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嵌入式系统设计与实例开发 —— ARM 与  C/OS-Ⅱ 第六讲 嵌入式微处理器体系结构

嵌入式系统设计与实例开发 —— ARM 与  C/OS-Ⅱ 第六讲 嵌入式微处理器体系结构. 第六讲、 ARM 微处理器体系结构. 1. 嵌入式微处理器分类. ARM 嵌入式微处理器简介. 2. 3. ARM 体系结构. ARM JTAG 调试. 4. 5. 6. 一、嵌入式微处理器分类. （ 1 ）、嵌入式微控制器. 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。

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嵌入式系统设计与实例开发 —— ARM 与  C/OS-Ⅱ 第六讲 嵌入式微处理器体系结构

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  1. 嵌入式系统设计与实例开发 ——ARM与C/OS-Ⅱ 第六讲 嵌入式微处理器体系结构

  2. 第六讲、ARM微处理器体系结构 1 嵌入式微处理器分类 ARM嵌入式微处理器简介 2 3 ARM体系结构 ARM JTAG调试 4 5 6

  3. 一、嵌入式微处理器分类

  4. （1）、嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。

  5. 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

  6. 由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。 近来Atmel推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。

  7. （2）、嵌入式DSP处理器 • DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 • DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 • 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

  8. （3）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit) MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。

  9. 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

  10. （4）、嵌入式片上系统(System On Chip) SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。

  11. SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。

  12. 由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。 SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。

  13. SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点：SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点： • 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 • 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 • 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。 • 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。

  14. 二、ARM结构微处理器简介

  15. 二、ARM结构微处理器简介 • ARM于1990年11月在英国伦敦成立 前身为Acorn计算机公司 Advance RISC Machine (ARM) • 全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商。 • ARM公司是知识产权（IP）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。

  16. ARM的发展历程 • 1991年，ARM推出第一款RISC嵌入式微处理器核ARM6； • 1993年，ARM推出ARM7核； • 1995年，ARM的Thumb指令为16位系统增加了32位的性能，ARM提供了业界领先的代码密度。

  17. ARM的业务模型

  18. ARM微处理器特点 • 小体积、低功耗、低成本而高性能； • 16/32位双指令集； • 全球众多的合作伙伴。

  19. ARM微处理器系列 • ARM微处理器目前包括下面几个系列，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。 • － ARM7系列 • － ARM9系列 • － ARM9E系列 • － ARM10E系列 • － SecurCore系列 • － Inter的Xscale • － Inter的StrongARM 其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列。

  20. ARM7微处理器 • ARM7采用冯·诺依曼（Von-Neumann)结构，数据存储器和程序存储器重合在一起。 • ARM7为三级流水线结构（取指，译码，执行），平均功耗为0.6mW/MHz，时钟速度为66MHz，每条指令平均执行1.9个时钟周期。 • ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、 ARM720T、ARM7EJ。

  21. ARM7微处理器 • ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为： 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，支持片上断点和调试点；

  22. ARM9微处理器 • ARM9采用哈佛（Harvard)结构，程序存储器与数据存储器分开，提供了较大的存储器带宽。同时，大多数DSP都采用此结构。 • ARM9为五级流水线（取指，译码，执行，缓冲/数据，回写），平均功耗为0.7mW/MHz。时钟速度为120MHz-200MHz，每条指令平均执行1.5个时钟周期。 • ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。

  23. ARM的流水线结构

  24. ARM的流水线结构

  25. ARM微处理器的应用 • 1、工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。 • 2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术， ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 • 3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。 • 4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 • 5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。

  26. 三、ARM体系结构

  27. 三、 ARM体系结构的特点 • (1)、RISC型处理器结构； ARM采用RISC结构，在简化处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提高了处理器的速度。 考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器内操作的指令执行时间，RISC型处理器采用了Load/Store（加载/存储）结构，即只有Load/Store指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。 同时，为了进一步提高指令和数据的存取速度，RISC型处理器增加了指令高速缓冲I-Cache和数据高速缓冲D-Cache及多处理器结构，使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。

  28. ARM体系结构的特点 • (2)、Thumb指令集； 虽然ARM处理器本身是32位设计， 但考虑到RISC型处理器的指令功能相对较弱，新型的ARM体系结构中定义了16位的Thumb指令集。 Thumb指令集比通常的8/16位CISC/RISC处理器有更好的代码密度，而芯片面积只增加6%，却可以使程序存储器更小。

  29. ARM体系结构的特点 • (3)、多处理器状态模式； ARM体系结构定义了7种处理器模式：用户(usr)、快中断(fiq)、中断(irq)、管理(svc)、终止(abt)、未定义(und)和系统(sys)，大大提高了ARM处理器的效率。 • (4)、两种处理器工作状态； ARM状态（执行32位ARM指令）和Thumb状态（执行16位Thumb指令）。

  30. ARM体系结构的特点 • (5)、嵌入式在线仿真调试； ARM体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于通过JTAG来仿真调试芯片，省去了价格昂贵的在线仿真器。 • (6)、灵活方便的接口； ARM体系结构具有协处理器接口，允许接16个协处理器。既可以使基本的ARM处理器内核尽可能小，方便地扩充ARM指令集，也可以通过未定义指令来支持协处理器的软件仿真。

  31. ARM体系结构的特点 • (7)、低电压功耗的设计。 考虑到ARM体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统中，ARM体系结构在设计中就十分注意功耗的设计。

  32. Samsung S3C44B0X • Samsung S3C44B0X微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，使用ARM7TDMI核，工作在66MHZ。集成了下列部件： • 8KB Cache • 外部存储器控制器 • LCD控制器 • 4个DMA通道 • 2通道UART • 1个多主I2C总线控制器 • 1个IIS总线控制器 • 5通道PWM定时器及一个内部定时器 • 71个通用I/O口 • 8个外部中断源、实时时钟、8通道10位ADC等。

  33. S3C44B0X 体系结构： • 用于手持设备和通用嵌入式应用的完整系统； • 16/32位RISC结构和带ARM7TDMI CPU核的功能强大的指令集； • Thumb协处理器在保证性能的前提下使代码密度最大； • 片上ICE中断调试，JTAG调试方式 • 328位硬件乘法器；

  34. 系统管理： • 支持大/小端模式 • 地址空间：每个Bank32MB（一共256MB）； • 每个Bank支持8/16/32位数据总线编程； • 固定的Bank起始地址和7个可编程的Bank； • 1个起始地址和尺寸可编程的Bank； • 8个内存Bank:：６个用于ROM、SRAM；2个用于ROM/SRAM/DRAM； • 所有内存Bank的可编程寻址周期； • 在能量低的情况下支持DRAM/SDRAM自动刷新模式 • 支持DRAM的非对称/对称寻址；

  35. 系统管理： • 缓冲内存和内部SRAM • 4路带8K字节的联合缓存； • 不使用缓存的0/4/8K内容SRAM • 伪LRU（最近最少使用）的替代算法； • 通过在主内存和缓冲区内容之间保持一致的方式写内存； • 当缓冲区出错时，请求数据填充技术；

  36. 时钟和能量管理 l低能耗； l时钟可以通过软件选择性地反馈回每个功能块 l能量模式： u正常模式：正常运行模式； u低能模式：不带PLL的底频时钟； u休眠模式：只使CPU的时钟停止； u停止模式：所有时钟都停止； l用EINT或RTC警告中断从停止模式唤醒

  37. 中断控制器 l30个中断源（看门狗定时器，6个定时器，6个UART，8个外部中断，4个DMA，2个RTC，1个ADC，1个I2C，1个SIO； l矢量IRQ中断模式减少中断响应周期； l外部中断源的水平/边缘模式； l可编程的水平/边缘极性； l对紧急中断请求支持FIQ（快速中断请求）；

  38. 带PWM的定时器 l5个16位带PWM的定时器/1个16位基于DMA或基于中断的定时器； l可编程的工作循环，频率和极性 l死区产生 l支持外部时钟源

  39. 实时时钟 l全时钟特点：毫秒、秒、分、小时、天、星期、月、年 l32.768KHz运行 CPU唤醒的警告中断 时钟记号中断

  40. 通用输入输出端口 8个外部中断端口 71个多路输入输出口； UART • 2个带DMA和中断的UART； • 支持5位，6位，7位，8位串行数据传送/接收； • 当传送/接收时支持双向握手 • 可编程波特率； • 支持IrDA1.0（115.2KBPS）； • 测试的循环返回模式； • 每个通道有2个内部32位FIFO

  41. DMA与A/D DMA控制器 l2路通用无需要CPU干涉的DMA控制器； l2路桥式DMA控制器； l采用6种DMA请求的桥式DMA支持IO到内存,内存到IO，IO到IO：软件，4个内部功能块（UART，SIO，实时器，IIS），外部管脚； lDMA之间可编程优先级次序； l突发传送模式提高到FPDRAM、EDODRAM和SDRAM的传送率； A/D转换 l10位多路ADC； l最大500KSPS/10位；

  42. LCD控制器 l支持彩色/单色/灰度LCD； l支持单扫描和双扫描显示； l支持虚拟显示功能 l系统内存作为显示内存 l专用DMA用于从系统内存中提取图象数据； l可编程屏幕尺寸； l灰度：16级 l256色

  43. 看门狗定时器与I2C总线接口 l16位看门狗定时器：定时中断请求和系统复位； l1个带中断的多主机I2C总线：串行，8位，双向数据传送器能够以100KB/S的标准模式和400KB/S的快速模式传送

  44. IIS总线接口 l1个带DMA的音频IIS总线接口：串行，每路8/16位数据传送器；支持MSB数据格式； SIO（同步串行I/O） l1个带DMA和中断的SIO l可编程波特率； • 支持8位串行数据传送/接收操作

  45. 操作电压范围 • 内核：2.5V；I/O：3.0V到3.6V; 运行频率 • 最高到75MHz； 封装 • 160LQFP/160FBGA；

  46. S3C44BOX的体系结构图 返回

  47. S3C44B0X 的引脚分布图 返回

  48. ARM7存储器特征

  49. 回顾S3C44B0X的几个特点 • 集成ARM7TDMI核 ARM7TDMI:无MMU，无Cache • 增加8KB的Cache(SRAM) • 外部扩充存储控制器 • 系统(存储)管理 　　支持大/小端模式 　　总共256MB的地址空间

  50. Cache 和片内存储

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