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ARM 处理器开发

ARM 处理器开发. 杨传森. 内容介绍. ARM 的基本内容： ARM 公司的简介 ARM 的设计思想与 RISC 的设计思想之比较 ARM 的结构特定 ARM 总线技术 ARM 的命名规则 ARM 的基础知识： ARM 的体系结构 ARM 的流水线结构 ARM 的寄存器 ARM 的存储器与 I/O ARM 的处理器状态 ARM 的处理器模式 ARM 的条件代码标志、模式位 ARM 存储器格式. 内容介绍. ARM 的指令集： ARM 与 THUMB 两种指令集的应用 ARM 的应用与开发心得介绍

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ARM 处理器开发

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Presentation Transcript

  1. ARM处理器开发 杨传森

  2. 内容介绍 ARM的基本内容： • ARM公司的简介 • ARM的设计思想与RISC的设计思想之比较 • ARM的结构特定 • ARM总线技术 • ARM的命名规则 • ARM的基础知识： • ARM的体系结构 • ARM的流水线结构 • ARM的寄存器 • ARM的存储器与I/O • ARM的处理器状态 • ARM的处理器模式 • ARM的条件代码标志、模式位 • ARM存储器格式

  3. 内容介绍 • ARM的指令集： • ARM与THUMB两种指令集的应用 • ARM的应用与开发心得介绍 • ARM存储映射及引导块 • ARM的中断分配 • ARM的堆栈分配 • ARM的中断处理策略与过程处理 • ARM的外部存储控制器的应用 • ARM的引脚分配

  4. 电源模块 FLASH 时钟 微处理器 RAM 复位 ROM USB LCD 键盘 其他 嵌入式系统基本组成－硬件 • 硬件示意图

  5. 应用程序 软件结构 操作系统 输入 输出 处理器 存储器 硬件结构 嵌入式系统基本组成－软件 • 软件示意图

  6. 引言－－嵌入式系统组成 I • 嵌入式处理器：系统的核心部件 • 外围设备： • 存储器 • 接口 • 嵌入式操作系统：uC/OS-II等等 • 应用软件

  7. ARM公司简介 • ARM 公司作为32位处理器内核的提供者，拥有100多家半导体合作伙伴，ARM core是目前消费类电子市场中市场占有量第一的CPU体系。 • ARM是一个CPU内核。ARM公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收取授权费与技术转让费 • 随着ARM/MIPS/ARC等成熟内核的推出，很多过去没有32位cpu研发能力的半导体公司进入这一行列。

  8. ARM的设计思想 • 降低功耗：设计成较小的核 • 高的代码密度：由于嵌入式系统的成本问题与物理尺寸的限制与制约，嵌入式系统的存储器有限 • 集成调试技术：减小嵌入式处理器的内核芯的面积，相应低增加外设电路的空间，提高监视能力――处理器在执行代码的具体情况，降低系统的整体开发成本

  9. ARM结构特点 • 面向嵌入式系统的指令集： • 桶形移位器：硬件结构部件，扩展了许多指令的功能，借此改善内核的功能，提高代码的密度 • 条件执行：这个特性可以减少分支指令的数目，改善内核的功能，提高代码的密度 • Thumb指令集：增强ARM的内核的功能，提高代码密度 • 增强指令：一些DSP指令被加入到标准ARM指令中，支持16*16位乘法操作和饱和运算。

  10. ARM-嵌入式解决方案的RISC标准 • ARM是知识产权（IP）供应商，专注与系统设计。IP :Intellectual Property Core • 由于ARM核以其高性能、小体积，低功耗紧凑代码密度多供应源，并全球有100多个合作伙伴从而保证了大量的开发工具核丰富的第三方资源 • 借助于第三方开发者广泛的支持，应用设计可以使用丰富的标准开发工具和ARM优化的应用软件

  11. ARM总线技术 • ARM主要是芯片设计公司，它并不体现具体的总线电气特性，但它详细地定义了总线协议。

  12. ARM总线技术 • 1、AMBA(初期)：高级控制总线结构(Advanced Microcontroller Bus Architecture )，包括ARM系统总线（ASB，ARM System BUS）和ARM外设总线（APB，ARM Peripheral BUS） • 2、AHB：高性能总线（Advanced High Performance BUS ）。基于AMBA，一个外设可以简单地连接到片上总线，而不需要为不同的处理器结构重新设计接口。 • 3、一条AHB总线连接高性能的片内外设；一条APB总线连接较慢的片内外设。

  13. 命名规则 ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F} {－S} • X―――系列 • Y―――存储管理/保护单元 • Z―――cache • T―――Thumb16位译码器

  14. 命名规则 • D―――JTAG调试器，由IEEE1149.1标准测试访问端口（standard test access port）和边界扫描结构来描述,是ARM用来发送和处理内核与测试仪器之间调试信息的一系列协议。 • M―――快速乘法器 • I―――嵌入式跟踪宏单元（embedded ICE Macrocell），是建立在处理器内部、用来设置断点和观察点的调试硬件

  15. 命名规则 • E―――增将指令（基TDMI） • J―――Jazelle，一种可加速Java字节码的执行的技术 • F―――向量浮点单元 • S―――可综合版本，处理器内核是以源代码形式提供的

  16. ARM系列处理器 • ARM系列内核的优势 • 低价格 • 低功耗 • 高处理能力。 • 另外具有Thumb,DSP,jazeller功能扩展

  17. ARM系列处理器 • 主流ARM内核： • ARM7 ：arm7tdmi,arm720t(MMU) • ARM9 • ARM10 • StrongARM/Xscale • ARM11

  18. ATMEL公司arm系列 • AT91系列： AT91X40系列： 基于arm7tdmi核，内嵌FLASH，SRAM和各种外围功能模块，为嵌入式应用提供了一个灵活的、性价比高的解决方案。 • 优点：工业级。但缺乏lcd驱动等较吸引力的外围电路。

  19. ATMEL公司arm系列 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

  20. ARM系列处理器 • Cirrus logic公司 机顶盒/mp3/IA等专用SOC，有数模混合和视频/音频处理优势。 • EP7211 • EP7212 • EP7209 • EP9312

  21. ARM系列处理器 • NetScillon公司 ARM+NET系列芯片，关注设备上网（嵌入式internet）解决方案。

  22. ARM系列处理器 • Samsung: Arm系列SOC芯片，集成度高，关注mp3/pda应用。 • Motolora : 最近推出龙珠MX1，使用了arm内核。

  23. ARM系列开发 • C/C++开发平台 ADS ：ARM公司提供 SDT：ARM公司提供 HITOOL：祥宝公司提供 EMBEST：英蓓特公司提供 GNU：免费平台

  24. ARM系列仿真调试器 • ARM系列支持JTAG规范 目前支持ARM的调试器： Angel---rom monitor JEENI Multi-Ice TraceIcd ….

  25. ARM7处理器基础知识 • ARM/THUMB • THUMB (inside 32bit,code 's 16bit)--增加代码密度减少成本 • 7种模式： 用户态/FIQ/IRQ/管理态/中止态/系统态/未定义寄存器。

  26. ARM体系结构 • 32位ALU，31个32位通用寄存器及6个状态寄存器， • 32X8位乘法器，32X32位移位寄存器 • 指令译码及控制逻辑，指令流水线和数据/地址寄存器

  27. 调试与测试 ARM7TDMI AHB桥 仿真跟踪模块 向量中断 AMBA总线 局部总线 AHB To VPB VPB AHB译码 SDRAM及内部控制器 外部中断 外部存储控制器 捕获/比较 定时器 IIC接口 A/D转换器 SPI接口 通用I/O UART0 1 PWM 看门狗定时器 实时时钟 系统控制 • ARM7TDMI功能框图

  28. 数据 指令译码器 符号扩展 写 读 PC p15 结果 to Rd 寄存器文件r0~r15 Rn Rm 桶型移位器 MAC ALU 地址寄存器 加法器 地址 ARM内核的数据流模型 • ARM内核的数据流模型

  29. ARM流水线结构 • 取指 • 译码 • 取操作数 • 执行运算 • 存储器访问 • 结果写回寄存器 各个阶段操作相互独立，采用流水线的重叠技术极大地提高了系统性能

  30. 取 指令 译码 译码 Reg 读 移位 /ALU 乘法 地址 计算 乘法器 部分积 相加 Reg写 数据写 取指令 Thumb解压缩 ARM译码 Reg读 移位/ALU Reg写 取指令 译码 Reg读 移位/ALU 数据存储器访问 Reg写 ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10在流水线方面的区别 • 取指 译码 执行 • 取指 译码 执行 存储器 写 • 取指发射译码执行存储器写

  31. ARM7寄存器 R0--R7 : 通用寄存器 • R8_FIQ ---R12_FIQ：允许快速中断处理 • /R8_USER ---- R12_USER 其它态。 • R13,R14/USER:SYSTEM • R13,R14/FIQ R13,R14/管理态 • R13,R14/IRQ R13,R14/中止态 R13,R14/UNDEF • R13用于各工作态的堆栈寄存器 • R14用来保护程序调用的现场PC指针 • R15:pc，其内容是处理器要取的下一条指令的址

  32. 中断与异常 • 复位 0x00000000开始或0xffff0000开始 • 管理模式 IRQ 中断irq引脚产生，比Fiq优先级低。进入Fiq时，会屏蔽irq.0x000000018或0xffff0018 • FIQ 快速中断引脚产生，放在矢量表的最后，另外有自己的临时寄存器，提升中断响应 0x0000001c或0xffff001c • 异常进入均为ARM态，另外异常的返回各不相同。FIQ: movs pc,r14_fiq,#4 IRQ: movs pc,r14_fiq,#4 • Fiq/irq 的最大延迟时间：29个时钟周期。 • 最小延迟时间：5个时钟周期。

  33. 存储器和I/O • ARM采用了存储器映射I/O的方式，把I/O地址作为特殊的存储器地址。 • ARM体系同时支持大尾端/小尾端 • 小位端：11223344 --〉44，33，22，11。 • 32根地址线 • 32根数据线 • 内部cache • I/O采用内存映射的方式实现

  34. LPC2200系列－ARM I/O结构 • 一般而言，ARM架构中的处理器核和处理器内核都没有I/O部件和模块，但是可以通过AMBA总线扩展。 • 存储器映射I/O：ARM采用了存储器映射I/O的方式，把I/O地址作为特殊的存储器地址。 • 中断IRQ和快速中断FIQ：一般的ARM没有DMA功能，系统安排了快速中断FIQ和中断IRQ来提高I/O处理能力。

  35. ARM AMBA接口 • ARM内核通过内部总线选用Ｃａｃｈｅ部件，通过协处理器接口扩充各种协议处理器， • 通过AMBA来扩展不同体系构架的宏单元及I/O部件

  36. ARM7TDMI处理器三级流水线 • 增加处理器指令流的速度，（09MIPS/MHz） • 取指 • 译码 • 执行 • ARM7TDMI使用 Von Neumann结构：指令与数据共用一条32位总线。

  37. 处理器状态I • ARM7TDMI内核使用ARMv4T，该结构包含32位ARM指令集，16位Thumb指令集。

  38. 处理器状态II－处理器模式

  39. 条件代码标志： • ARM内核使用CPSR来监视和控制内部的操作 • CPSR分为4个8位区域：标志域、状态域、扩展域、控制域

  40. 模式位 －处理器模式

  41. 异常或入口 返回指令 前状态 ARM Thumb 备注 BL Mov pc,r14 Pc+4 Pc+2 SWI Mov pc,r14_svc Pc+4 Pc+2 未定义指令 Mov pc,r14_und Pc+4 Pc+2 预取中止 SUBS pc,r14_abt,#4 Pc+4 Pc+4 快中断 SUBS pc,r14_fiq,#4 Pc+4 Pc+4 中断 SUBS pc,r14_riq,#4 Pc+4 Pc+4 数据中止 SUBS pc,r14_abt,#8 Pc+8 Pc+8 复位 无 无 无 异常与中断 • 异常或入口

  42. 异常与中断 • 进入异常 在适当的LR中保存，下一条指令的地址。 CPSR复制适当的SPSR 根据异常将CPSR模式强制设为某一值 强制PC从相关的异常向量处取指

  43. 异常与中断 • 退出异常 将LR中的值减去偏移量后移入PC 将SPSR的值复制回CPSR 清零中断禁止标志（在入口中置位的）

  44. 异常与中断 • FIQ（快速中断） nFIQ信号由片外拉低，产生快速中断请求，支持数据转移和通道处理；在一个特权模式下，可通过置位CPSR中的F标志位，来禁止FIQ异常；当F标志清零时，ARM7TDMI在每条指令结束时检测FIQ同步器输出端的电平。

  45. 异常与中断 • IRQ 用于外部硬件（外设）中断处理器的正常执行流。在一个特权模式下，可通过置位CPSR中的I标志位，来禁止IRQ异常。

  46. 异常与中断 • 中止 表示当前对存储器的访问不能被完成。ABORT信号由内部存储管理器部件控制。

  47. 异常与中断 • 软件中断 SWI指令用于调用一个操作系统例程的机制。即软件中断进入管理模式，用于请求特定的管理函数。

  48. 异常与中断 • 未定义指令 处理器不能对一条指令译码时使用

  49. 异常与中断 • 复位 处理器上电后执行的第一条指令的位置。该指令使处理器转跳到初始化代码处。

  50. 存储器格式I • Little-endian 31 16 15 0

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