【正文】 D[31:0] 電源 總線控制 時鐘 配置 中斷 46 TM 46 ARM7TDMI 方框圖 ARM7TDMI 內核 TAP 控制器 JTAG 接口 數據總線 控制信號 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 寫數據 寄存器 讀數據 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： ? 32/16 位 RISC架構（ 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 v6在降低耗電量的同時還強化了圖形處理性能 。在該模式下，使用的是用戶模式下的寄存器。 29 TM 第 2章 ARM技術與 ARM體系結構 本章主要介紹 ARM處理器的產生及版本發(fā)展歷史，以及各個版本的典型處理器及應用情況和性能分析； ARM處理器的內核調試結構，重點分析了ARM7TDMIS、 ARM9TDMI兩種結構； ARM處理器的工作模式及寄存器組織結構，分析了在什么情況下進入到相應的工作模式； ARM處理器支持的內存數據存儲格式，分為大端格式和小端格式；最后介紹了 ARM7的三級流水線運行機制和 ARM9的五級流水線運行機制。 27 TM 27 ? 4．嵌入式微處理器將會向多核技術發(fā)展。在實現過程中要不斷的優(yōu)化硬件電路并改進算法，達到最佳的控制功能。要進行網絡互聯，在硬件設計上要提供各種網絡通信接口 。 ? 這樣只要是對 PC機上的 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)的設備。 ? 高度模塊化是 WinCE的一個特性 ， 有利于對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。 實時內核在任何時候都是運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務 。C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng)內核 ? 181。沒有提供文件系統(tǒng)、網絡驅動及管理、圖形界面等模塊。 17 TM 17 ? 嵌入式 Linux: ? 嵌入式 Linux操作系統(tǒng)是針對嵌入式微控制器的特點而量身定做的一種 Linux操作系統(tǒng)，包括常用的嵌入式通信協(xié)議和常用驅動，支持多種文件系統(tǒng)。 ? 實時操作系統(tǒng)具有實時性，必須有相應的硬件支持才能達到實時控制的目的。 ? 因此有人把嵌入式系統(tǒng)比作是一個針對特定的應用而“量身定做”的專用計算機系統(tǒng)。在硬件上， MCU的性能得到了極大的提升，特別是 ARM技術的出現與完善，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了功能強大的硬件載體。 7 TM 7 ? 在 80年代早期，出現了商業(yè)級的“實時操作系統(tǒng)內核”，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的程序員開始在實時內核下編寫嵌入式應用軟件，從而使新產品的研制可以獲取更短的開發(fā)周期、更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率。 ? 1976年 Intel公司推出功能相對較完備的單片機8048。1 TM 1 東南大學成賢學院計算機系 吳強 嵌入式系統(tǒng) 2 TM 2 ?配套教材： 《 ARM嵌入式系統(tǒng)結構與編程 》 邱鐵 編著，清華大學出版社， 2022,3 《 嵌入式系統(tǒng) ━ 基于 SEP3203微處理器的應用開發(fā) 》 時龍興等 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)展歷史和相關概念，當前嵌入式技術的主要應用以及市場上最流行的嵌入式產品，通過典型產品實例使讀者了解當前嵌入式技術的應用狀況和研究方向。 6 TM 6 1． 1． 1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 ? Intel公司于 1971年開發(fā)出第一片具有 4位總線結構的微處理器 4004，當時主要用于電子玩具、家用電器，電子控制及簡單的計算工具。 ? 51系列的單片機仍然在市場上占有很大的比例，在各種產品中有著非常廣泛的應用。 ? 這一階段在國際上相繼出現了 Palm OS， WinCE，嵌入式 Linux， Nucleux等嵌入式操作系統(tǒng) 10 TM 10 ? 進入 21世紀，嵌入式系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。 13 TM 13 ? 從這個定義可以看出嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁剪利用。 15 TM 15 1． 2． 1嵌入式實時操作系統(tǒng) ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)是指在限定的時間內對輸入進行快速處理并作出響應的嵌入式操作系統(tǒng)。典型的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)有VxWorks， QNX， OSE， ECOS， PSOS，Windows CE等等。C /OSⅡ 是一個實時操作系統(tǒng)內核，只包含了任務管理、任務調度、時間管理、內存管理和任務間的通信與同步等基本功能。C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng)內核 VxWorks嵌入式實時操作系統(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個任務 ， 分別對應優(yōu)先級 0~63， 其中 0為最高優(yōu)先級 。 21 TM 21 WinCE操作系統(tǒng) ? Microsoft Windows CE是針對有限資源的平臺而設計的多線程 、 完整優(yōu)先權 、 多任務的操作系統(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機類似的圖形界面和主要的應用程序。 ? 未來的嵌入式設備為了適應信息化與數字化的發(fā)展，網絡化成為發(fā)展的方向。 ? 嵌入式產品是軟件和硬件相結合的設備，為了提高運行速度、降低功耗和成本，要求開發(fā)人員盡量裁剪系統(tǒng)的硬件資源和軟件內核，利用最少的硬件資源和軟件結構實現最多的功能。 ? 在 CPU中設計多個執(zhí)行部件來完成此功能，這種 CPU的架構形式稱為單指令流多數據流體系結構，也稱之為指令級的并行計算技術。 28 TM 28 ? 5．嵌入式技術將引領信息時代 ? 嵌入式產品具有自身的優(yōu)點，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 ； ? 使我們無論身處何時、何地，想要什么信息都可以信手拈來 ； ? “無所不在的智能”的觀點，它是嵌入式系統(tǒng)應用的最高境界。 增加了處理器的特權模式。 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包括三個系列： ? A系列 （ ARMv7－ A） Cortex－ A8（ 應用處理器 ） ? R系列 （ ARMv7－ R） Cortex－ R4（ 實時處理器 ） ? M系列 （ ARMv7－ M） Cortex－ M M0（ 微處理器 ） 38 TM 38 ARM體系結構的基本版本命名規(guī)則 ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{S} ? 大括號內的字母是可選的，各個字母的含義如下： ? x ——系列號，例如 ARM7中的“ 7”、 ARM9中的“ 9”； ? y ——內部存儲管理 /保護單元，例如 ARM72中的“ 2”、 ARM94中的“ 4”； ? z ——內含有高速緩存 Cache； ? T ——技持 16位的 Thumb指令集； ? D ——支持 JTAG片上調試； ? M ——支持用于長乘法操作（ 64位結果）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），用來設置斷點和觀察點的調試硬件； 39 TM 39 續(xù) ? E ——增強型 DSP指令（基于 TDMI）； ? J ——含有 Java加速器 Jazelle，與 Java虛擬機相比，Java加速器 Jazelle使 Java代碼運行速度提高了 8倍，功耗降低到原來的 80%； ? F ——向量浮點單元； ? S——可綜合版本，意味著處理器內核是以源代碼形式提供的。使用 ARM7TDMI核使得系統(tǒng)設計師能夠設計出小尺寸、低功耗以及高性能的嵌入式設備。 ? 統(tǒng)一的總線接口，指令與數據都在 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中的指令進行解釋，告訴 CPU將如何操作。 ? 譯碼 ：對指令進行譯碼，識別出是對哪個寄存器進行操作并從通用寄存器中讀取操作數。 58 TM 58 ARM920 的 5級流水線操作 59 TM 59 ? ARM技術的設計者將 ARM處理器在應用中可能產生的狀態(tài)進行了分類，并針對同一類型的異常狀態(tài)設定了一個 固定的入口點 ，當異常產生時，程序會 自動跳轉 到對應異常入口處進行異常服務。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 ：當存取異常時將會進入這種模式，用來處理存儲器故障、實現虛擬存儲或存儲保護。 ? 在這 6種特權模式中，除了系統(tǒng)模式外的其他5種特權模式又稱為異常模式，每種異常都對應有自己的異常處理入口點。 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 當前可見寄存器 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