嵌入式系统基础教程第03讲第3章嵌入式处理器典型技术主流嵌入式处理器.ppt
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1、嵌入式系统基础教程第03讲第3章嵌入式处理器典型技术主流嵌入式处理器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第3章章嵌入式微处理器技术基础嵌入式微处理器技术基础l本章主要介绍以下内容:l嵌入式微处理器典型技术l主流嵌入式微处理器l嵌入式处理器的调试技术l边界扫描测试技术JTAG2008年6月19日2南京大学计算机系3.1嵌入式微处理器典型技术嵌入式微处理器典型技术lI/O端口统一编址与特殊功能寄存器l哈佛结构l桶型移位器l正交指令集l指令密度l看门狗定时
2、器l地址对准与端序l地址重映射lFIFO缓冲寄存器l主存控制器2008年6月19日3南京大学计算机系3.1.1I/O端口统一编址端口统一编址与特殊功能寄存器与特殊功能寄存器l计算机的两种I/O端口地址空间l独立编址lx86处理器系列l统一编址l8051系列和ARM系列处理器l特殊功能寄存器(SFR)l接口控制器的端口寄存器l实际为片上(片内)的物理存储单元2008年6月19日4南京大学计算机系三星公司嵌入式处理器三星公司嵌入式处理器S3C44B0X存储器地址映射图存储器地址映射图2008年6月19日5南京大学计算机系3.1.2哈佛结构哈佛结构l哈佛结构是一种计算机体系结构l哈佛结构基本特点:l
3、程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。l可以使指令和数据有不同的数据宽度。l如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度,而数据是8位宽度。l优点:l较高执行效率和数据吞吐率2008年6月19日6南京大学计算机系哈佛结构示意图哈佛结构示意图CPU程序计数器程序计数器PC指令存储器数据存储器地址总线地址总线数据总线指令总线指令总线2008年6月19日7南京大学计算机系冯冯诺依曼结构示意图诺依曼结构示意图CPU程序计数器程序计数器PC存储器存储器地址总线数据总线2008年6月19日8南京大学计算机系Motorola公司公司DSP56311型数字信号型数字信号处理器的存储系统结构
4、处理器的存储系统结构2008年6月19日9南京大学计算机系哈佛结构哈佛结构Cachel片内Cache分为两类。l一种是数据和指令都放在同一个Cache中,称为普林斯顿结构或者统一化结构Cache(统一型Cache)。l另外一种是数据和指令分别放在两个独立的Cache中,称为哈佛结构Cache。这后一种Cache也叫做分离型Cache。2008年6月19日10南京大学计算机系3.1.3桶型移位器桶型移位器l通常的移位器都是一个时钟脉冲左移或者右移1位。l桶型移位器采用了开关矩阵电路,可以做到用1个时钟脉冲移位任意位。l参看下面的开关矩阵工作示意图。2008年6月19日11南京大学计算机系不移位操
5、作示意图不移位操作示意图2008年6月19日12南京大学计算机系循环左移循环左移3位操作示意图位操作示意图在这里循环左移3位相当于循环右移1位2008年6月19日13南京大学计算机系3.1.4正交指令集正交指令集l正交指令集(orthogonal instruction set)lAn instruction set where all(or most)instructions have the same format and all registers and addressing modes can be used interchangeably.lThe choices of op co
6、de,register,and addressing mode are mutually independent.llooselyspeaking,thechoicesareorthogonal.lThiscontrastswithsomeearlyIntelmicroprocessorswhereonlycertainregisterscouldbeusedbycertaininstructions.lExamples include the PDP-11,680 x0,ARM,VAX.2008年6月19日14南京大学计算机系正交指令集正交指令集l例例3-1:一个正交的两地址指令集中的运算类
7、指令常采用以下格式:定长操作码+寻址方式编码+定长格式的目的寄存器集+定长格式的源寄存器集。l例例3-2:ARM处理器有16个通用寄存器,分别命名为R0到R15。ARM处理器的数据处理类指令中的立即数移位指令格式如下:d3128d2725d2421d20d1916d1512d117d64d3-0执行条件000操作码SRnRd#shiftSHRm2008年6月19日15南京大学计算机系例例3-2的说明的说明l其中的执行条件字段是该指令执行的条件,共有15种条件,加上无条件,一共有16种可能,用4位二进制数表示,可以取其中一种;操作码字段有4位,表示执行的是哪一种算术逻辑运算,一共有16种运算,可
8、以取其中任何一种;SH字段表示移位类型,可以有5种移位指令的编码可供选择,这些指令都用到了桶型移位器;Rn、Rd、Rm字段是操作数寄存器字段,可以取16个寄存器R0R15中的任何一个;#shift是立即数移位长度值。2008年6月19日16南京大学计算机系3.1.5双密度指令集双密度指令集l指令密度:计算机指令集的一个技术指标,与处理器的体系结构密切相关。它表示该机器指令程序占用存储器空间的大小。有高密度指令和低密度指令之分。与低密度指令相比较,高密度指令执行同样的机器指令序列所需要的指令存储空间较小。l双密度指令集处理器:指令集包含有指令密度不相同的两套指令集。2008年6月19日17南京大
9、学计算机系双密度指令集举例双密度指令集举例lARM微处理器是32位设计,配有定长32位的指令集。但ARM微处理器也配备16位指令集,称为Thumb指令集。它允许软件编码为更短的16位机器指令。早期16位Thumb指令集称为Thumb-1指令集,其指令密度远高于32位指令集。2003年6月ARM公司推出了Thumb-2核心指令集技术。这三种指令集的代码尺寸比较与性能比较请参看下图。2008年6月19日18南京大学计算机系3.1.6看门狗定时器看门狗定时器l嵌入式处理器专用的部件。l它能够让嵌入式处理器处理器自动脱离死锁工作状态。时钟发生器预分频器16位可编程定时器看门狗定时器使能信号NMI200
10、8年6月19日19南京大学计算机系S3C44B0X处理器的看门狗定时器处理器的看门狗定时器l该看门狗是一个16位数的间隔定时器,用来产生中断服务请求信号。它可在128个存储器时钟周期之内产生复位信号。2008年6月19日20南京大学计算机系S3C44BOX的看门狗定时器的看门狗定时器lIn S3C44B0X processor,the prescaler value and the frequency division factor are specified in the watchdog timer control register,WTCON.lThe valid prescaler v
11、alues range from 0 to 28-1.The frequency division factor can be selected as 16,32,64,or 128.lUse the following equation to calculate the watchdog timer clock frequency and the duration of each timer clock cycle:2008年6月19日21南京大学计算机系看门狗定时器的时间间隔计算举例看门狗定时器的时间间隔计算举例l以S3C44B0X为例:l时间间隔=1/(MCLK/(预分频值+1)/(除法
12、系数)lMCLK是存储器主频,在option.h中定义为67,500,000l预分频值就是PRESCALER l除法系数就是DIVISIONl带入公式计算结果是:l 1/(MCLK/(MCLK/1000000-1)+1)/128)l=0.000128(second)l注意:Prescaler_value=MCLK/1000000-1 做到在0-255的范围内2008年6月19日22南京大学计算机系3.1.7地址对准和端序地址对准和端序l边界地址:l从0号单元开始,按照2字节、4字节或者其他2的整倍数长度划分内存的读写块,读写块的首地址就是边界地址。l地址对准访问l从边界地址进行内存访问。l端序
13、,字节序l多字节数据存放时,最高字节存放在最低地址单元还是最高地址单元。l有大端序和小端序之分2008年6月19日23南京大学计算机系3.1.8地址重映射地址重映射l开始启动时,将存有启动代码的Nor Flash地址空间映射到0 x00000000。l嵌入式系统的中断向量和异常向量表在启动时也从0号地址存放。lFlash ROM的读出速度慢 l地址重映射:把SDRAM地址空间迁移到0地址开始处,把Flash ROM的地址空间迁移到系统存储器的高端地址。2008年6月19日24南京大学计算机系术语:异常术语:异常l异常(Exception)是计算机运行时发生的异常控制流。l它是程序控制流中的突变
14、,用来响应处理器状态中的一些变化。l一部分由硬件产生l另一部分由操作系统产生l异常的分类l中断(Interrupt),陷阱(Trap),故障(Fault),终止(Abort)2008年6月19日25南京大学计算机系含有异常的处理流程图解含有异常的处理流程图解应用程序发生事件异常处理异常处理异常返回(可选)2008年6月19日26南京大学计算机系AT91M55800A处理器处理器地址重映射前后的地址分配地址重映射前后的地址分配2008年6月19日27南京大学计算机系3.1.9FIFO缓冲寄存器缓冲寄存器lFIFO(First In First Out)也即先入先出lFIFO寄存器或者FIFO缓冲
15、寄存器l按照FIFO方式进行数据读写的寄存器lFIFO常常用于嵌入式系统l提高数据传输效率l两种使用形态l一种是分立的专用器件l集成在CPU某个控制器的专用寄存器2008年6月19日28南京大学计算机系S3C44B0X的的UART方框图(含方框图(含FIFO)lS3C44B0X处理器内建有两个UART接口。每一个UART的最高传输速率是115.2K bps,并且带有两个接受和发送的FIFO缓冲器。2008年6月19日29南京大学计算机系3.1.10主存控制器主存控制器l主存控制器lMC,Memory ControllerlMC功能:l确定处理器所使用的存储区(Bank)个数;l确定各存储区起始
16、地址;l确定各BANK寻址空间大小和数据线宽度;l确定所有Bank的可编程访问周期;l动态存储器的自动刷新等。2008年6月19日30南京大学计算机系东南大学博芯公司东南大学博芯公司SEP3203微处理器方框图微处理器方框图MC2008年6月19日31南京大学计算机系3.2主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器l几种嵌入式处理器概览lARMlPowerPClArcalMIPS2008年6月19日32南京大学计算机系3.2.1ARM处理器处理器l下面介绍以下内容:lARM处理器lARM处理器应用lARM处理器实验平台2008年6月19日33南京大学计算机系ARM处理器简介处理器简介lARM 即Ad
17、vanced RISC Machines的缩写。lARM公司是设计公司,是知识产权(知识产权(IP:Intellectual Property)供应商,靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。l有30多家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议。lARM处理器的3大特点:l小体积、低功耗、成本低、高性能l16位32位双指令集l全球众多的合作伙伴2008年6月19日34南京大学计算机系ARM公司以知识产权核为主营公司以知识产权核为主营业务业务lIP核以三种形式存在。l硬核l软核l固核lARM公司研发的处理器核以上面的三种形式销售2008年6月19日35南京大学计算机系ARM公司的公司的
18、IP销售与服务销售与服务ARM公司大学/研究所/企业IC制造商OEM生产商图例:服务付款技术支持2008年6月19日36南京大学计算机系ARM发展简史发展简史l1985年4月26日,第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生,由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。l20世纪80年代后期,ARM很快开发成Acorn的台式机产品,形成英国的计算机教育基础。l1990年成立了Advanced RISC Machines Limited(简称ARM公司)。l20世纪90年代,ARM 32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围,占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领
19、先地位。2008年6月19日37南京大学计算机系ARM体系结构的扩充体系结构的扩充lARM 32位处理器体系结构是市场占有率高的32位嵌入式RISC微处理器结构l市场占有率大约为75%l所有ARM处理器共享同一个体系结构。lARM体系结构的扩充包括:lThumb:16位指令集,用以改善代码密度;lDSP:用于DSP应用的算术运算指令集;lJazeller:允许直接执行Java字节码的扩充。2008年6月19日38南京大学计算机系ARM处理器应用处理器应用lARM系列处理器提供的解决方案包括:l在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台l智能卡和SIM卡的安全应用l嵌入式系统教学实验设备l网络设备
20、:路由器、调制解调器等l移动电话、智能手机等2008年6月19日39南京大学计算机系ARM核的技术优势核的技术优势lARM核的优点包括:l引入新颖的称为Thumb的压缩指令格式,降低了小型系统的成本和电源消耗;lARM9、ARM10和StrongARM处理器系列的性能得到了显著提高;l具有先进的软件开发和调试环境;l基于ARM处理器核的芯片得到了广泛的嵌入式应用。2008年6月19日40南京大学计算机系ARM处理器系列产品概况处理器系列产品概况lARM处理器当前有6个产品系列:ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。lARM7、ARM9、ARM10和ARM
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- 嵌入式 系统 基础教程 03 处理器 典型 技术 主流
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