ARM嵌入式系统PPT课件

1、ARM嵌入式系统原理及应用 主讲：盛晨辉主讲：盛晨辉第1页/共68页教学计划教学计划第二讲第二讲 基于基于LPC2000系列系列ARM的工程设计的工程设计第三讲第三讲 ARM程序设计程序设计第一讲第一讲 嵌入式系统概述及嵌入式系统概述及ARM7体系结构体系结构第五讲第五讲 ARM外围硬件系统与接口技术外围硬件系统与接口技术第四讲第四讲 LPC2000系列系列ARM内部硬件结构内部硬件结构第六讲第六讲 LPC2000系列系列ARM硬件结构及实验硬件结构及实验(1)第七讲第七讲 LPC2000系列系列ARM硬件结构及实验硬件结构及实验(2)第八讲第八讲 LPC2000系列系列ARM硬件结构及实验硬

2、件结构及实验(3)第2页/共68页第一讲第一讲 嵌入式系统概述及嵌入式系统概述及ARM7体系结构体系结构ARM7体系结构体系结构LPC2000系列系列ARM概述概述ARM嵌入式系统概述嵌入式系统概述参考资料及文献：参考资料及文献：ARM嵌入式系统基础教程（第嵌入式系统基础教程（第2版）版）第一第一章、第二章、第四章章、第二章、第四章第3页/共68页嵌入式系统概述 概述 即使不可见，嵌入式系统也是无处不在。嵌入式即使不可见，嵌入式系统也是无处不在。嵌入式系统不仅存在于生活的方方面面，而且在很多领域和系统不仅存在于生活的方方面面，而且在很多领域和行业得到广泛应用，包括工业自动化、国防、运输以行业得

3、到广泛应用，包括工业自动化、国防、运输以及航空航天等。及航空航天等。 嵌入式系统具有无数的种类，每种种类都有自嵌入式系统具有无数的种类，每种种类都有自己独特的个性。己独特的个性。第4页/共68页计算机分为两大类 通用计算机：PC机、服务器、工作站 专用计算机：硬件软件可剪裁，通常是以嵌入式操作系统 + 用户应用程序，明显的可嵌入性，对体积、成本、价格、功耗非常敏感，功能具有很强的针对性，通常要求可靠性和实时性第5页/共68页嵌入式系统的定义 从技术角度定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件软件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 从系统角度定义

4、：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“嵌入式”反映了它通常是更大系统中的完整系统。嵌入的系统中可以有多个嵌入式系统。第6页/共68页嵌入式微处理器的分类 嵌入式微处理器MPU 嵌入式微控制器MCU 嵌入式数字信号处理器DSP第7页/共68页ARM技术的发展 ARM (Advanced RISC Machines) 是一家坐落在英国剑桥的电子公司，1990年11月由苹果电脑、Acorn和VLSI Technology共同组建。 ARM公司既不设计芯片，也不生产芯片，他们以高效的IP (Intellectual Property) 内核为产品。第8页/

5、共68页ARM技术的发展 目前，几十家大的半导体公司都是使用ARM公司的授权，在ARM内核及其技术的基础上添加自己的设计并推出各种芯片产品，即ARM微处理器或ARM微控制器。 ARM芯片已遍及工业控制、消费电子、通信系统、网络系统、无线电系统以及生活的各个方面。已经改变了人们生活、工作和娱乐方式。 世界上大多数嵌入式系统32位微控制器芯片都是基于ARM内核的。 ARM已经成为嵌入式微处理器的代名词，ARM公司成为全球性RISC标准的缔造者。第9页/共68页第一讲第一讲 主要内容主要内容ARM7体系结构体系结构LPC2000系列系列ARM概述概述ARM嵌入式系统概述嵌入式系统概述第10页/共68

6、页ARM体系结构 ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使得ARM内核非常小，功耗也很低。RISC体系结构应具有如下特点：采用固定长度的指令格式，便于译码；采用固定长度的指令格式，便于译码；使用单周期指令，便于流水线操作；使用单周期指令，便于流水线操作；使用大量寄存器，数据处理指令只对寄存器操作，不直接操使用大量寄存器，数据处理指令只对寄存器操作，不直接操作存储器；作存储器；简单的寻址模式；简单的寻址模式；在一条数据处理指令中，同时完成逻辑处理和位移处理在一条数据处理指令中，同时完成逻辑处理和位移处理两个功能，实现两个功能，实现ALU和移位寄存器的最大利用；和移位寄存器的最大利用；所有的指令

7、都可以根据前面的执行结构决定是否被执行，提高指所有的指令都可以根据前面的执行结构决定是否被执行，提高指令的执行效率；令的执行效率；在循环处理中使用地址的自动增减，提高运行效率。在循环处理中使用地址的自动增减，提高运行效率。第11页/共68页各ARM体系结构版本 为清楚表达各ARM体系结构使用的指令集，ARM公司定义了5种主要的ARM指令集体系版本，即V1V5 。 各版本号有着巨大的改进和完善，并仍在改进中。第12页/共68页ARM处理器核简介 ARM公司开发的很多系列的处理器内核，基于各种内核的处理器都有各自的特点和应用领域。目前使用比较广泛的系列是： ARM7 ARM9 ARM9E ARM1

8、0 SecurCore Intel的Xscale第13页/共68页ARM处理器核简介ARM7 ARM7系列微处理器包括四种类型内核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ-S。ARM7TDMI(-S)是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器。 T：支持16位压缩指令集Thumb D：支持片上Debug M：内嵌硬件乘法器Multiplier I：嵌入式ICE，支持片上断点调试 S：可综合版本第14页/共68页ARM7TDMI(-S) ARM7TDMI(-S) 基于ARM 体系结构V4 版本，是目前低端的ARM 内核，具有优异的性能，功耗很低，使用的门的数量少，

9、因而应用广泛。 ARM7TDMI(-S) 支持32 位寻址范围，弥补了ARM6 不能在低于5V 电压下工作的不足。第15页/共68页ARM7TDMI(-S)内核框图第16页/共68页ARM7TDMI(-S) ARM7TDMI(-S) 使用流水线来提高指令流的速度。ARM7TDMI(-S)的流水线分为三级：取址 译码 执行。ARMThumbPCPC取指PC-4PC-2译码PC-8PC-4执行周期1周期2周期3周期4周期5周期6取指 译码 执行取指 译码 执行取指 译码 执行取指 译码 执行第17页/共68页ARM处理器状态 为了更好地控制代码量，设计了2套指令系统，分别为ARM指令集和Thumb

10、指令集，ARM指令集为32位，Thumb指令集为16位。 ARM指令集具完整功能，Thumb功能上可看做ARM指令集的子集，具有很高的代码密度 ARM状态(默认)：执行字方式的ARM指令。 Thumb状态：执行半字方式的Thumb指令。第18页/共68页ARM处理器状态 ARM指令集和Thumb指令集不能同时有效 ARM状态下要使用Thumb指令必须进行状态切换，反之亦然。当前程序状态寄存器CPSR中的控制位T反映处理器的当前状态 T=0表示ARM状态； T=1表示Thumb状态。l 处理器状态的切换并不影响处理器的模式和寄存器的内容第19页/共68页ARM处理器状态 BX指令控制程序跳转的同

11、时进行状态切换。 使用BX指令进行状态切换后，流水线中的取指和译码指令会被清除，避免出现处理器错误。 BX指令这种清空流水线的功能使得处理器状态间的切换是安全的。使用MSR(写状态寄存器)直接修改CPSR的T位的做法是不安全的。第20页/共68页ARM处理器模式 ARM处理器共支持7种处理器模式，并以当前程序状态寄存器CPSR中的控制位M4:0反映处理器正在操作的模式。处理器模式说明用户(usr)正常工作模式，不能直接切换到其他模式特权模式系统(sys)与用户模式相似，但能直接切换到其他模式异常模式管理(svc)只有在系统复位和软件中断响应时才进入此模式中止(abt)在ARM7内核中无效未定义

12、(und)只有在未定义指令异常响应时才进入此模式中断(irq)只有在IRQ异常响应时才进入此模式快速中断(fiq)只有在FIQ异常响应时才进入此模式第21页/共68页ARM处理器模式 只有特权模式下才能对当前程序状态寄存器CPSR的所有控制位直接进行读/写访问，而在非特权模式下只允许对CPSR的控制位进行间接访问。 进入异常模式时，处理器总是切换到ARM状态，而非Thumb状态。 处理器复位后进入管理模式，操作系统内核通常处于管理模式。 用户模式是正常运行的工作模式，系统模式具有与用户模式完全相同的寄存器，但系统模式是特权模式，可以访问所有的系统资源，主要提供给操作系统的任务使用。第22页/共

13、68页ARM处理器内部寄存器 ARM7DMI内部有37个用户可访问的32位寄存器，其中6个32位宽的状态寄存器目前只使用了其中的12位。 31个通用寄存器 6个状态寄存器 在不同的工作模式下，程序员可以访问的寄存器不完全相同。第23页/共68页ARM处理器内部寄存器第24页/共68页当前程序状态寄存器CPSR ARM内核通过CPSR来监视和控制内部操作，每种异常模式都有一个对应的程序状态保存寄存器SPSR，用于保存任务在异常发生之前的CPSR的内容。CPSR包括：4个条件代码标识(负标识N、零标识Z、进位标识C和溢出标识V)2个中断禁止位(IRQ禁止与FIQ禁止)5个当前处理器模式编码位(M4

14、:0)1个用于指示当前执行指令状态的位(ARM或Thumb)第25页/共68页当前程序状态寄存器CPSRN Z C V IF T M4 M3 M2 M1 M0控制位控制位保留位保留位标识位标识位N、Z、C、V是条件代码标识位，可以通过算术和逻辑操作来设置这些位，ARM处理器对这些位进行测试以决定是否执行一条指令，实现条件执行。 N 负标识，运算结果的最高位，记录标识设置操作的结果 Z 零标识，如果标识设置操作的结果为0，置位 C 进位标识，记录无符号加法溢出，减法借位 V 溢出标识，记录标识设置操作的有符号溢出第26页/共68页当前程序状态寄存器CPSR CPSR的低八位为控制位，分别是： 中

15、断禁止I和F 处理器状态位T 处理器模式位M4M0 发生异常时，控制位改变。当处理器在一个特权模式下操作时，可用软件操作这些位。第27页/共68页异常向量表地址异常进入时的模式IF0 x00000000复位管理禁止 禁止0 x00000004未定义指令 未定义IF0 x00000008软件中断管理禁止 F0 x0000000C中止(预取)中止IF0 x00000010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 禁止第28页/共68页异常优先级优先级异常最高最低1复位2数据中止3FIQ4IRQ5预取指中止6未

16、定义指令6软件中断SWI第29页/共68页进入异常 保存返回地址到LR 保存CPSR的当前值到相应异常模式下的SPSR 设置CPSR为相应的异常模式，禁止相应中断控制位，防止不受控制的中断嵌套 设置PC为相应异常处理程序的中断入口向量地址第30页/共68页退出异常 用LR中的值减去偏移量再恢复PC 用SPSR恢复CPSR 在入口处置位的中断禁止控制位清零第31页/共68页复位异常 nRESET信号被拉低时，ARM处理器放弃正在执行的指令； nRESET信号恢复高电平时，ARM处理器执行以下操作： 强制进入管理模式 禁止IRQ和FIQ 进入ARM状态 强制PC从0 x0000 0000开始执行

17、复位后，除PC和CPSR之外的所有寄存器的值都是随机的。第32页/共68页中断请求异常IRQ IRQ中断异常发生时，内核自动做如下处理： 将返回地址保存到R14_irq中 将CPSR保存到SPSR_irq中 禁止新的IRQ中断，进入ARM状态，进入IRQ异常模式 强制PC执行0 x0000 0018地址的指令 如果需要嵌套IRQ中断，那么必须在中断服务程序中重新使能IRQ中断。第33页/共68页FIQ快速中断异常 CPSR的F位被清零时，可以发生FIQ异常。FIQ是优先级最高的中断，进入该中断后会同时禁止任何外部中断源再次发生中断，除非在软件中重新使能FIQ和IRQ。 FIQ有8个专用寄存器，

18、使得进入FIQ时不用压栈，以提高响应速度。 FIQ入口地址在向量表顶部，可以不需要跳转，直接放置中断服务程序。第34页/共68页未定义指令异常 当ARM处理器遇到一条自己和系统内任何协处理器都无法执行的指令时，发生未定义指令异常。 软件可以使用这一机制通过仿真未定义的协处理器指令来扩展ARM指令集。第35页/共68页中止异常 中止表示当前对存储器的访问不能被完成。 中止有两种类型：预取指中止和数据中止。第36页/共68页SWI软件中断异常 由于系统正常工作是在用户模式下进行的，如果需要切换到特权模式就必须使用软件中断切换到管理模式。 该异常由执行指令SWI产生，用于用户模式下的程序调用特权操作

19、指令。第37页/共68页ARM体系的存储系统 ARM处理器采用冯诺依曼结构，指令和数据共用一条32位数据总线。ARM存储器可以看做一个从0开始的线性递增字节集合： 字节03保存第1个存储的字 字节47保存第2个存储的字 字节811保存第3个存储的字 ARM处理器可以将存储器中的字以下列格式存储：大端(Big-endian)小端(Little-endian)。第38页/共68页存储器格式 位于地址A的字包含的字节位于地址A、A+1、A+2、A+3 位于地址A的半字包含的字节位于地址A、A+1 位于地址A+2的半字包含的字节位于地址A+2、A+3 位于地址A的字包含的半字位于地址A、A+2第39页

20、/共68页LPC2000系列ARM指定为小端Little31-2423-1615-87-0字地址高地址低地址11109887654432100Big31-24 23-16 15-8 7-0字地址高地址低地址89101184567401230第40页/共68页第一讲第一讲 主要内容主要内容ARM7体系结构体系结构LPC2000系列系列ARM概述概述ARM嵌入式系统概述嵌入式系统概述第41页/共68页LPC2000系列ARM概述 LPC2000系列ARM是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S的微控制器，芯片内集成丰富的外设，功耗却很低。 具有64/144引脚封装。 片内SRAM及

21、FLASH使单片运行成为可能。 外扩大容量存储器。 片内PLL可实现60MHz操作频率。 片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)。第42页/共68页LPC2000系列ARM概述 4/8路10位A/D转换器，转换时间低至 2个32位定时器、PWM单元、实时时钟和看门狗。 多个串行接口：UART、I2C和SPI。 向量中断控制器。 2个低功耗模式：空闲和掉电。 可个别使能/禁止外部功能来优化功耗。 双电压：内核、I/O操作。第43页/共68页LPC2000系列ARM概述第44页/共68页第45页/共68页不同芯片内部存储器容量第46页/共68页对片内Flash编程的3种

22、方法 使用JTAG仿真器，通过芯片的JTAG接口下载程序。 使用在系统编程技术(ISP)，通过UART0接口下载程序。 使用在应用编程技术(IAP)，可以实现用户程序运行时对FLASH进行擦除或编程。第47页/共68页对片内外存储器的操作 对于SRAM，不管是片内片外，都可直接进行读写操作。 对于片内FLASH，可以直接读取数据，可使用ISP或IAP进行擦除和编程。 对于片外FLASH，可以直接读取数据，但是写操作时必须进行时序控制。第48页/共68页存储器映射 LPC2000绝大部分存储器单元的地址是在芯片设计生产时就确定的，用户无法修改。 ARM芯片对AHB外设、VPB外设、片内及片外存储

23、器进行统一编址。第49页/共68页AHB和VPB AHB和VPB外设区域都为2MB，每个外设空间都为16KB，各自分配最多128个外设。 AHB外设挂接在芯片内部AHB总线上，具有较高的速度。 VPB外设挂接在芯片内部VPB总线上，速度相对较低。第50页/共68页预取指中止和数据中止异常 如果试图访问一个保留地址或未分配区域的地址，LPC2000系列ARM将产生预取指中止或数据中止异常。第51页/共68页存储器映射模式模式激活说明Boot Block模式由任何复位硬件激活Boot Block异常向量映射到存储器底部用户片内FLASH模式由Boot代码软件激活不需要重映射用户片内RAM模式由用户

24、程序激活由用户程序激活，异常向量表从静态RAM底部重映射用户外部存储器模式复位时BOOT【1：0】不为11时激活中断向量从外部存储器的底部重映射第52页/共68页MEMMAP寄存器描述位位名称描述复位值1：0 MAP1:000:BOOT装载程序模式01:用户FLASH模式10:用户RAM模式11:用户外部存储器模式07：2保留NA第53页/共68页存储器重映射 定义：为存储器分配地址的过程称为映射，为了增加系统的灵活性，系统中部分存储单元可以同时出现在不同的地址上，即存储器的重映射。重映射通过存储器管理部件实现。 注意：存储器重映射并不是对重映射单元的内容进行了复制，只是将多个地址指向了同一存

25、储单元。 举例：LPC2000系列处理器中Boot Block和异常向量表进行了重映射。第54页/共68页Boot Block Boot Block是芯片设计厂商在LPC2000系列ARM内部固化的一段代码，用户无法对其修改或删除。 Boot Block在芯片复位后被首先运行。 LPC2200系列芯片的Boot Block为8KB，有的芯片中 Boot Block占用了用户FLASH空间。 Boot Block存在于FLASH的顶部。 没有片内FLASH的芯片也存在Boot Block。第55页/共68页Boot Block的重映射 Boot Block有些程序是可以被用户调用的，为了增加用户

26、代码的可移植性，所以最好能把Boot Block代码固定在某个地址上。由于各芯片片内FLASH大小不同，所以将Boot Block重映射到接近2GB的地方，这样无论片内FLASH地址如何变化， Boot Block地址是不变的。第56页/共68页异常向量表地址异常0 x0000 0000复位0 x0000 0004未定义指令0 x0000 0008软件中断0 x0000 000C预取指中止0 x0000 0010数据中止0 x0000 0014保留0 x0000 0018IRQ0 x0000 001CFIQ第57页/共68页异常向量表及其重映射 ARM内核发生异常后，会使程序跳转到位于0 x000000000 x0000001C的异常向量表处，再经过向量表跳转到异常服务程序。 Boot Block 、FLASH、SRAM、外部存储器中的中断向量重映射到0 x000000000 x0000001C地址上。第58页/共68页Boot Block的功能 不同芯片的Boot Block不尽相同，以LPC2200系列ARM为例： 判断运行哪个存储器上的程序。 用户代码是否有效，无效时进入ISP状态。 判断芯片是否加密。 IAP ISP第59页/共68页MAM存储器加速模块 当系统时钟工作在60MHz时，一条指令的执行时间只需十几