ARM系统最基础

1、大家好！大家好！ 我是外聘老师于忠得，来自大连工业大我是外聘老师于忠得，来自大连工业大学，很高兴和大家一起学习学，很高兴和大家一起学习“嵌入式系统开嵌入式系统开发发”课程。课件放在公共邮箱中，欢迎大家课程。课件放在公共邮箱中，欢迎大家通过邮箱将授课的意见、建议发告诉我。通过邮箱将授课的意见、建议发告诉我。课件邮箱地址：课件邮箱地址： dutci_ dutci_ 邮箱密码：邮箱密码： dutci_yzd12dutci_yzd121. 1. 先修课程先修课程: :（1 1）支持硬件的课程：）支持硬件的课程： 1)1)单片机原理与应用单片机原理与应用 2) 2) 微机原理与应用微机原理与应用 3)

2、3) 接口技术接口技术（2 2）支持软件的课程）支持软件的课程 1) C1) C语言语言 2) 2) 数据结构与算法数据结构与算法 3) 3) 编译原理编译原理 4)4)操作系统原理操作系统原理关于本课关于本课嵌入式系统开发嵌入式系统开发2. 2. 教材与参考书教材与参考书教材：教材： 黄智伟等编黄智伟等编.ARM9.ARM9嵌入式系统设计基础教程嵌入式系统设计基础教程. .北京航空航天大学北京航空航天大学出版社出版社参考书：参考书：11于忠得等，嵌入式系统基础教程于忠得等，嵌入式系统基础教程. .北京北京: :国防工业出版社国防工业出版社. . 200920092 Samsung 2 Sam

3、sung 公公司司S3C2410A_datasheet.pdf.http:/S3C2410A_datasheet.pdf.http:/ 讲授与要求内容：以课件为主。讲授与要求内容：以课件为主。3. 3. 讲授内容讲授内容第第1 1章章 嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识 第第2 2章章 ARMARM微处理器的硬件架构微处理器的硬件架构第第3 3章章 ARMARM微处理器的指令系统微处理器的指令系统第第4 4章章 ARMARM微处理器的微处理器的I/OI/O接口接口第第5 5章章 ARMARM微处理器的串行接口微处理器的串行接口第第6 6章章 ARMARM微处理器的微处理器的PWMPWM定时器

4、定时器第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1 11 1 嵌入式系统的定义和组成嵌入式系统的定义和组成 1.1.1 1.1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义嵌入系统：嵌入系统： 以应用为核心、以计算机技术为基础、软件可裁减、硬件按需以应用为核心、以计算机技术为基础、软件可裁减、硬件按需设计，以及适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗、体积、实设计，以及适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗、体积、实时性要求的专用计算机系统。时性要求的专用计算机系统。IEEEIEEE（国际电子和电气工程师协会）的定义：（国际电子和电气工程师协会）的定义： device used to control ,

5、 monitor,or assist the device used to control , monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plantoperation of equipment,machinery or plant 用于控制、监视或者辅助操作机器设备的装置。用于控制、监视或者辅助操作机器设备的装置。 所谓嵌入式系统（所谓嵌入式系统（Embedded SystemEmbedded System），实际上是），实际上是“嵌入式计嵌入式计算机系统算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。在有些系的简称，

6、它是相对于通用计算机系统而言的。在有些系统里也有计算机，但是计算机是作为某个专用系统中的一个部件而统里也有计算机，但是计算机是作为某个专用系统中的一个部件而存在的。像这样存在的。像这样“嵌入嵌入”到更大、专用的系统中的计算机系统，称到更大、专用的系统中的计算机系统，称之为之为“嵌入式计算机嵌入式计算机”、“嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统”或或“嵌入式系统嵌入式系统”。1.1.2 1.1.2 应用举例应用举例 在日常生活中，早已存在许多嵌入式系统的应用，如天天必用在日常生活中，早已存在许多嵌入式系统的应用，如天天必用的移动电话、电饭锅、烹调用的微波炉、办公室里的打印机、汽车的移动电话、电饭锅、

7、烹调用的微波炉、办公室里的打印机、汽车里的供油喷射控制系统、防锁死刹车系统（里的供油喷射控制系统、防锁死刹车系统（ABSABS），以及现在流行），以及现在流行的个人数字助理（的个人数字助理（PDAPDA）、数码相机、数码摄像机等等，它们内部）、数码相机、数码摄像机等等，它们内部都有一个中央处理器都有一个中央处理器CPUCPU。 美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：“福特出售的福特出售的计计算能力算能力已超过了已超过了IBMIBM。”由此可以想像嵌入式计算机工业的规模由此可以想像嵌入式计算机工业的规模和广度。美国著名未来学家尼葛洛庞帝在和广度。美国著名未来

8、学家尼葛洛庞帝在19991999年年1 1月访华时曾预言月访华时曾预言“四五年以后，嵌入式智能电脑将是继四五年以后，嵌入式智能电脑将是继PCPC和因特网之后最伟大的发和因特网之后最伟大的发明明”。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统组成嵌入式系统组成 嵌入式系统是一种专用计算机系统，同样由硬件与软件两部分嵌入式系统是一种专用计算机系统，同样由硬件与软件两部分组成。组成。 硬件部分由嵌入式处理器、外围设备、以及不同应用场合下的硬件部分由嵌入式处理器、外围设备、以及不同应用场合下的信号接口电路构成。信号接口电路构成。 软件部分由嵌入式操作系统、底层驱动程序和应用软件构成软件部分由嵌入式操作系统、底层

9、驱动程序和应用软件构成。如图如图1-11-1、1-21-2所示。所示。1. 1. 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式微处理器与嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式微处理器与通用微处理器的最大不同点在于：通用微处理器的最大不同点在于：1 1）低功耗、小体积、低成本、高可靠性。）低功耗、小体积、低成本、高可靠性。2 2）多功能。）多功能。3 3）专用性。）专用性。 大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有10001000多种嵌入式处理器芯片，其中使用最为广泛的有多种嵌入式处理器芯片，

10、其中使用最为广泛的有ARMARM、MIPSMIPS、PowerPCPowerPC、MC68000MC68000等。等。2 2外围设备外围设备( (包括内嵌和片外）包括内嵌和片外） 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下几类：围设备的功能可分为以下几类： 存储器：从功能上分存储器：从功能上分数据存储器数据存储器和和程序存储器。程序存储器。数据存储器：（数据存储器：（RAMRAMSRAMSRAM）

11、、动态存储器（）、动态存储器（DRAMDRAM、SDRAMSDRAM）；）；程序存储器：程序存储器：EPROMEPROM、NOR FlashNOR Flash。 通信接口：应用最为广泛的包括并行接口、通信接口：应用最为广泛的包括并行接口、RS-232RS-232串口、串口、IrDAIrDA红外接口、红外接口、SPISPI串行外围设备接口、串行外围设备接口、USBUSB通用串行总线接口、通用串行总线接口、Ethernet Ethernet 网口等。网口等。 人机交互：人机交互：LCDLCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。、键盘和触摸屏等人机交互设备。 重要功能部件：定时器重要功能部件：定时器/ /

12、计数器、中断控制、计数器、中断控制、A/DA/D转换、转换、 D/AD/A转转 换等。换等。 3. 3. 信号接口电路信号接口电路 在工业控制场合，当嵌入式系统需要检测各种工业过程参数时，在工业控制场合，当嵌入式系统需要检测各种工业过程参数时，需要接收各种传感器、变送器发出的信号，这些信号通常需要经过需要接收各种传感器、变送器发出的信号，这些信号通常需要经过各种接口电路进行滤波、放大、整形、隔离等处理后才能传送到嵌各种接口电路进行滤波、放大、整形、隔离等处理后才能传送到嵌入式系统的微处理器中。入式系统的微处理器中。 同样，当嵌入式系统对某些伺服机构进行控制时，也需要将微同样，当嵌入式系统对某些

13、伺服机构进行控制时，也需要将微处理器发出的数字信号通过信号接口电路进行信号形式转变或功率处理器发出的数字信号通过信号接口电路进行信号形式转变或功率放大。放大。 随着随着ICIC制造技术的提高，有能力将某些外围电路与微制造技术的提高，有能力将某些外围电路与微处理器封装在一个芯片中，称片内外围电路。充分利用片处理器封装在一个芯片中，称片内外围电路。充分利用片内外围电路。或者选择片内封装较多外围电路的的微处理内外围电路。或者选择片内封装较多外围电路的的微处理器产品，可以降低嵌入式系统的硬件成本、降低硬件系统器产品，可以降低嵌入式系统的硬件成本、降低硬件系统的规模和复杂程度。没有封装在片内的外围电路，

14、是根据的规模和复杂程度。没有封装在片内的外围电路，是根据应用需要选择配置的。应用需要选择配置的。4 4嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入操作系统的目的在于减少软件开发的工作量。嵌入操作系统的目的在于减少软件开发的工作量。 1) 1) 用于对用于对CPUCPU、存储器等硬件设备资源管理；、存储器等硬件设备资源管理； 2 2）任务调度管理；）任务调度管理； 3 3）文件系统管理；）文件系统管理； 4 4）网络接口；）网络接口； 5 5）进程间的通讯；）进程间的通讯； 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备一种稳定、安全的

15、软件模块集合，用以管理存储器分配、需要具备一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式系统功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。操作系统。 操作系统能够减少软件开

16、发工作量，但同时占用存储器资源和操作系统能够减少软件开发工作量，但同时占用存储器资源和CPUCPU资源资源 嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是是“实时操作系统实时操作系统”。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的，从。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的，从而或多或少都有些实时要求，所以从前而或多或少都有些实时要求，所以从前“嵌入式操作系统嵌入式操作系统”实际上实际上是是“实时操作系统实时操作系统”的代名词。近年来，由于手持式计算机和掌上的代名词。近年来，由于手持式计算机和掌上电脑等设备的出现，也有了许多不带实时要求的嵌入式

17、系统。另一电脑等设备的出现，也有了许多不带实时要求的嵌入式系统。另一方面，由于方面，由于CPUCPU速度的提高，一些原先认为是速度的提高，一些原先认为是“实时实时”的反应速度的反应速度现在已经很普遍了。这样，一些原先需要在现在已经很普遍了。这样，一些原先需要在“实时实时”操作系统上才操作系统上才能实现的应用，现在已不难在常规的操作系统上实现。在这样的背能实现的应用，现在已不难在常规的操作系统上实现。在这样的背景下，景下，“嵌入式操作系统嵌入式操作系统”和和“实时操作系统实时操作系统”就成了不同的概念就成了不同的概念和名词。和名词。 嵌入式系统常常是实时操作系统嵌入式系统常常是实时操作系统(RT

18、OS)(RTOS) 保证任务执行时间要求的操作系统保证任务执行时间要求的操作系统5 5应用软件应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入式操作系统任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专门的操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专门的操作系统。 由于嵌入式应用对成本十分敏感，因此，为减少系统成本，除由

19、于嵌入式应用对成本十分敏感，因此，为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的资源消了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化。耗，尽可能地优化。 应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式系统软件和应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。嵌入式软件的特点如下应用软件的要求也与通用计算机有所不同。嵌入式软件的特点如下： 软件要求固态化存储软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器中。入式系统中的软件一般都固

20、化在存储器中。 软件代码要求高质量、高可靠性软件代码要求高质量、高可靠性。半导体技术的发展使处理。半导体技术的发展使处理器速度不断提高，也使存储器容量不断增加；但在大多数应用中，器速度不断提高，也使存储器容量不断增加；但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此，程序编写和存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此，程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码的长度，提高执行速编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。度。 系统软件的高实时性是基本要求系统软件的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的

21、任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是低效和无法完成的。及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是低效和无法完成的。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此，系统软件这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此，系统软件的高实时性是基本要求。的高实时性是基本要求。6. 6. 驱动程序驱动程序 有两个作用：有两个作用：（1 1）控制硬件，按要求完成硬件动作）控制硬件，按要求完成硬件动作； 如：启动如：启动A/DA/D转换，读出转换结果；在转换，读出转换结果；在LCDLCD显示屏上显显示屏

22、上显示指定的图形或字符；开启关闭某个设备等。示指定的图形或字符；开启关闭某个设备等。（2 2）屏蔽硬件特性，使上层程序编制人员不必了解硬件）屏蔽硬件特性，使上层程序编制人员不必了解硬件原理和控制方法，借助驱动程序就可以对硬件进行控制。原理和控制方法，借助驱动程序就可以对硬件进行控制。1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，面对专业领域的应用系由于嵌入式系统是应用于特定环境下，面对专业领域的应用系统，所以与通用计算机系统的多样化和适用性不同。它与通用计算统，所以与通用计算机系统的多样化和适用性不同。它与通用计算机系统相比具有以下特点：机系统相比

23、具有以下特点： 实时性要求：实时性要求：嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都有嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都有实时要求。实时要求。 具有较长的生命周期：具有较长的生命周期：嵌入式系统与具体应用有机地结合在嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也与具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产一起，它的升级换代也与具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。 高效率：高效率：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在

24、同在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。这样，才能最大限度地降低应用样的硅片面积上实现更高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本。在具体应用中，对处理器的选择决定了其市场竞争力成本。在具体应用中，对处理器的选择决定了其市场竞争力。 微功耗：微功耗：嵌入式系统常常还有减小功耗的要求。这一方面嵌入式系统常常还有减小功耗的要求。这一方面是为了省电，因为嵌入式系统往往以电池供电；另一方面是要减少是为了省电，因为嵌入式系统往往以电池供电；另一方面是要减少发热量，因为嵌入式系统中通常没有风扇等排热手段。发热量，因为嵌入式系统中通常没有风扇等排热手段。 高

25、可靠性：高可靠性：可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义，所以即使逻辑上的系统结构相同，在物理组成上也会有所的意义，所以即使逻辑上的系统结构相同，在物理组成上也会有所不同。同时，对使用的元器件（包括接插件、电源等等）的质量和不同。同时，对使用的元器件（包括接插件、电源等等）的质量和可靠性要求都比较高，所以元器件的平均无故障时间可靠性要求都比较高，所以元器件的平均无故障时间 MTBFMTBF（Mean Mean Time Between FailureTime Between Failure）成为关键性的参数。此外，环境温度也是）成为关键性的参数。

26、此外，环境温度也是需要重点考虑的问题。需要重点考虑的问题。 功能确定：功能确定：嵌入式系统提供的功能以及面对的应用和过程都嵌入式系统提供的功能以及面对的应用和过程都是预知的是预知的、相对固定的，而不像通用计算机那样有很大的随意性。、相对固定的，而不像通用计算机那样有很大的随意性。既然是专用系统，在可编程方面就不需要那么灵活。一般也不会用既然是专用系统，在可编程方面就不需要那么灵活。一般也不会用嵌入式系统作为开发应用软件的环境，在嵌入式系统上通常也不会嵌入式系统作为开发应用软件的环境，在嵌入式系统上通常也不会运行一些大型的软件。一般而言，嵌入式系统对运行一些大型的软件。一般而言，嵌入式系统对CP

27、UCPU计算能力的要计算能力的要求并不像通用计算机那么高。求并不像通用计算机那么高。 实时操作系统支持：实时操作系统支持：许多嵌入式系统都有实时要求，需要有许多嵌入式系统都有实时要求，需要有对外部事件迅速作出反应的能力。特别是在操作系统中有所反映，对外部事件迅速作出反应的能力。特别是在操作系统中有所反映，从而使嵌入式软件的开发与常规软件的开发出现显著的区别。典型从而使嵌入式软件的开发与常规软件的开发出现显著的区别。典型的嵌入式实时操作系统与常规的操作系统也有着显著的区别，并因的嵌入式实时操作系统与常规的操作系统也有着显著的区别，并因而成为操作系统的一个重要分支和一个独特的研究方向。而成为操作系

28、统的一个重要分支和一个独特的研究方向。 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结合在一起并具有微处理器的系统都可以叫做嵌入式系凡是与产品结合在一起并具有微处理器的系统都可以叫做嵌入式系统，统，而且有时很难以给它一个准确的定义。现在人们谈及嵌入式系而且有时很难以给它一个准确的定义。现在人们谈及嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门、统时，某种程度上指近些年比较热门、具有操作系统的嵌入式系统具有操作系统的嵌入式系统。1.2 1.2 嵌入式微处理器的体系机构嵌入式微处理器的体系机构1 1冯冯诺依曼（诺依曼（Von Ne

29、umannVon Neumann）结构）结构 程序和数据共用一个存储空间。程序和数据共用一个存储空间。 例如例如IntelIntel公司的公司的80868086系列处理器，有系列处理器，有2020根地址总线根地址总线，寻址空间，寻址空间1M1M。程序与数据共用。程序与数据共用。 从处理器的存储器组织结构划分，有从处理器的存储器组织结构划分，有冯冯诺依曼结构诺依曼结构与与哈佛结构哈佛结构 本节介绍若干与微处理器体系结构有关的概念本节介绍若干与微处理器体系结构有关的概念2 2哈佛（哈佛（HarvardHarvard）结构）结构 程序和数据存储在并列的存储空间中。程序和数据存储在并列的存储空间中。

30、如如IntelIntel公司的公司的MCS-51MCS-51系列单片机，程序与数据各有系列单片机，程序与数据各有64KB64KB存储空间，地址与数据总线共用，通过不同控制总线存储空间，地址与数据总线共用，通过不同控制总线实现对程序与数据的区别访问。实现对程序与数据的区别访问。 从处理器所拥有的指令集的特点划分，有从处理器所拥有的指令集的特点划分，有CISCCISC结构结构和和RISCRISC结构结构。3. CISC3. CISC结构：结构： 传统的传统的CISCCISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Comput

31、er，复杂指令集计算机）结构有其固有的缺点，即随着计算机复杂指令集计算机）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在CISCCISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有有2020的指令会被反复使用，占整个程序代码的的指令会被反复使用，占整个程序代码的8080。而。而余下的余下的8080的指令却不经常使用，在程序设计中只占的指令却不经常使用，在程序设计中只

32、占2020，显然，这种结构是不太合理的。显然，这种结构是不太合理的。 4. RISC4. RISC结构结构 基于以上的不合理性，基于以上的不合理性，19791979年美国加州大学伯克利分年美国加州大学伯克利分校提出了校提出了RISCRISC（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）的概念，精简指令集计算机）的概念，RISCRISC并非只是简单地去减少并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上

33、。合理地提高运算速度上。RISCRISC结构优先选取使用频率最高结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。控制等措施来达到上述目的。 RISCRISC体系结构应具有如下特点：体系结构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有址方式有2 23 3种。种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。使用单周期指令，便于流水线

34、操作执行。 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载只有加载/ / 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。效率。其他技术特征：其他技术特征： 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。从而提高指令的执行效率。 可用加载可用加载/ /存储指令批量传输数据，以提高数据的传输存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移

35、位处理。理。 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 ARM9 ARM9微处理器存储器体系属于哈佛结构、指令集属于微处理器存储器体系属于哈佛结构、指令集属于RISCRISC体系结构。体系结构。5. 5. 流水线技术流水线技术（1 1）流水线的基本概念）流水线的基本概念 有同于屠宰流水线、汽车生产流水线，将一个完整有同于屠宰流水线、汽车生产流水线，将一个完整的生产过程分解为的生产过程分解为N N个子过程，个子过程，N N个子过程由个子过程由N N个生产者（个生产者（或或N N个加工设备）同步进行，达到降低生产时间，提高效个加工设备）同步进行，

36、达到降低生产时间，提高效率的目的，整个过程的时间降低为率的目的，整个过程的时间降低为1/N1/N。 比如将执行一条指令分解为为比如将执行一条指令分解为为取指、译码、取操作数取指、译码、取操作数和执行和执行4 4个子过程。在个子过程。在CPUCPU中把一条指令的串行执行子过程中把一条指令的串行执行子过程变为若干条指令的子过程在变为若干条指令的子过程在CPUCPU中重叠执行，则利用此条中重叠执行，则利用此条流水线可将一条指令的执行时间流水线可将一条指令的执行时间T T由原来的由原来的T T缩短为缩短为T T/ /4 4。指令流水线处理的时空图如图指令流水线处理的时空图如图1-31-3所示，其中的所

37、示，其中的1 1、2 2、3 3、4 4、5 5表示要处理的表示要处理的5 5条指令。条指令。（2 2）计算机指令执行中的流水线技术）计算机指令执行中的流水线技术图图1-3 1-3 指令流水线处理的时空图指令流水线处理的时空图1.3 1.3 嵌入式微处理器的结构和类型嵌入式微处理器的结构和类型1.3.1 1.3.1 嵌入式微处理器的结构嵌入式微处理器的结构 一般为一般为RISCRISC体系结构。体系结构。 1.3.2 ARM1.3.2 ARM微处理器的结构特点微处理器的结构特点 1 1什么使什么使ARMARM？ARMAdvanced RISC Machines ARMAdvanced RISC

38、 Machines ARMARM有有2 2个层面的含义：个层面的含义：（1 1）是一个公司的名字）是一个公司的名字 19911991年年ARMARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用技术的授权。目前，采用ARMARM技术知识产权（技术知识产权（IPIP）核的微）核的微处理器，即我们通常所说的处理器，即我们通常所说的ARMARM微处理器，已遍及工业控微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于各类产品市场，基于ARMARM技术的微处理器应用约

39、占据了技术的微处理器应用约占据了3232位位RISCRISC微处理器微处理器7575以上的市场份额，以上的市场份额，ARMARM技术正在逐步技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。渗入到我们生活的各个方面。 ARM ARM公司是专门从事基于公司是专门从事基于RISCRISC技术芯片设计开发的公技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从半导体生产商从ARMARM公司购买其设计的公司购买其设计的ARMARM微处

40、理器核，根微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的自己的ARMARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用家大的半导体公司都使用ARMARM公司的授权，因此既使得公司的授权，因此既使得ARMARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整（2 2）是对一类）是对一类3232位、具有位、具有RISCRISC指令集的微处理器的通称。指令集的微处理器的通称。 购买了购买了ARMARM公司设计的微处理器

41、内核的各种微处理器公司设计的微处理器内核的各种微处理器产品，一般称为产品，一般称为ARMARM微处理器。显著特点是体积小、功耗微处理器。显著特点是体积小、功耗低、运行速度快，方便嵌入实时操作系统。低、运行速度快，方便嵌入实时操作系统。个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。更具有竞争力。2 2寄存器结构寄存器结构 ARMARM处理器共有处理器共有3737个寄存器，被分为若干个组个寄存器，被分为若干个组（BANKBANK），这些寄存器包括：），这些寄存器包括： 3131个通用寄存器，包括程序计数器（个通用寄存器，包括程

42、序计数器（PCPC指针），均为指针），均为3232位的寄器。位的寄器。 6 6个状态寄存器，用以标识个状态寄存器，用以标识CPUCPU的工作状态及程序的运的工作状态及程序的运行状态，均为行状态，均为3232位。位。 3 3处理器模式处理器模式 ARMARM处理器又有处理器又有7 7种不同的处理器模式，在每一种处理种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。4. ARM4. ARM微处理器的指令结构微处理器的指令结构ARMARM微处理器支持两种指令集：微处理器支持两种指令集：1 1）ARMARM指令集指令集为为3232位长度位长度2

43、 2）ThumbThumb指令集。指令集。1616位长度。位长度。 ThumbThumb指令集为指令集为ARMARM指令集的功能子集，但与等价的指令集的功能子集，但与等价的ARMARM代码相比较，可节省代码相比较，可节省30304040以上的存储空间，同以上的存储空间，同时具备时具备3232位代码的所有优点。位代码的所有优点。 1.3.3 ARMARM微处理器类型微处理器类型 ARM ARM微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于ARMARM体体系结构的处理器，除了具有系结构的处理器，除了具有ARMARM体系结构的共同特点以外，每一个体系结构

44、的共同特点以外，每一个系列的系列的ARMARM微处理器都有各自的特点和应用领域。微处理器都有各自的特点和应用领域。ARM7ARM7系列系列ARM9ARM9系列系列ARM9EARM9E系列系列ARM10EARM10E系列系列SecurCoreSecurCore系列系列IntelIntel的的XscaleXscaleIntel Intel 的的StrongARM StrongARM ARM11 ARM11 其中，其中，ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E和和ARM10ARM10为为4 4个通用处理器系列，每个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需

45、求。一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCoreSecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。系列专门为安全要求较高的应用而设计。 以下我们来详细了解一下各种处理器的特点及应用领域。以下我们来详细了解一下各种处理器的特点及应用领域。 1. ARM71. ARM7微处理器系列微处理器系列 ARM7 ARM7系列微处理器为低功耗的系列微处理器为低功耗的3232位位RISCRISC处理器，最适处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7ARM7微处理微处理器系列具有如下特点：器系列具有如下特点： 具有嵌入式

46、具有嵌入式ICEICERTRT逻辑，调试开发方便。逻辑，调试开发方便。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携 式产品。式产品。能够提供能够提供0.9MIPS/MHz0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。的三级流水线结构。代码密度高并兼容代码密度高并兼容1616位的位的ThumbThumb指令集。指令集。对操作系统的支持广泛，包对操作系统的支持广泛，包 WxvoksWxvoks、ucosucos括括 Windows CE Windows CE、LinuxLinux、Palm OS Palm OS 等。等。 指令系统与指令系统与ARM9ARM9系

47、列、系列、ARM9EARM9E系列和系列和ARM10EARM10E系列兼容，系列兼容， 便于用户的产品升级换代。便于用户的产品升级换代。 主频最高可达主频最高可达130MIPS130MIPS，高速的运算处理能力能胜任，高速的运算处理能力能胜任 绝大多数的复杂应用。绝大多数的复杂应用。 ARM7ARM7系列微处理器的主要应用领域为：系列微处理器的主要应用领域为： 工业控制、工业控制、InternetInternet设备、网络和调制解调器设备、移动电话设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。等多种多媒体和嵌入式应用。 ARM7ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：系列微处

48、理器包括如下几种类型的核： ARM7TDMIARM7TDMI ARM7TDMI-S ARM7TDMI-S ARM720T ARM720T ARM7EJ ARM7EJ。 ARM7TMDIARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的3232位嵌入式位嵌入式RISCRISC处理器，处理器， 属低端属低端ARMARM处理器核。处理器核。TDMITDMI的基本含义为：的基本含义为：T T：支持：支持1616位压缩指令集位压缩指令集ThumbThumb；D D：支持片上：支持片上DebugDebug；M M：内嵌硬件乘法器（：内嵌硬件乘法器（MultiplierMultiplier）I I：嵌入式

49、：嵌入式ICEICE，支持片上断点和调试点；，支持片上断点和调试点；SamsungSamsung公司的公司的S3C4510BS3C4510B、S3C44B0XS3C44B0X即属于该系列的处理器。即属于该系列的处理器。 2. ARM92. ARM9微处理器系列微处理器系列 ARM9ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：具有以下特点： 5 5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。提供提供1.1MIPS/MHz1.1MIPS/MHz的哈佛结构。的哈佛结构。支持支持3232位位ARMAR

50、M指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集。指令集。支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口。总线接口。全性能的全性能的MMUMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多等多 种主流嵌入式操作系统。种主流嵌入式操作系统。MPUMPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据处理，具有更高的指令和数据处理 能力。能力。 ARM9ARM9系列微处理器主要应用：系列微处理器主要应用： 无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶

51、盒、高端打印机、数字无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。照相机和数字摄像机等。 ARM9ARM9系列微处理器种类：系列微处理器种类： ARM920TARM920T ARM922T ARM922T ARM940T ARM940T3. ARM9E3. ARM9E微处理器系列微处理器系列 ARM9EARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、提供了微控制器、DSPDSP、JavaJava应用系统的解决方案，极大的减少了应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。芯片的

52、面积和系统的复杂程度。ARM9EARM9E系列微处理器提供了增强的系列微处理器提供了增强的DSPDSP处理能力，很适合于那些需要同时使用处理能力，很适合于那些需要同时使用DSPDSP和微控制器的应用场和微控制器的应用场合。合。 ARM9EARM9E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：支持支持DSPDSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。5 5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集。指令集。支持支持3232位的高速位

53、的高速AMBAAMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP9VFP9浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMUMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多等多 种主流嵌入式操作系统。种主流嵌入式操作系统。MPUMPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据处理，具有更高的指令和数据处理 能力。能力。主频最高可达主频最高可达300MIPS300MIPS。 ARM9ARM9系列微处理器主要应用：系列微处理器主要应用： 下一代无线设

54、备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。备和网络设备等领域。 ARM9EARM9E系列微处理器种类：系列微处理器种类： ARM926EJ-SARM926EJ-S ARM946E-S ARM946E-S ARM966E-S ARM966E-S4. ARM10E4. ARM10E微处理器系列微处理器系列 ARM10EARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的新的体系结构，与同等的ARM9ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，器件相比较

55、，在同样的时钟频率下，性能提高了近性能提高了近5050，同时，同时，ARM10EARM10E系列微处理器采用了两种先进的系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。节能方式，使其功耗极低。 ARM10EARM10E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：支持支持DSPDSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。6 6级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集。指令集。支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线

56、接口。总线接口。支持支持VFP10VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMUMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多等多 种主流嵌入式操作系统。种主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据处理，具有更高的指令和数据处理 能力。能力。主频最高可达主频最高可达400MIPS400MIPS。 内嵌并行读内嵌并行读/ /写操作部件。写操作部件。 ARM10EARM10E系列微处理器主要应用：系列微处理器主要应用： 下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。信息系统等领域。 ARM10EARM10E系列微处理器种类：系列微处