基于ARMTDMI的SCBX嵌入式微处理器技术

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1、第2章 S3C44B0X微处理器 组成及编程模式,本章重点 :, S3C44B0X微处理器的组成； S3C44B0X系统管理的特点； S3C44B0X引脚信号含义； S3C44B0X特殊功能寄存器； ARM7TDMI核的组成； ARM7TDMI指令系统特点和编程模式。,2.1 S3C44B0X微处理器概述,嵌入式微处理器S3C44B0X中集成了ARM公司的ARM7TDMI核，这个核也称为CPU单元，此外还集成了边界扫描控制器等多个功能模块（也称模块、单元）。S3C44B0X中有2条总线，即系统总线和外设总线。通过系统总线，将CPU单元、电源管理模块（含时钟发生器）、存储器控制器、LCD控制器、

2、中断控制器和2通道ZDMA连接在一起。总线仲裁器对系统总线上的总线请求进行仲裁。通过外设总线，将AD转换器、看门狗定时器、RTC、通用IO控制器（GPIO）、IIC总线控制器、IIS总线控制器、UART、SIO、PWM等连接在一起。系统总线与外设总线通过系统总线桥与仲裁2通道BDMA连接在一起。详见图2.1。,2.2 S3C44B0X微处理器组成,2.2.1 S3C44B0X微处理器组成与系统管理特点 S3C44B0X微处理器组成 S3C44B0X组成框图见图2.1。（P18）,在S3C44B0X中提供了如下模块： 存储器控制器 Cache存储器与内部SRAM（共8KB） LCD控制器 DMA

3、控制器 UART控制器 多主IIC总线控制器, IIS总线控制器 PWM定时器和内部定时器 看门狗定时器 通用IO端口控制器（GPIO） 功耗管理模块与时钟发生器 AD转换器 实时时钟模块 中断控制器 SIO,另外： 操作电压 内核2.5V，IO 3.0V到3.6V。 操作频率 最高到66MHz。 封装 160 LQFP或160 FBGA。, S3C44B0X系统管理特点 支持大端小端格式； 存储器寻址空间支持每个bank大小为32MB，全部为256MB； 对每个bank，支持可编程的81632位数据总线； 在8个banks中，有1个bank起址和bank大小可编程；其余7个banks起址固定

4、，banks大小可编程； 在8个banks中，支持6个banks使用ROM、SRAM类型芯片，支持2个banks使用ROMSRAMDRAM（FPEDOSDRAM）类型芯片；,对全部存储器banks，存取周期可编程； 支持外部等待信号，可以扩展总线周期； 在节电模式，支持DRAMSDRAM自我刷新方式； 对DRAM，支持对称非对称地址方式，即动态存储器芯片行地址和列地址可以等长也可以不等长； 支持存储器寻址空间与IO寻址空间统一编址方式。,2.2.2 引脚信号描述 S3C44B0X微处理器封装形式 S3C44B0X微处理器采用2种封装形式，160LQFP和160FBGA形式。160LQFP封装形

5、式见图2.2。（P22）, S3C44B0X微处理器各引脚信号描述 S3C44B0X的160个引脚中，有71个引脚可以通过编程的方法，定义为多功能输入输出引脚。这71个引脚被分成A、B、C、D、E、F和G端口。例如，端口A可以定义为输出端口，或定义为地址总线ADDR24ADDR16和ADDR0。在Reset后，默认值是地址总线ADDR24ADDR16和ADDR0，之后可以重新定义端口A的功能，详见第8章IO端口。对这些端口，以下引脚信号的描述仅仅是针对Reset后，没有重新定义的端口默认信号。除这71个引脚外，其余引脚功能是单一的。,S3C44B0X微处理器各引脚信号描述见表2.1。 （见参考

6、书P23-25）,2.2.3 特殊功能寄存器简介 特殊功能寄存器（Special Function Registers，SFR），有时也称特殊寄存器或专用寄存器。占用存储器地址空间为0x01C000000x01FFFFFF，共4MB。这些寄存器的含义和功能将在第4章以后的各章中分别介绍，附录A列出了全部特殊功能寄存器的一个汇总简表。,2.3 ARM7TDMI核,2.3.1 指令流水线、存储器访问和存储器接口 指令流水线 ARM7TDMI核使用了三级流水线结构，在通常情况下，每条指令以取指、译码和执行三级，通过流水线。 存储器访问和存储器接口 ARM7TDMI核采用冯诺依曼结构，使用单一的32位

7、数据总线传送指令和数据。只有装入、存储和交换三种指令才能从存储器存取数据。,数据可以是： 8位（字节）； 16位（半字）； 32位（字）。 字必须以4字节边界对齐，半字必须以2字节边界对齐。,2.3.2 ARM7TDMI指令系统特点 S3C44B0X微处理器中含有ARM7TDMI核，使用的指令系统就是ARM7TDMI的指令系统。ARM7TDMI有2种指令集：32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。 ARM指令集的主要特点有：所有的指令都是32位定长，便于译码和流水线实现，并且在内存中以4字节边界地址对齐保存；只有 LOAD-STORE类型的指令才可以访问内存；所有的指令都可以条件执行；

8、使用了桶型（barrel）移位器，可以在一个指令周期内完成移位操作和ALU（算术逻辑）操作。,Thumb指令集虽然是一个16位的指令集，但是能够在32位结构的ARM7TDMI处理器上运行。Thumb指令集执行效率比传统的16位结构的处理器更有效，也比32位结构的处理器有更高的代码密度。Thumb指令集是32位ARM指令集中最常用的指令功能上的一个子集。Thumb指令有效果相同的32位ARM指令对应。,Thumb指令使用了32位核的全部优点： 32位地址空间； 32位寄存器； 32位移位器和ALU单元； 32位存储器传送器。,2.3.3 ARM7TDMI组成 ARM7TDMI组成 ARM7TDM

9、I组成框图见图2.4。 图2.4 ARM7TDMI处理器组成框图,ARM7TDMI从功能上可以分为三部分，一部分是ARM7TDMI主处理器逻辑，在稍后介绍。另一部分是附加在ARM7TDMI主处理器上的用于调试硬件和软件的电路，这部分电路由Embedded ICE逻辑、测试访问端口控制器（Test Access Port controller，TAP）和三条扫描链组成。还有一部分是总线拆分器，将处理器内部的数据总线拆分成外部双向D31：0、单向输入DIN31：0和单向输出DOUT31：0数据总线。,与ARM7TDMI调试相关的标准以及图2.4中相关模块介绍如下： JTAG（Joint Test

10、Action Group） Embedded ICE（Embedded In_Circuit Emulater）逻辑 TAP controller 扫描链（scan chain）, ARM7TDMI主处理器 ARM7TDMI主处理器组成见图2.5，相关信号含义见附录B。（见参考书P29） ARM7TDMI主处理器功能与通用CPU基本相同，由运算器和控制器组成。 运算器主要包括32位算术逻辑单元、Barrel移位器、32*8位硬件乘法器，以及31个32位通用寄存器和6个32位状态寄存器；另外还有地址寄存器和地址增量器等。 控制器主要由指令译码器和逻辑控制单元组成。此外，图中还有指令流水线、读数据

11、寄存器和Thumb指令控制器、写数据寄存器以及扫描控制单元。, ARM7TDMI处理器信号分组 ARM7TDMI处理器信号分组见图2.6。图中各信号含义见附录B。（见参考书P30、358-360） 图2.6中按照不同的功能，对ARM7TDMI处理器的信号进行了分组，功能相同的信号分为一组，图中有些信号在后续章节会用到。,2.4 ARM7TDMI编程模式,2.4.1 编程模式与处理器操作状态 编程模式 ARM7TDMI处理器核实现了ARM v4T结构，包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集。v4T结构支持对芯片的调试，允许处理器响应调试请求暂停；处理器内含有32*8位硬件乘法器；支持嵌入

12、式ICE硬件提供片上断点和调试点。, 处理器操作状态 ARM7TDMI处理器的2种操作状态： ARM状态，在这种状态执行32位的、字边界对齐的ARM指令。 Thumb状态，在这种状态执行16位的、半字边界对齐的Thumb指令。 在Thumb状态，程序计数器PC使用bit1来选择切换半字。 在ARM和Thumb之间转换状态，不影响处理器操作方式或寄存器内容。, 转换状态 使用ARM指令集的BX指令可以从ARM状态转换到Thumb状态，使用Thumb指令集的BX指令可以从Thumb状态转换到ARM状态。 无论处理器在ARM状态或Thumb状态，发生了异常，进入异常处理程序处理器一定是在ARM状态。

13、如果一个异常在Thumb状态出现，处理器要转换到ARM状态，异常处理完返回时自动转换回Thumb状态。,刚进入异常处理程序后处理器处在ARM状态，如果需要，异常处理程序能够转换到Thumb状态，但是异常处理程序结束前，处理器必须转换到ARM状态，在ARM状态才允许异常处理程序正确的终止。,2.4.2 存储器格式和数据类型 存储器格式 ARM7TDMI处理器允许使用大、小端格式，它能够对存储在存储器中的字以大端或小端格式访问。缺省格式是小端格式。 大端或小端格式是指一个字数据中的4个字节数据，必须被放在字边界对齐的存储器地址A开始的连续4个字节地址单元之中的什么位置。 在数据以字存放在存储器中，

14、而以字节或半字访问时，对CPU被配置为大端或小端格式要特别注意。, 小端格式 在小端格式，处理器寄存器中的32位二进制数用bit31：0表示，其中bit31为最高位，bit0为最低位，分为4字节，bit31：24为数据的最高字节，bit7：0为数据的最低字节。当寄存器的内容以字格式保存在字边界对齐的存储器地址A中时，存储器4个地址中保存的字节数据与寄存器bit31：0的对应关系见图2.7。 （见参考书P32）,例如，寄存器R0中保存的16进制数是0x12345678，最高2位数是0x12，最低2位数是0x78。如果以字方式存R0的内容到字边界对齐的存储器地址A中，那么字节地址A中存放的数是0x

15、78，地址A+1中存放的数是0x56，地址A+2中存放的数是0x34，地址A+3中存放的数是0x12。, 大端格式 在大端格式，当寄存器的内容以字格式保存在字边界对齐的存储器地址A中时，存储器4个地址中保存的字节数据与寄存器bit31：0的对应关系见图2.8。(见参考书P32) 例如，寄存器R0中保存的16进制数是0x12345678，最高2位数是0x12，最低2位数是0x78。如果以字方式存R0的内容到字边界对齐的存储器地址A中，那么字节地址A中存放的数是0x12，地址A+1中存放的数是0x34，地址A+2中存放的数是0x56，地址A+3中存放的数是0x78。, 数据类型 ARM7TDMI处

16、理器支持三种数据类型： 字，32位； 半字，16位； 字节，8位。 所谓的边界对齐必须遵循： 字数据必须以4字节为边界对齐存取； 半字数据必须以2字节为边界对齐存取； 字节数据可以在任意字节地址中存取。 存储器系统支持上述三种数据类型的存取。,2.4.3 处理器操作方式 ARM7TDMI处理器有7种操作方式，见表2.2。 方式的改变可以在软件控制下改变，也可以由外部中断或者由异常处理带来改变。除了用户方式，其他几种方式都被称为特权方式。特权方式用于为中断或异常（exception）服务，或访问受保护的资源。,表2.2 处理器7种操作方式,2.4.4 寄存器 ARM7TDMI共有37个寄存器。其中：31个是32位的通用寄存器，6个是32位的状态寄存器。 在同一时间内这37个寄存器不是全部都可以存取的。处理器操作状态（ARM或Thumb）和操作方式（用户、中断等7种）确定哪些寄存器对程序员是可存取的。,