第1章ARM嵌入式微处理器概述

1、1第一章第一章 ARM嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述1.1 ARM处理器特点与分类处理器特点与分类核体系结构ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740TV4TStrong ARM，ARM8，ARM810V4ARM9TDMI，ARM920T，ARM940TV4TARM9E-SV5TEARM10TDMI，ARM1020EV5TEARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S，ARM11JZF-SV6CortexA15, CortexA9, CortexA8, A7，A5 V7ACortex R系列V7RCortex M系列V7MARM

2、发展历程ARM微处理器系列微处理器系列ARM7微处理器系列微处理器系列ARM9微处理器系列微处理器系列ARM9E微处理器系列微处理器系列ARM10E微处理器系列微处理器系列ARM11系列系列Cortex系列系列SecurCore系列系列Intel的的Xscale系列系列Inter的的StrongARMARM9微处理器系列微处理器系列Cache内存内存管理管理流水线流水线级别级别ThumbDSPJazelleARM9TDMI无无无无5有有无无无无ARM920T16K/16kMMU5有有无无无无ARM922T8k/8kMMU5有有无无无无 ARM9的时钟频率比的时钟频率比ARM7更高更高 ，在同样

3、的加工工，在同样的加工工艺下，艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是处理器的时钟频率是ARM7TDMI的的1822倍。倍。 ARM9E微处理器系列Cache内存管理内存管理 流水线流水线级别级别Thumb DSPJazelleARM926EJ-S4KB128KBMMU5/6有有有有有有ARM946E-S4KB1MBMPU5有有有有无无ARM966E-S无无无无5有有有有无无ARM968E-S无无无无5有有有有无无ARM996HS无无MPU5/6有有有有无无ARM10E微处理器系列 Cache内内 存存 管管 理理流水线流水线级别级别ThumbDSPJazelleARM1020E32KBMMU

4、6有有有有无无ARM1022E16KBMMU6有有有有有有ARM1026EJ-S4128KBMMU6有有有有有有ARM11微处理器系列Cache内内 存存 管管 理理流水线流水线级别级别ThumbDSPJazelle浮浮 点点 运运 算算ARM1136J-S464KBMMU8有有有有有有无无ARM1135JF-S464KBMMU8有有有有有有有有ARM1156T2-S可配置可配置9Thumb-2有有无无无无ARM1156T2F-S可配置可配置9Thumb-2有有无无有有ARM1176JZ-S可配置可配置9Thumb-2有有有有无无ARM1176JZF-S可配置可配置9Thumb-2有有有有有有

5、ARM11ARM11系列微处理器是系列微处理器是ARMARM公司近年推出的新一代公司近年推出的新一代RISCRISC处理器，处理器，它是它是ARMARM新指令架构新指令架构ARMv6ARMv6的第一代设计实现。的第一代设计实现。 Cortex微处理器系列o Cortex系列微处理器属于系列微处理器属于ARMv7架构，这是架构，这是ARM公司最新的指令集架构。公司最新的指令集架构。 o Cortex处理器类型包括：处理器类型包括：n Cortex-M3n Cortex-A15、9、8、7、5n Cortex-R4、R4F、R5、R7Cortex微处理器系列oCortex-M3n 采用ARMv7-

6、M架构，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构 ，单片机的完美替代品oCortex-A15n 四核芯片 ，2.5GHz ，支持超过4GB的内存 ，应用于高级智能手机、 移动计算、 高端数字家庭娱乐、无线基础结构 、低功耗服务器。 Cortex-A15内核智能手机 ，是当前的高级智能手机性能的五倍。 应用选型应用选型o ARM处理器选型的几个关键因素：处理器选型的几个关键因素：n 是否需要支持操作系统是否需要支持操作系统内核版本内核版本ARM9以后多以后多带有带有MMU单元，以实现对操作系统的支持。单元，以实现对操作系统的支持。n 处理能力要求处理能力要求系统时

7、钟在很大程度上决定了微系统时钟在很大程度上决定了微处理器的处理能力。处理器的处理能力。o 常见的常见的ARM7芯片系统主时钟频率为芯片系统主时钟频率为20133MHzo 常见的常见的ARM9芯片的系统主时钟频率为芯片的系统主时钟频率为100233MHz应用选型（续）应用选型（续）n芯片内存储器容量的要求芯片内存储器容量的要求绝对大多数绝对大多数ARM处理器都在片处理器都在片内集成有存储单元，但容量各有区别。内集成有存储单元，但容量各有区别。n片内扩展模块的选择片内扩展模块的选择几乎所有的几乎所有的ARM芯片均需要根据各芯片均需要根据各自不同的应用领域，扩展相关功能模块，并集成在芯片内部，自不同

8、的应用领域，扩展相关功能模块，并集成在芯片内部，称之为片内扩展模块。称之为片内扩展模块。n多芯核结构的选择多芯核结构的选择某些供应商提供的某些供应商提供的ARM芯片内置多个芯片内置多个处理器内核处理器内核 。如。如ARM+DSP、ARM+FPGA、ARM+ARM等等 n处理器封装的选择处理器封装的选择ARM芯片现在主要的封装有芯片现在主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式。等形式。 1.2 ARM微处理器体系结构微处理器体系结构1.2.1 ARM处理器状态o 处理器状态ARM7TDMI处理器内核包含2套指令系统，分别为ARM指令集和Thumb指令，并且各自对应

9、1种处理器的状态：ARM状态：32位，处理器执行字方式的ARM指令，处理器默认为此状态；Thumb状态：16位，处理器执行半字方式的Thumb指令。2.4 ARM处理器状态o 状态切换的一个例子 使用BX指令将ARM内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换。ARM指令集Thumb指令集指令集关系1.2.2 ARM处理器的运行模式 ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好处是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。ARM7TDMI完全支持这七种模式。ARMARM微处理器的工作模式微处理器的工作模式 u

10、sr：ARM处理器正常的程序执行状态 fiq：用于高速数据传输或通道处理 irq：用于通用的中断处理 svc：操作系统使用的保护模式 abt：用于虚拟存储及存储保护 sys：运行具有特权的操作系统任务 und：当出现未定义指令终止时进入该模式1.2.3 ARM1.2.3 ARM体系结构的存储器格式体系结构的存储器格式ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式 ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节） ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。 ARM体系结

11、构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式 ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式大端格式大端格式 在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式小端格式小端格式 与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节1.2.4 ARM的寄存器组织 在ARM处理器内部共有37个用户可访问的寄存器，分别为31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。

12、ARM处理器共有7种不同的处理器模式，每种模式都有一组相应的寄存器组，最多可以18个活动的寄存器。ARM状态各模式下的寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R1

13、1_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq 所有的37个寄存器，分成两大类：31个通用32位寄存器；6个状态寄存器。1.2.4 ARM的寄存器组织o 在Thumb状态各模式下实际访问的寄存器 Thumb状态寄存器集是ARM状态集的子集，程序员可以直接访问的寄存器为：8个通用

14、寄存器R0R7；程序计数器（PC）；堆栈指针（SP）；链接寄存器（LR）；当前程序状态寄存器（ CPSR）。ARM状态Thumb寄存器在ARM状态寄存器上的映射R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12堆栈指针(R13)连接寄存器(R14)程序计数器(R15)CPSRSPSRR0R1R2R3R4R5R6R7堆栈指针(SP)连接寄存器(LR)程序计数器(PC)CPSRThumb状态 Thumb状态R0R7与ARM状态R0R7相同；1 Thumb状态CPSR(无SPSR)与ARM状态CPSR相同。5 Thumb状态SP映射到ARM状态R13；2 Thumb状态LR映射到ARM状态R

15、14； 3 Thumb状态PC映射到ARM状态R15(PC)；4低端寄存器高端寄存器 在Thumb状态中，高端寄存器的访问是受到限制的，只有MOV、CMP和ADD指令可以对其访问，可以用于数据的快速暂存。1.2.5 异常处理o 异常简介 只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式。例如在用户模式下执行程序时，当外设向处理器内核发出中断请求导致内核从用户模式切换到异常中断模式。 如果同时发生两个或更多异常，那么将按照固定的顺序来处理异常。 o 异常入口/出口汇总 下表所示为异常返回地址值以及退出异常处理程序所推荐使用的指令。 异常或入口异常或入口返回指令返回指令返回地址返回地址SWIMOV

16、S PC,R14_svcR14未定义的指令MOVS PC,R14_undR14预取中止SUBS PC,R14_abt,#4R144快速中断SUBS PC,R14_fiq,#4R144中断SUBS PC,R14_irq,#4R144数据中止SUBS PC,R14_abt,#8R148复位无1.2.5 ARM体系的异常o 异常向量表地址地址异常异常进入时的模式进入时的模式进入时进入时I的状态的状态进入时进入时F的状态的状态0 x00000000复位管理禁止禁止0 x00000004未定义指令未定义IF0 x00000008软件中断异常管理禁止F0 x0000000C中止（预取）中止IF0 x000

17、00010中止（数据）中止IF0 x00000014保留保留0 x00000018IRQ中断禁止F0 x0000001CFIQ快速中断禁止禁止注：表中的I和F表示不对该位有影响，保留原来的值。 1.2.5 ARM体系的异常o 异常优先级 当多个异常同时发生时，一个固定的优先级决定系统处理它们的顺序。 优先级优先级异常异常1复位2数据中止3FIQ4IRQ5预取指中止6未定义指令中止6软件中断异常优先级由高到低S3C2440处理器介绍三星ARM处理器介绍o S3C44B0：ARM7TDMI、66MHz、集成LCD控制器（支持STN，但不支持TFT）、无网络接口；适用产品：POS、PDA、E-BOO

18、K、GPS、智能电话、电子书包、机顶盒，手持游戏机等等。160LQFP，160FBGA。支持LINUX、PSOS、uC/OSII等。 o S3C2410：ARM920T、200MHz、支持TFT、USB HOST、USB DEVICE、 SD Card 以及MMC接口、 触摸屏接口， NAND FLASH直接引导。无网络接口。适用产品： POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能电话、电子书包、机顶盒，手持游戏机、电子相册、多媒体产品、视频监控、智能控制仪表等等。272BGA。支持WINCE、LINUX、VxWorks等。 三星ARM处理器介绍o S3C2440：ARM920T 、400533

19、MHz、支持TFT、USB HOST、DEVICE、 SD Card 以及MMC接口、 触摸屏接口、AC97 CODEC、8通道10bit ADC、照相机接口、289-FBGA，S3C2440 CPU支持包括微软Windows CE、Palm OS、Symbian和Linux等操作系统 S3C2440功能特点 S3C2440是三星公司开发的一款基于ARM920T内核和0.18um CMOS工艺的16/32位RISC微处理器，适用于低成本、低功耗、高性能的手持设备或其它电子产品。S3C2440中集成了以下一些通用的系统外设和接口：o1.8V内核电压，3.3V存储电压，3.3V I/O电压。o包括

20、16KB的I-Cache（指令高速缓存）、16KB的D-Cache（数据高速缓存）和MMU（存储管理单元）o外部的存储控制器（SDRAM控制器和片选逻辑）oLCD控制器（最高支持4K色的STN和16M色的TFT），包括一个LCD DMAo4个带外部请求管脚的DMAo3个UART、2个SPIS3C2440功能特点o1个IIC-BUS控制器、1个IIS-BUS控制器oSD主机接口，兼容Multi-Media Card Protocol V2.11o2端口USB主设备接口、1端口USB从设备接口（V1.1）o4个PWM时钟和1个内部时钟o看门狗时钟o117个GPIO、24个外部中断源o功率控制：No

21、rmal, Slow, Idle, Power-off四种模式o8路10-bit ADC和触摸屏接口o带ALARM功能的RTCo带PLL的片上时钟发生器oNAND Flash控制器,支持从NAND flash启动S3C2440X内核结构S3C2440X内核结构S3C2440的封装（289FBGA)S3C6410处理器介绍 ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构ARMv6的第一代设计实现。 该系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。o ARMv6架构是根据下一代的消费类电子、无线设备、网

22、络应用和汽车电子产品等需求而制定的。o ARM11的媒体处理能力和低功耗特点，特别适用于无线和消费类电子产品；o 其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用；另外，在实时性能和浮点处理等方面ARM11可以满足汽车电子应用的需求。S3C6410简介o S3C6410 是一款低功率、高性价比、高性能的用于移动电话和通用处理 RSIC 处理器。为 2.5G和 3G 通信服务提供了优化的硬件性能，采用 64/32bit 的内部总线架构，融合了AXI、AHB、APB总线。o 还有很多强大的硬件加速器，包括运动视频处理、音频处理、2D 加速、显示处理和缩放。一个集成的 MFC(Multi-Format video Codec)支持 MPEG4/H.263/H.264 编解码和 VC1 的解码，这个硬件编解码器支持实时的视频会议以及 NTSC 和 PAL 制式的 TV 输出。o 此外还内置一个采用最先进技术的 3D 加速器，支持 OpenGL ES1.1/ 2.0 和 D3DM API 能实现 4M triangles/s 的 3D 加速。S3C6410简介o S3C6410 包括优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。接口分为两路，DRAM 和 Flash/R