方法。,8.1.1 ARM核的结构特性,ARM 处理器核是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的,因此它在体系结构上具有极典型的RISC特性,如: 具有统一和固定长度的指令域,使指令集和指令译码大大简化; 具有一个大而统一的寄存器文

5、件,大多数数据操作都在寄存器中完成,使指令执行速度更快; 采用加载/存储结构,使数据处理时只对寄存器操作,而不直接对存储器操作; 寻址方式简单而灵活,所有加载/存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定,执行效率高;,8.1.1 ARM核的结构特性, 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位寄存器进行控制,以最大限度地提高ALU和移存器的利用率; 采用自动增/减地址的寻址方式,有利于优化循环程序的执行; 引入多寄存器加载/存储指令,有利于实现数据吞吐量的最大化; 所有指令的条件执行有利于实现最快速的代码执行;。,8.1.1 ARM核的结构特性,这些RISC结构特性带来的结果,是使ARM

6、核在高性能、低代码规模、低功耗和高集成度等方面获得了良好的平衡,实现了综合优化,从而使指令吞吐量和吞吐率明显增大,实时中断响应性能显著增强,总的性能价格比大大提高。ARM的体系结构从提出至今,一直在不断改进、完善和发展,根据其所用指令集的不同,先后推出了5种版本v1v5。版本v1、v2均只有26位的寻址空间,现在基本上已废弃不用。版本v3v5,将寻址空间扩展到了32位。,8.1.2 ARM7系列处理器核简介,ARM7系列处理器核包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T和ARM7EJ-S。ARM7TDMI是从ARM6核发展而来的第一款ARM7核,它的后缀“TDMI”反映了它在A

7、RM6基础上所增加的功能: T表示扩展了高密度16位的Thumb指令集;D表示支持在片调试,允许处理器响应调试请求暂停; M表示具有增强型64位乘法指令,支持两个32位数相乘而直接产生64位结果;I表示内含EmberdedICE观察点硬件,可提供对设置片上断点和调试点的支持。,8.1.2 ARM7系列处理器核简介,ARM7TDMI-S是ARM7TDMI的可综合(Synthesizable)版本(软核),逻辑上与ARM7TDMI基本相同,编程模型与ARM7TDMI完全一样,差别仅在于它的逻辑功能可由芯片生产厂商进行裁剪。所以,以后如无特殊说明,对这两者不予区分,统称为ARM7TDMI。,8.1.

8、2 ARM7系列处理器核简介,ARM720T是带有高速缓存处理宏单元的高性能ARM7核,宏单元中提供了8KB缓存、读缓冲和内存管理等功能,可支持Linux、Symbiam OS和Windows CE等操作系统。ARM7EJ-S是扩充了Jazelle功能的可综合版本处理器核。该系列处理器核都提供了ARM32位指令集和Thumb16位压缩指令集,提供了对EmbeddedICE JTAG软件调试方式的支持,很适合用于大规模、超大规模集成的SoC设计中,并能很好地兼容8位/16位器件,目前在PDA、移动电话等智能化多媒体无线设备领域和调制解调器、网卡等广域网、局域网接入设备中已获得广泛应用。,8.1.

9、3 常用ARM系列单片机选型指南,如前所述,世界上基于ARM处理器核开发生产ARM单片机(包括微处理器和微控制器芯片)的公司很多,因此各ARM系列单片机的型号种类都很多,如Atmel公司基于ARM7TDMI核的芯片型号AT91F40416,AT91FR40481,AT91F40807,AT91F42800,AT91F43300,AT91F55800,AT91F40807,AT91M40400,AT91M40800,AT91M63200,AT75C220,AT75C310;NetSilicon公司基于ARM720TDMI核的NET+15,NET+40,NET+50;Linkup公司基于ARM72

10、0T核的L7200,L7205,L7210;Altera公司基于ARM922T核的EPXA1,EPXA4,EPXA10;Samsung公司基于ARM720TDMI核的S3C3400A,S3C3410A,S3C44A0A,S3C34B0A,S3C34510;Motorola公司基于ARM9207核的DragonBallMXI;Sharp公司基于ARM720TDMI核的LH75400,基于ARM720T核的LH79520,基于ARM922T核的LH7A400;等等。,8.1.3 常用ARM系列单片机选型指南,不同公司、不同型号的产品,功能性能各有千秋。这里仅以市场上较常见、应用也较广的,Phili

11、ps公司基于ARM7TDMIS核生产的LPC2100和LPC2200两个系列的32位ARM微控制器为例,给出它们中主要型号的功能配置,如表8.1所示。读者可以此作为选型指南,参照其中的配置来决定自己的芯片选型。,8.1.3 常用ARM系列单片机选型指南,8.1 Philips LPC系列32位ARM微控制器选型指南,8.1.3 常用ARM系列单片机选型指南,8.1 Philips LPC系列32位ARM微控制器选型指南,8.2 ARM处理器的编程模式,本节简介ARM处理器编程模型的一些基本概念,包括处理器工作状态与运行模式、数据类型与存储格式、寄存器组织、处理器异常等。通过对本节的学习,旨在使

12、读者对ARM微处理器的基本工作原理和一些与程序设计相关的基本技术细节有个初步了解,为应用编程打下必要基础。,8.2.1 ARM的工作状态和运行模式,1. 工作状态 从编程的角度看,ARM处理器的工作状态一般有两种: ARM状态。此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令。 Thumb状态。此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。 当ARM处理器执行32位ARM指令集中的指令时,工作在ARM状态;执行16位Thumb指令集中的指令时,工作在Thumb状态。通常在刚加电开始执行代码时,ARM处理器处于ARM状态;然后,在程序的执行过程中,只要满足一定条件(状态切换指令或异常处理),随时可在

13、两种工作状态之间切换,并且这种切换并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。,8.2.1 ARM的工作状态和运行模式,2. 运行模式 ARM处理器支持7种运行模式,分别为: 用户模式(usr) ARM处理器正常的程序执行模式。 快速中断模式(fiq) 用于高速数据传输或通道处理。 外部中断模式(irq) 用于通用的中断处理。 管理模式(svc) 操作系统使用的保护模式。 数据访问中止模式(abt) 当数据或指令预取终止时进入该模式,可用于虚拟存储及存储保护。 系统模式(sys) 运行具有特权的操作系统任务。 未定义指令模式(und)当未定义的指令执行时进入该模式,可用于支持硬件协处理器的软

14、件仿真。,8.2.1 ARM的工作状态和运行模式,ARM处理器的运行模式可以通过软件改变,也可以通过外部中断或异常处理改变。 大多数的应用程序运行在用户模式下,这时,对某些被保护的系统资源是不能访问的。 7种运行模式中,除用户模式以外,其余6种模式统称为非用户模式,也叫特权模式(Privileged Modes);特权模式中,除去系统模式以外的5种又称为异常模式(Exception Modes),常用于处理中断或异常,以及需要访问受保护的系统资源等情况。,8.2.2 ARM的数据类型和存储器格式,1.数据类型ARM处理器支持三种长度的数据类型: 字(Word):长度为32位的数据。 半字(Ha

15、lf-Word):长度为16位的数据。 字节(Byte):长度为8位的数据。在ARM体系结构中,半字数据必须对准于偶数地址,字数据必须对准于4的整数倍地址,字节数据则可对准于任一地址。,8.2.2 ARM的数据类型和存储器格式,2.存储器格式ARM处理器将存储器看作是一个从0开始的线性递增的字节集合:字节0到3 保存第1个字数据,字节4 到7 保存第2个字数据,依此类推,每4个字节保存一个字数据。字的存储格式有两种:一种是小端(Little-endian)格式,即字的最低字节(字节0)保存在最低地址单元,最高字节(字节3)保存在最高地址单元。另一种是大端(Big-endian)格式,即字的最低

16、字节保存在最高地址单元,最高字节保存在最低地址单元。从硬件连接上看,前者将存储器系统的字节0、字节1、字节2和字节3分别连接到32位数据线的D7D0、D15D8、D23D16和D31D24;后者则相反,将存储器系统的字节0、字节1、字节2和字节3分别连接到数据线的D31D24、D23D16、D15D8和D7D0。,8.2.2 ARM的数据类型和存储器格式,一个具体的基于ARM核的芯片,可能对这两种存储格式都支持,也可能只支持其中一种。如果芯片只支持其中一种(如大端格式),而实际连接的存储器系统却配置为相反的格式(如小端格式),则只有以字为单位的存储器访问能正确实现,其他长度的存储器访问都将出现不可预知的结果。,ARM处理器核中共有37个32位寄存器,其中31个为通用寄存器,6个为程序状态寄存器。这些寄存器被安排成部分重叠的组,工作状态和运行模式不同,使用的寄存器组便不同。图8.1所示的是ARM处理器核的内部寄存器及其组织结构。,

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