《ARM硬件结构》课件.ppt

嵌入式技术与应用,智能电器与智能系统省重点实验室,ARM硬件结构,5,CHAPTER,第5章目录,1.简介2.引脚配置3.存储器寻址4.系统控制模块5.存储器加速模块6.外部存储器控制器7.引脚连接模块8.向量中断控制器9.GPIO,10.UART011.UART112.I2C接口13.SPI接口14.定时器0/115.脉宽调制器(PWM）16.A/D转换器17.实时时钟18.看门狗,第5章目录,1.简介2.引脚配置3.存储器寻址4.系统控制模块5.存储器加速模块6.外部存储器控制器7.引脚连接模块8.向量中断控制器9.GPIO,10.UART011.UART112.I2C接口13.SPI接口14.定时器0/115.脉宽调制器(PWM）16.A/D转换器17.实时时钟18.看门狗,5.1简介,LPC2000系列微控制器概述,LPC2000系列微控制器基于ARM7TDMI-SCPU内核。支持ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。使该系列微控制器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。,LPC2000系列器件信息,芯片内部框图,LPC2000系列微控制器包含四大部分：,ARM7TDMI-SCPU,ARM7局部总线及相关部件,AHB高性能总线及相关部件,VLSI外设总线及相关部件,芯片内部框图,LPC2000系列微控制器将ARM7TDMI-S配置为小端模式（Little-endian）。,ARM7TDMI-SCPU,AHB外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节ARM寻址空间的最顶端。每个AHB外设都分配了16KB的地址空间。,LPC2000系列微控制器的外设功能（除中断控制器）都连接到VPB总线。AHB到VPB的桥将VPB总线与AHB总线相连。VPB外设分配了2M字节的地址范围，从3.5GB地址点开始。每个VPB外设都分配了16KB的地址空间。,AHBToVPB桥,芯片内部各单元简介,内部存储器包括无等待SRAM和Flash；,外部存储器控制器（EMC）支持4个BANK的外部SRAM或Flash，每个BANK最多16MB；,系统功能包括维持芯片工作的一些基本功能，如系统时钟、复位等；,向量中断控制器（VIC）可以减少中断的响应时间，最多可以管理32个中断请求；,I2C串行接口为标准的I2C总线接口，支持最高速度400kb；,EMC,系统功能,VIC,I2C串行接口,芯片内部各单元简介,具有两个完全独立的SPI控制器，遵循SPI规范，可配置为SPI主机或从机；,具有两个UART接口，均包含16字节的接收/发送FIFO，内置波特率发生器。其中UART1具有调制解调器接口功能；,在LPC2119/2129/2290/2292等芯片中包含CAN总线接口；,看门狗定时器带有内部分频器，可以方便设置溢出时间，在软件使能看门狗后只有复位可以禁止（具有调试模式）；,SPI串行接口,UART0#if(Fpclk/(Fcclk/4)=1VPBDIV=0;#endif#if(Fpclk/(Fcclk/4)=2VPBDIV=2;#endif#if(Fpclk/(Fcclk/4)=4VPBDIV=1;#endif.,注意：在启动代码中很多地方使用了条件编译的方法，根据用户定义的宏来决定要设置的值，可以方便用户使用。,系统时钟初始化启动代码实例,设置PLL分频值,C代码分析：,.#if(Fcco/Fcclk)=2PLLCFG=(Fcclk/Fosc)-1)|(05);#endif#if(Fcco/Fcclk)=4PLLCFG=(Fcclk/Fosc)-1)|(15);#endif#if(Fcco/Fcclk)=8PLLCFG=(Fcclk/Fosc)-1)|(25);#endif#if(Fcco/Fcclk)=16PLLCFG=(Fcclk/Fosc)-1)|(3=300ns,复位,此时振荡器稳定工作,外部复位,3.在晶体振荡器保持稳定振荡，或者使用有源钟振时，外部复位信号可以缩短到不小于300ns；,复位,任何复位源引起的芯片复位都会启动唤醒定时器，当计数到一个固定个数的时钟时，处理器开始执行指令。这确保振荡器和芯片所需要的其它模拟电路在处理器开始执行指令之前能够正确工作。,外部复位与内部看门狗复位的共同点,复位,外部复位与内部看门狗复位的区别,外部复位将把某几个特定引脚的值锁存，来决定系统复位后的状态，而看门狗（WDT）复位则无此功能。,复位,复位后的系统状态,芯片被复位后，处理器和外设寄存器都恢复为默认状态。程序计数器（PC）值为0，即CPU复位后运行的第一条代码位于0 x00000000处。此时位于该地址的程序并不位于片内Flash，而是来自BootBlock的异常向量表的重新映射。通过异常向量表的复位异常入口，程序跳转至BootBlock中执行Boot程序。,复位,复位后的系统状态,地址空间,1.复位后用户见到的存储器分布,2.BootBlock中的异常向量表重新映射,复位,复位后的系统状态,地址空间,PC指向,3.PC指向0 x0000地址处，CPU执行复位后的第一条指令,复位,复位后的系统状态,地址空间,复位异常入口,未定义异常入口,软件中断入口,.,0 x00000004,0 x00000008,0 x00000040,4.通过跳转指令，程序跳入BootBlock，执行Boot程序。,复位,复位后的系统状态,PC指向,地址空间,复位异常入口,未定义异常入口,软件中断入口,.,0 x00000004,0 x00000008,0 x00000040,复位,Boot程序,Boot程序是芯片生产厂家固化在芯片中的一段代码，它完成芯片复位后的初始化操作，并提供实现Flash编程的方法。Boot装载程序可启动对空片的编程、已编程器件的擦除和再编程，以及在运行的系统中由应用程序对Flash存储器进行编程。,Boot程序工作流程LPC2114/2124,复位,运行ISP服务程序,看门狗复位,根据硬件（P1.20、P1.26）配置,进入ISP状态吗？(P0.14为低),初始化,用户代码是否有效,执行用户代码（片内Flash：0 x00000000）,N,Y,Y,Y,N,N,在此检测特定引脚,检测用户代码是否有效,Boot程序工作流程LPC2210/2212/2214,复位,看门狗复位,进入ISP模式？(P0.14为低),初始化,用户代码是否有效,芯片加密,允许调试,外部引导,芯片加密,运行ISP服务程序,执行外部用户代码(0 x80000000),执行内部用户代码(0 x00000000),N,N,Y,Y,N,N,N,N,Y,Y,Y,Y,在此检测特定引脚,检测用户代码是否有效,复位,有效用户代码的判别,LPC2000系列微控制器规定“内部Flash中向量表所有数据的32位累加为零”时，判定内部Flash中的代码为有效可执行代码。即只有当向量表所有数据32位累加和为零时，用户的程序才能脱机运行。,有效用户代码的判别,CODE32AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddr.DCD0 xb9205f80LDRPC,PC,#-0 xff0LDRPC,FIQ_AddrResetAddrDCDResetInitUndefinedAddrDCDUndefined.NouseDCD0IRQ_AddrDCD0FIQ_AddrDCDFIQ_Handler,异常向量表,前32字节为异常入口,后32字节为跳转地址,有效用户代码的判别,Reset0 xe59ff018ldrpc,ResetAddr0 xe59ff018ldrpc,UndefinedAddr.0 xb9205f80dcd0 xb9205f800 xe51ffff0ldrpc,0 x7ffff0300 xe59ff018ldrpc,FIQ_AddrResetAddr0 x8000008cdcd0 x8000008cUndefinedAddr0 x80000040dcd0 x80000040.Nouse0 x00000000dcd0 x00000000IRQ_Addr0 x00000000dcd0 x00000000FIQ_Addr0 x8000004cdcd0 x8000004c,异常向量表反汇编代码,前32字节为异常入口,后32字节为跳转地址,有效用户代码的判别,Reset0 xe59ff018ldrpc,ResetAddr0 xe59ff018ldrpc,UndefinedAddr.0 xb9205f80dcd0 xb9205f800 xe51ffff0ldrpc,0 x7ffff0300 xe59ff018ldrpc,FIQ_AddrResetAddr0 x8000008cdcd0 x8000008cUndefinedAddr0 x80000040dcd0 x80000040.Nouse0 x00000000dcd0 x00000000IRQ_Addr0 x00000000dcd0 x00000000FIQ_Addr0 x8000004cdcd0 x8000004c,异常向量表反汇编代码,指令的机器码,指令,有效用户代码的判别,Reset0 xe59ff018ldrpc,ResetAddr0 xe59ff018ldrpc,UndefinedAddr.0 xb9205f80dcd0 xb9205f800 xe51ffff0ldrpc,0 x7ffff0300 xe59ff018ldrpc,FIQ_AddrResetAddr0 x8000008cdcd0 x8000008cUndefinedAddr0 x80000040dcd0 x80000040.Nouse0 x00000000dcd0 x00000000IRQ_Addr0 x00000000dcd0 x00000000FIQ_Addr0 x8000004cdcd0 x8000004c,异常向量表反汇编代码,8条指令的机器码累加和为0，表示用户代码有效,Reset0 xe59ff018ldrpc,ResetAddr0 xe59ff018ldrpc,UndefinedAddr.0 xb9205f80dcd0 xb9205f800 xe51ffff0ldrpc,0 x7ffff0300 xe59ff018ldrpc,FIQ_AddrResetAddr0 x8000008cdcd0 x8000008cUndefinedAddr0 x80000040dcd0 x80000040.Nouse0 x00000000dcd0 x00000000IRQ_Addr0 x00000000dcd0 x00000000FIQ_Addr0 x8000004cdcd0 x8000004c,异常向量表反汇编代码,8条指令的机器码累加和为0，表示用户代码有效,有效用户代码的判别,0 x00000000,0 xe59ff018,0 xe59ff018,.,0 xb9205f80,0 xe51ffff0,0 xe59ff018,跳转地址数据不在累加范围内,通过调整该保留字，使累加和为0,5.4系统控制模块小节目录,系统控制模块概述系统时钟复位外部中断存储器映射控制功率控制唤醒定时器,外部中断,外部中断,外部中断是通过引脚输入符合要求的信号而触发的中断。LPC2114/2124/2212/2214含有4个外部中断输入（作为可选引脚功能，通过PINSEL0/1寄存器设置相应管脚为外部中断功能）。外部中断输入可用于将处理器从掉电模式唤醒。,外部中断,外部中断内部示意图,2.控制某几个引脚作为外部中断输入；,管脚连接控制,1.可作为外部中断输入的引脚；,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,3.控制触发外部中断的信号波形；,4.控制外部中断产生后是否唤醒CPU；,5.外部中断产生后设置的标志位；,(2),(1),(4),(5),外部中断相关寄存器,外部中断极性控制寄存器(EXTPOLAR)：,该寄存器控制着外部中断输入信号的极性，其中低四位EXTPOLAR3:0）分别对应外部中断30。,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断极性控制,外部中断相关寄存器,外部中断3外部中断2外部中断1外部中断0(EINT3)(EINT2)(EINT1)(EINT0),分别控制着,外部中断相关寄存器,外部中断极性控制寄存器(EXTPOLAR)：,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,当EXTPOLARx设置为1时EINTx引脚输入信号高电平或上升沿有效。当EXTPOLARx设置为0时EINTx引脚输入信号低电平或下降沿有效。,外部中断相关寄存器,外部中断相关寄存器,外部中断极性控制寄存器(EXTPOLAR)：,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断相关寄存器,外部中断方式控制寄存器(EXTMODE)：,该寄存器控制着外部中断输入信号的有效触发方式，其中低四位（EXTMODE3:0）分别对应外部中断30。,外部中断相关寄存器,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断方式控制,当EXTMODEx设置为0时输入信号为电平触发有效。当EXTMODEx设置为1时输入信号为边沿触发有效。,外部中断相关寄存器,外部中断方式控制寄存器(EXTMODE)：,外部中断相关寄存器,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断相关寄存器,极性与方式控制的组合关系：,外部中断相关寄存器,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断相关寄存器,外部中断唤醒寄存器(EXTWAKE)：,设置该寄存器允许相应的外部中断将处理器从掉电模式唤醒。实现掉电唤醒不需要在向量中断控制器（VIC）中使能相应的中断。该寄存器的低四位（EXTWAKE3:0）分别对应外部中断30。,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,掉电唤醒控制,外部中断相关寄存器,当EXTWAKEx设置为1时对应的外部中断将处理器从掉电模式唤醒。,外部中断唤醒寄存器(EXTWAKE)：,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断相关寄存器,外部中断标志寄存器(EXTINT)：,若引脚上出现了符合要求的信号，EXTINT寄存器中对应的中断标志将被置位。向该寄存器的EINT0EINT3位写入1，可将其清零。,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,中断标志,注意：在电平触发方式下，清除中断标志只有在引脚处于无效状态时才可实现。比如设置为低电平中断，则只有在中断引脚恢复为高电平后才能清除中断标志。,外部中断相关寄存器,外部中断标志寄存器(EXTINT)：,管脚连接控制,外部中断极性控制,外部中断方式控制,掉电唤醒控制,中断标志,CPU其它部件,PINSELx,EXTPOLAR,EXTMODE,EXTINT,EXTWAKE,外部中断,外部中断引脚设置,通过软件设置引脚选择寄存器（PINESLEx），可以将多个引脚同时作为同一个外部中断的输入引脚。EINT3EINT0外部中断的逻辑电路接收所有与之相连引脚的状态和信号。外部中断0（EINT0）-P0.1andP0.16RXD0,外部中断,外部中断引脚设置,根据其方式位和极性位的不同，外部中断逻辑处理如下：低电平触发方式：作为EINT功能的全部引脚的状态相与后作为输入信号；高电平触发方式：作为EINT功能的全部引脚的状态相或后作为输入信号；边沿触发方式：只使用GPIO端口号最低的那个引脚，并且与极性设置无关。,外部中断,外部中断应用示例1设置EINT0为低电平触发中断,.PINSEL1=(PINSEL1.,C代码：,1.设置引脚连接模块，将P0.16设置为外部中断功能；,2.设置中断方式寄存器，将外部中断0设置为电平触发；,3.设置中断极性寄存器，将外部中断0设置为低电平触发；,步骤：,(1),(2),(3),外部中断,外部中断应用示例2设置EINT0为下降沿触发中断,.PINSEL1=(PINSEL1.,C代码：,1.设置引脚连接模块，将P0.16设置为外部中断功能；,2.设置中断方式寄存器，将外部中断0设置为边沿触发；,3.设置中断极性寄存器，将外部中断0设置为下降沿触发；,步骤：,(1),(2),(3),外部中断,使用外部中断注意要点,把某个引脚设置为外部中断功能后，该引脚为输入模式，由于没有内部上拉电阻，所以必须外接一个上拉电阻，确保引脚不被悬空；除了引脚连接模块的设置，还需确设置VIC模块，才能产生外部中断，否则外部中断只能反映在EXTINT寄存器中。要使器件进入掉电模式并通过外部中断唤醒，软件应该正确设置引脚的外部中断功能，再进入掉电模式。,5.4系统控制模块小节目录,系统控制模块概述系统时钟复位外部中断存储器映射控制功率控制唤醒定时器,存储器映射控制,存储器映射控制的作用,“存储器映射控制”用于控制地址范围为0 x00000 x003F存储区域的重新映射。该区域存放着异常向量表。,AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddrLDRPC,SWI_AddrLDRPC,PrefetchAddrLDRPC,DataAbortAddr.,当发生异常时，程序总是跳转到地址为0 x00000 x003F的对应入口处，在该地址范围内存储有异常向量表。,指令未定义中止入口,软件中断入口,取数据中止入口,预取指中止入口,复位入口,.,存储器映射控制的必要性,异常向量表,AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddrLDRPC,SWI_AddrLDRPC,PrefetchAddrLDRPC,DataAbortAddr.,存储器映射控制的必要性,复位后用户看见的地址空间,可能存在程序存储器,异常向量表,AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddrLDRPC,SWI_AddrLDRPC,PrefetchAddrLDRPC,DataAbortAddr.,异常向量表,内部Flash,可以来自,存储器映射控制的必要性,复位后用户看见的地址空间,内部SRAM,AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddrLDRPC,SWI_AddrLDRPC,PrefetchAddrLDRPC,DataAbortAddr.,异常向量表,可以来自,存储器映射控制的必要性,复位后用户看见的地址空间,BootBlock,AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddrLDRPC,SWI_AddrLDRPC,PrefetchAddrLDRPC,DataAbortAddr.,异常向量表,可以来自,存储器映射控制的必要性,复位后用户看见的地址空间,外部存储器,AREAvectors,CODE,READONLYENTRYResetLDRPC,ResetAddrLDRPC,UndefinedAddrLDRPC,SWI_AddrLDRPC,PrefetchAddrLDRPC,DataAbortAddr.,异常向量表,可以来自,存储器映射控制的必要性,复位后用户看见的地址空间,为了让运行在不同存储器空间中的程序对异常进行控制。可以通过存储器映射控制，将位于不同存储空间的异常向量表重新映射至固定地址0 x000 x3F处，以实现异常向量表的来源控制。,存储器映射控制寄存器（MEMMAP）是一个可读可写的寄存器。MAP1:0：用于存储器映射控制，实现部分地址的重新映射；：表示该位保留。,PLL控制寄存器(PLLCON)：,存储器映射控制,存储器映射控制寄存器描述,MEMMAP为不同值时，ARM内核发生异常，程序跳转到异常向量表的来源也不相同。,存储器映射控制,存储器映射控制寄存器描述,存储器映射控制,MEMMAP在芯片复位后被修改的条件,在芯片复位时，MEMMAP值为0。首先得到运行的Boot程序，根据上表最左栏的判断条件来修改MEMMAP值。上表不包括的其它情况，MEMMAP值均为0 x00。,Boot程序对MEMMAP的影响LPC2114/2124,在此检测特定引脚,检测用户代码是否有效,复位后MEMMAP00,其它情况下MEMMAP00,用户代码有效且P0.14为高电平MEMMAP01,复位,运行ISP服务程序,执行用户代码（片内Flash：0 x00000000）,Boot程序对MEMMAP的影响LPC2210/2212/2214,在此检测特定引脚,检测用户代码是否有效,复位,复位后MEMMAP00,其它情况下MEMMAP00,BOOT引脚全为高且用户代码有效MEMMAP01,运行ISP服务程序,执行外部用户代码(0 x80000000),执行内部用户代码(0 x00000000),芯片未加密且BOOT引脚不全为高MEMMAP11,内核与物理存储器的关系,存储器映射控制原理,存储器映射的流程,存储器映射控制原理,存储器映射控制,存储器映射控制重新映射前后地址,复位后用户看见的地址空间,存储器映射控制,存储器映射控制重新映射前后地址,01,MEMMAP1:0=,10,00,11,不重新映射,存储器映射控制,Remap应用实例中断向量表位于片内RAM,在某些应用中，为了能动态修改异常向量表的内容，需要把异常向量表放在RAM中，并设置存储器映射控制寄存器（MEMMAP）。,1.将异常向量表从Flash中复制到内部SRAM的0 x40000000到0 x4000003F地址处,操作流程,2.设置MEMMAP值为2,存储器映射控制,Remap应用实例中断向量表位于片内RAM,.cp1=uint32(Vectors);cp2=0 x40000000;for(i=0;i16;i+)*cp2+=*cp1+;MEMMAP=2;.,程序代码,存储器映射控制,Remap应用实例中断向量表位于片内RAM,1.将异常向量表从Flash中复制到内部SRAM的0 x40000000到0 x4000003F地址处,操作流程,2.设置MEMMAP值为2,5.4系统控制模块小节目录,系统控制模块概述系统时钟复位外部中断存储器映射控制功率控制唤醒定时器,功率控制,功率控制描述,LPC2114/2124/2210/2212/2214支持两种节电模式：空闲模式和掉电模式。另外还具有外设的功率控制特性，允许独立关闭应用中不需要的外设，这样可以进一步降低功耗。,功率控制,功率控制空闲模式,在该模式下，内核停止执行指令，直到发生复位或中断为止，但系统时钟PCLK一直有效。外设功能在空闲模式下继续保持并可产生中断使处理器恢复运行。空闲模式使处理器、存储器系统和相关控制器以及内部总线不再消耗功率。,功率控制,功率控制