【正文】 D[31:0] 電源 總線控制 時(shí)鐘 配置 中斷 46 TM 46 ARM7TDMI 方框圖 ARM7TDMI 內(nèi)核 TAP 控制器 JTAG 接口 數(shù)據(jù)總線 控制信號(hào) D[31:0] 地址總線 A[31:0] DIN[31:0] DOUT[31:0] BUS Splitter Embedded ICE 邏輯 47 TM 47 乘法器 ARM7TDMI 內(nèi)核 指令 解碼 地址 自增器 nRESET nMREQ SEQ ABORT nIRQ nFIQ nRW MAS[1:0] LOCK nCPI CPA CPB nWAIT MCLK nOPC BIGEND ISYNC nTRANS nM[4:0] D[31:0] 桶形 移位器 32 位 ALU DBE 寫數(shù)據(jù) 寄存器 讀數(shù)據(jù) 寄存器 地址寄存器 寄存器 A[31:0] ABE 及 控制 邏輯 PC Update 解碼站 指令 解碼 Incrementer P C A B u s B B u s A L U B u s 48 TM 48 外部地址產(chǎn)生 PC[31:2] ARM State PC[31:1] Thumb State ALU[31:0] INC 自增器 A[31:0] 向量 0x1C 0x00 地址 寄存器 49 TM 49 ? 特 點(diǎn)： ? 32/16 位 RISC架構(gòu)（ ARM v4T）。這種源代碼形式又可以被編譯成一種易于 EDA工具使用的形式。 新架構(gòu) v6在降低耗電量的同時(shí)還強(qiáng)化了圖形處理性能 。在該模式下，使用的是用戶模式下的寄存器。 29 TM 第 2章 ARM技術(shù)與 ARM體系結(jié)構(gòu) 本章主要介紹 ARM處理器的產(chǎn)生及版本發(fā)展歷史，以及各個(gè)版本的典型處理器及應(yīng)用情況和性能分析； ARM處理器的內(nèi)核調(diào)試結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了ARM7TDMIS、 ARM9TDMI兩種結(jié)構(gòu)； ARM處理器的工作模式及寄存器組織結(jié)構(gòu)，分析了在什么情況下進(jìn)入到相應(yīng)的工作模式； ARM處理器支持的內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，分為大端格式和小端格式；最后介紹了 ARM7的三級(jí)流水線運(yùn)行機(jī)制和 ARM9的五級(jí)流水線運(yùn)行機(jī)制。 27 TM 27 ? 4．嵌入式微處理器將會(huì)向多核技術(shù)發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中要不斷的優(yōu)化硬件電路并改進(jìn)算法，達(dá)到最佳的控制功能。要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在硬件設(shè)計(jì)上要提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口 。 ? 這樣只要是對(duì) PC機(jī)上的 Windows比較熟悉的用戶，可以很快地使用移植有 Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)備。 ? 高度模塊化是 WinCE的一個(gè)特性 ， 有利于對(duì)從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。 實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都是運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù) 。C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核 ? 181。沒(méi)有提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)及管理、圖形界面等模塊。 17 TM 17 ? 嵌入式 Linux: ? 嵌入式 Linux操作系統(tǒng)是針對(duì)嵌入式微控制器的特點(diǎn)而量身定做的一種 Linux操作系統(tǒng)，包括常用的嵌入式通信協(xié)議和常用驅(qū)動(dòng)，支持多種文件系統(tǒng)。 ? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，必須有相應(yīng)的硬件支持才能達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。 ? 因此有人把嵌入式系統(tǒng)比作是一個(gè)針對(duì)特定的應(yīng)用而“量身定做”的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在硬件上， MCU的性能得到了極大的提升，特別是 ARM技術(shù)的出現(xiàn)與完善，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的硬件載體。 7 TM 7 ? 在 80年代早期，出現(xiàn)了商業(yè)級(jí)的“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核”，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的程序員開(kāi)始在實(shí)時(shí)內(nèi)核下編寫嵌入式應(yīng)用軟件，從而使新產(chǎn)品的研制可以獲取更短的開(kāi)發(fā)周期、更低的開(kāi)發(fā)資金和更高的開(kāi)發(fā)效率。 ? 1976年 Intel公司推出功能相對(duì)較完備的單片機(jī)8048。1 TM 1 東南大學(xué)成賢學(xué)院計(jì)算機(jī)系 吳強(qiáng) 嵌入式系統(tǒng) 2 TM 2 ?配套教材： 《 ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程 》 邱鐵 編著，清華大學(xué)出版社， 2022,3 《 嵌入式系統(tǒng) ━ 基于 SEP3203微處理器的應(yīng)用開(kāi)發(fā) 》 時(shí)龍興等 編著，電子工業(yè)出版社， 3 TM 第 1章 緒論 本章主要介紹嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和相關(guān)概念，當(dāng)前嵌入式技術(shù)的主要應(yīng)用以及市場(chǎng)上最流行的嵌入式產(chǎn)品，通過(guò)典型產(chǎn)品實(shí)例使讀者了解當(dāng)前嵌入式技術(shù)的應(yīng)用狀況和研究方向。 6 TM 6 1． 1． 1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 ? Intel公司于 1971年開(kāi)發(fā)出第一片具有 4位總線結(jié)構(gòu)的微處理器 4004，當(dāng)時(shí)主要用于電子玩具、家用電器，電子控制及簡(jiǎn)單的計(jì)算工具。 ? 51系列的單片機(jī)仍然在市場(chǎng)上占有很大的比例，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。 ? 這一階段在國(guó)際上相繼出現(xiàn)了 Palm OS， WinCE，嵌入式 Linux， Nucleux等嵌入式操作系統(tǒng) 10 TM 10 ? 進(jìn)入 21世紀(jì)，嵌入式系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。 13 TM 13 ? 從這個(gè)定義可以看出嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁剪利用。 15 TM 15 1． 2． 1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ? 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入進(jìn)行快速處理并作出響應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)。典型的商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有VxWorks， QNX， OSE， ECOS， PSOS，Windows CE等等。C /OSⅡ 是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，只包含了任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能。C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) WinCE操作系統(tǒng) Linux操作系統(tǒng) 20 TM 20 181。C/OSII中最多可以支持 64個(gè)任務(wù) ， 分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí) 0~63， 其中 0為最高優(yōu)先級(jí) 。 21 TM 21 WinCE操作系統(tǒng) ? Microsoft Windows CE是針對(duì)有限資源的平臺(tái)而設(shè)計(jì)的多線程 、 完整優(yōu)先權(quán) 、 多任務(wù)的操作系統(tǒng) 。 22 TM 22 WinCE操作系統(tǒng) ? Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)能提供與 PC機(jī)類似的圖形界面和主要的應(yīng)用程序。 ? 未來(lái)的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)信息化與數(shù)字化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化成為發(fā)展的方向。 ? 嵌入式產(chǎn)品是軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)備，為了提高運(yùn)行速度、降低功耗和成本，要求開(kāi)發(fā)人員盡量裁剪系統(tǒng)的硬件資源和軟件內(nèi)核，利用最少的硬件資源和軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最多的功能。 ? 在 CPU中設(shè)計(jì)多個(gè)執(zhí)行部件來(lái)完成此功能，這種 CPU的架構(gòu)形式稱為單指令流多數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)，也稱之為指令級(jí)的并行計(jì)算技術(shù)。 28 TM 28 ? 5．嵌入式技術(shù)將引領(lǐng)信息時(shí)代 ? 嵌入式產(chǎn)品具有自身的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、低功耗等，這也正是在走可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略 ； ? 使我們無(wú)論身處何時(shí)、何地，想要什么信息都可以信手拈來(lái) ； ? “無(wú)所不在的智能”的觀點(diǎn)，它是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的最高境界。 增加了處理器的特權(quán)模式。 36 TM 36 ? ARM體系 版本 6是 2022年發(fā)布的 。 37 TM 37 ? ARM體系 版本 7包括三個(gè)系列： ? A系列 （ ARMv7－ A） Cortex－ A8（ 應(yīng)用處理器 ） ? R系列 （ ARMv7－ R） Cortex－ R4（ 實(shí)時(shí)處理器 ） ? M系列 （ ARMv7－ M） Cortex－ M M0（ 微處理器 ） 38 TM 38 ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本命名規(guī)則 ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{S} ? 大括號(hào)內(nèi)的字母是可選的，各個(gè)字母的含義如下： ? x ——系列號(hào)，例如 ARM7中的“ 7”、 ARM9中的“ 9”； ? y ——內(nèi)部存儲(chǔ)管理 /保護(hù)單元，例如 ARM72中的“ 2”、 ARM94中的“ 4”； ? z ——內(nèi)含有高速緩存 Cache； ? T ——技持 16位的 Thumb指令集； ? D ——支持 JTAG片上調(diào)試； ? M ——支持用于長(zhǎng)乘法操作（ 64位結(jié)果）的 ARM指令，包含快速乘法器； ? I ——帶有嵌入式追蹤宏單元 ETM（ Embedded Trace Macro），用來(lái)設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)的調(diào)試硬件； 39 TM 39 續(xù) ? E ——增強(qiáng)型 DSP指令（基于 TDMI）； ? J ——含有 Java加速器 Jazelle，與 Java虛擬機(jī)相比，Java加速器 Jazelle使 Java代碼運(yùn)行速度提高了 8倍，功耗降低到原來(lái)的 80%； ? F ——向量浮點(diǎn)單元； ? S——可綜合版本，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供的。使用 ARM7TDMI核使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)出小尺寸、低功耗以及高性能的嵌入式設(shè)備。 ? 統(tǒng)一的總線接口，指令與數(shù)據(jù)都在 32位總線上傳輸。 ? 完全的靜態(tài)操作。 ? 譯碼 ：由譯碼邏輯單元完成，是將在上一步指令 Cache中的指令進(jìn)行解釋，告訴 CPU將如何操作。 ? 譯碼 ：對(duì)指令進(jìn)行譯碼，識(shí)別出是對(duì)哪個(gè)寄存器進(jìn)行操作并從通用寄存器中讀取操作數(shù)。 58 TM 58 ARM920 的 5級(jí)流水線操作 59 TM 59 ? ARM技術(shù)的設(shè)計(jì)者將 ARM處理器在應(yīng)用中可能產(chǎn)生的狀態(tài)進(jìn)行了分類，并針對(duì)同一類型的異常狀態(tài)設(shè)定了一個(gè) 固定的入口點(diǎn) ，當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí)，程序會(huì) 自動(dòng)跳轉(zhuǎn) 到對(duì)應(yīng)異常入口處進(jìn)行異常服務(wù)。在這模式下按中斷的處理器方式又分為 向量中斷和非向量中斷 兩種。 62 TM 62 ? 5． 中止模式 ：當(dāng)存取異常時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式，用來(lái)處理存儲(chǔ)器故障、實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)或存儲(chǔ)保護(hù)。 ? 在這 6種特權(quán)模式中，除了系統(tǒng)模式外的其他5種特權(quán)模式又稱為異常模式，每種異常都對(duì)應(yīng)有自己的異常處理入口點(diǎn)。 65 TM 65 r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) r15 (pc) cpsr r13 (sp) r14 (lr) spsr r13 (sp) r14 (lr) spsr r13 (sp) r14 (lr) spsr r13 (sp) r14 (lr) spsr r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) spsr FIQ IRQ SVC Undef Abort User Mode Current Visible Registers Banked out Registers spsr User r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) FIQ Mode IRQ Undef Mode SVC Mode Abort 當(dāng)前可見(jiàn)寄存器 備用寄存器 ARM 寄存器 66 TM 66 寄存器組織概要 User mode r0r7, r15, and cpsr r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) spsr FIQ r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) r15 (pc) cpsr r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 User r13 (sp) r14 (lr) spsr IRQ User mode r0r12, r15, and cpsr r13 (sp) r14 (lr) spsr Undef User mode r0r12, r15, and cpsr r13 (sp) r14 (lr) spsr SVC User mode r0r12, r15, and cpsr r13 (sp) r14 (lr) spsr Abort User mode r0r12, r15, and cpsr Thumb state Low registers Thumb state High registers Note: System模式使用