嵌入式控制系统的ARM处理器
嵌入式控制系统的ARM处理器
一、嵌入式硬件系统概述
1、嵌入系统的硬件
可分为三部分：核心处理器、控制电路、外部设备
2、嵌入式处理器的种类
(1)嵌入式微处理器MPU
(2)嵌入式微控制器MCU
(3)嵌入式DSP处理器DSP
(4)嵌入式片上系统System On Chip
3、嵌入式处理器基本特征
(1)体积小、集成度高、价格较低
(2)可扩展的处理器结构
(3)系统精简、低功耗、降低发热量
(4)对实时多任务有很强的支持能力
(5)功能强大的存储区保护功能
4、嵌入式微处理器的体系结构
(1)冯.诺伊曼体系结构
-
数据与指令都存储在存储器中
-
数据与指令由同一个总线传输
-
ARM7TDMI体系
(2)哈佛体系结构
- 程序存储器与数据存储器分开
- 指令和数据可以有不同的数据宽度
- 适合于数字信号处理
- 大多数DSP都是哈佛结构
- ARM9、Cortex-M3等等都是哈佛结构
5、嵌入式微处理器中采用的先进技术
- 流水线技术：几个指令可以并行执行，提高了CPU的运行效率，内部信息流要求通畅流动
- 超标量技术：超标量是指CPU中有一条以上的流水线，并且每个时钟周期内可以完成一条以上指令
- 总线：微处理器和各部件之间的连接
- 总线桥：连接不同速度不同规格的总线
二、指令集
1、概念
处理器能够识别并执行的指令集合
每一条指令可以处理一个简单或者复杂操作
每一条指令对应一条或者几条的汇编指令
2、指令系统分类
(1)CISC：复杂指令集特征
(2)RISC: 精简指令集特征
(3)ARM指令集
32位精简指令集
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，指令格式和寻址方式种类减少
简单的译码指令格式
在单周期内完成指令等
(4)Thumb指令集
Thumb指令集是ARM指令集的一个子集
针对代码密度问题提出的指令集
指令宽度16位 与32位指令集相比，大大节省了系统的存储空间
Thumb指令集不完整，所以必须配合ARM指令集一同使用
三、APM嵌入式微处理器
1、简介
(1)ARM架构：高级精简指令集，32位精简指令集处理器架构
(2)节能，适合用于移动通信领域，符合低成本、高性能、低耗电的设计目标
2、ARM处理器的特点
(1)小体积、低功耗、成本低、高性能
(2)16/32位双指令集
3、处理器名称
(1)T : 支持Thumb指令集
(2)D : 支持在线JTAG调试，支持片内Debug调试
(3)M : 内嵌硬件乘法器
(4)I :嵌入式ICE（在线断点和调试），嵌入式ICE宏单元
(5)E : 支持向量浮点处理，具有DSP功能
(6)J : Jazeller，支持Java技术，允许直接执行JAVA字节码
(7)F : 支持向量浮点处理
(8)S : 可综合，可综合的软核Softcore
4、ARM7系列微处理器
(1)低功耗
(2)3级流水线结构：
- Fetch:从存储器中读取指令
- Decode:解码指令
- Execute：寄存器读、移位及ALU操作、寄存器写
(3)ICE:电路内仿真器
(4)MIPS:每秒百万条指令
5、ARM9系列微处理器
(1)5级流水线
(2)MMU存储器管理单元
通过页表转换器技术，将实际的物理存储空间映射为虚拟存储器，虚存是独立于物理存储空间的存储空间，允许不同的程序使用相同的虚拟地址（MMU映射它们到不同的物理地址上），使得各个程序在各自独立的存储空间中运行而互不影响
(3)cache高速缓存
位于内核与存储器之间，对于哈佛体系结构，指令cache和数据cache分开 内核处理速度远高于总线访问存储器的速度
6、微处理器模式(ARM7处理器7种运行模式）
(1)用户模式（user模式）：正常程序执行的模式
(2)快速中断模式（fiq模式）：用于支持高速数据传输或通道处理
(3)中断模式（irq模式）：普通中断处理
(4)中止模式 （abt模式）：输入数据后登入或预取异常中断指令
(5)系统模式（sys模式）：操作系统使用的一个有特权的用户模式
(6)未定义模式（und模式）：执行了未定义指令时进入该模式
(7)寄存器模式
7、存储器模式
(1)大端存储格式
(2)小端存储格式
8、ARM中断和异常
(1)ARM内核支持7种中断和异常
(2)不同中断处于不同的处理模式，具有不同的优先级
(3)每个中断都有固定的中断入口地址
9、ARM应用系统软件调试方法
(1)指令集模拟器
(2)驻留监控软件
(3)JTAG仿真器（调试器）
