第3章 ARM体系架构14683.pptx

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1、课件设计人：赵艳红课件设计人：赵艳红第第第第3 3 3 3章章章章 ARMARMARMARM体系架构体系架构体系架构体系架构教师：赵艳红E-mail:重点内容：重点内容：n ARM微处理器简介微处理器简介n ARM微处理器系列微处理器系列n ARM编程模型编程模型n 嵌入式系统的软硬件框架嵌入式系统的软硬件框架n Edukit-III实验实验教学教学系统系统一、一、ARMARM微处理器简介微处理器简介ARM微处理器的发展 ARMARM可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字，类微处理器的通称，还可以认为是一

2、种技术的名字，全名是全名是Advanced RISC MachineAdvanced RISC Machine。该公司该公司19901990年年1111月成立于英国剑桥，主要出售芯片月成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权，是苹果电脑，设计技术的授权，是苹果电脑，AcornAcorn电脑集团和电脑集团和VLSI TechnologyVLSI Technology的合资企业。的合资企业。AcornAcorn曾推出世界上曾推出世界上首个商用单芯片首个商用单芯片RISCRISC处理器，而苹果电脑当时希望处理器，而苹果电脑当时希望将将RISCRISC技术应用于自身系统，技术应用于自身系统，ARMA

3、RM微处理器新标准微处理器新标准因此应运而生。因此应运而生。ARM微处理器的发展8080年代末年代末9090年代初，半导体行业产业链刚刚出现分工，台积年代初，半导体行业产业链刚刚出现分工，台积电，联电等半导体代工厂正悄悄崛起，美国硅谷中的一些电，联电等半导体代工厂正悄悄崛起，美国硅谷中的一些FablessFabless公司也如雨后春笋一样涌现出来，所谓的公司也如雨后春笋一样涌现出来，所谓的FablessFabless公公司自己设计芯片，但是生产过程则包给台积电等代工厂生产。司自己设计芯片，但是生产过程则包给台积电等代工厂生产。ARMARM更是为天下先，更是为天下先，1212年前首创了年前首创了

4、ChiplessChipless的生产模式，即的生产模式，即该公司既不生产芯片，也不设计芯片，而是设计出高效的该公司既不生产芯片，也不设计芯片，而是设计出高效的IPIP内核，授权给半导体公司使用，半导体公司在内核，授权给半导体公司使用，半导体公司在ARMARM技术的基技术的基础上添加自己的设计并推出芯片产品，最后由础上添加自己的设计并推出芯片产品，最后由OEMOEM客户采用客户采用这些芯片来构建基于这些芯片来构建基于ARMARM技术的系统产品。技术的系统产品。ARM微处理器的发展 ARMARM的核心业务是销售芯片核心技术的核心业务是销售芯片核心技术IPIP，目前全球有，目前全球有103103家

5、家巨型巨型ITIT公司在采用公司在采用ARMARM技术。技术。2020家最大的半导体厂商中有家最大的半导体厂商中有1919家是家是ARMARM的用户，包括德州仪器，意法半导体，的用户，包括德州仪器，意法半导体，Philips,Philips,IntelIntel等。等。唯一没有购买唯一没有购买ARMARM授权的是授权的是IntelIntel的老对头的老对头AMDAMD，因为，因为IntelIntel便便携式处理器采用的是携式处理器采用的是StrongARMStrongARM，而，而AMDAMD则收购了则收购了AlchemyAlchemy公公司与之抗衡，采用的是司与之抗衡，采用的是MIPSMIP

6、S结构。结构。ARM微处理器结构RISCuCISCCISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer，复杂，复杂指令集计算机）结构指令集计算机）结构uRISCRISC（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer，精简，精简指令集计算机）的概念，指令集计算机）的概念，RISCRISC体系结构应具有如下体系结构应具有如下特点：特点：n采用固定长度的指令格式，指令整齐、简单、基本寻址方式有2-3种；n使用单周期指令，便于流水线操

7、作执行；n大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。ARM微处理器的指令结构 ARMARM微处理器支持两种指令集：微处理器支持两种指令集：nARMARM指令集指令集：ARMARM指令为指令为3232位的长度位的长度nThumbThumb指令集指令集：ThumbThumb指令为指令为1616位长度位长度 Thumb Thumb指令集为指令集为ARMARM指令集的功能子集，但与等价的指令集的功能子集，但与等价的ARMARM代码相代码相比较，可节省比较，可节省30304040以上的存储空间，同时具备以上的存储空间，同时具备3232位代位代

8、码的所有优点。码的所有优点。ARM微处理器的特点 ARMARM微处理器采用微处理器采用RISCRISC架构，具有下列一些显著特点：架构，具有下列一些显著特点：n体积小、功耗低、成本低、高性能。体积小、功耗低、成本低、高性能。n支持支持ThumbThumb（1616位）位）/ARM/ARM（3232位）双指令集。位）双指令集。n具有大量的寄存器，因而指令执行速度快。具有大量的寄存器，因而指令执行速度快。n绝大多数操作都在寄存器中进行，通过绝大多数操作都在寄存器中进行，通过Load/StoreLoad/Store的的体系架构在内存和寄存器之间传递数据。体系架构在内存和寄存器之间传递数据。n寻址方式

9、简单。寻址方式简单。n采用固定长度的指令格式。采用固定长度的指令格式。ARM微处理器的特点u除此之外，除此之外，ARMARM体系还采用一些特别的技术用来保证体系还采用一些特别的技术用来保证芯片高性能的同时，尽可能减小芯片体积，降低芯芯片高性能的同时，尽可能减小芯片体积，降低芯片功耗。这些技术包括：片功耗。这些技术包括：n在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理。和移位处理。n使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处理。使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处理。nLoad/StoreLoad/Store指令可以批量传输数据，从而

10、提高数据传指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率。输的效率。n所有指令都可以进行分支预测功能，即根据前面指令所有指令都可以进行分支预测功能，即根据前面指令执行结果，决定是否执行，以提高指令的执行效率。执行结果，决定是否执行，以提高指令的执行效率。ARM微处理器的特点及应用 ARMARM微处理器及技术已经深入到各个领域，取得很大微处理器及技术已经深入到各个领域，取得很大的成功，到目前为止，的成功，到目前为止，ARM ARM 微处理器及技术的应用微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。几乎已经深入到各个领域。n无线通讯领域：无线通信领域是无线通讯领域：无线通信领域是ARMARM微处理器应

11、用最为微处理器应用最为广泛的领域之一，目前全球超过广泛的领域之一，目前全球超过8585的无线通讯设备的无线通讯设备都采用都采用ARMARM技术。比如手机、技术。比如手机、PDAPDA等设备中都有等设备中都有ARMARM技术技术的应用。的应用。n蓝牙技术：蓝牙技术：ARMARM已经为蓝牙技术的推广应用做好了准备，已经为蓝牙技术的推广应用做好了准备，像爱立信、英特尔、朗讯、阿尔卡特等像爱立信、英特尔、朗讯、阿尔卡特等2020多家公司的多家公司的元器件产品都采用了元器件产品都采用了ARMARM技术。技术。ARM微处理器的特点及应用n 网络应用领域：随着宽带技术的推广，采用网络应用领域：随着宽带技术的

12、推广，采用ARMARM技术技术的的ADSLADSL芯片组正逐渐取得竞争优势。芯片组正逐渐取得竞争优势。n消费类电子产品领域：消费类电子产品领域：ARMARM技术在数字音频领域、数字技术在数字音频领域、数字机顶盒和游戏机中得到广泛应用。另外，采用机顶盒和游戏机中得到广泛应用。另外，采用ARMARM技术技术的存储产品包括硬盘系列、微型闪存和可读写光盘等，的存储产品包括硬盘系列、微型闪存和可读写光盘等，已经投入生产。已经投入生产。n信息家电领域：现在很多数码相机、打印机都使用了信息家电领域：现在很多数码相机、打印机都使用了ARMARM技术，另外，汽车上包括驾驶、安全和车载娱乐等技术，另外，汽车上包括

13、驾驶、安全和车载娱乐等各种功能都可以使用各种功能都可以使用ARMARM微处理器来完成。微处理器来完成。二、二、ARMARM微处理器系列微处理器系列 下面所列的是下面所列的是ARMARM微处理器的几个系列，以及其他厂微处理器的几个系列，以及其他厂商基于商基于ARMARM体系结构的处理器，这些处理器除了具体系结构的处理器，这些处理器除了具有有ARMARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARMARM微处理器都有各自的特点和应用领域。微处理器都有各自的特点和应用领域。ARM7 ARM7系列系列 ARM9 ARM9系列系列 ARM9E ARM9E系列系列 ARM1

14、0E ARM10E系列系列 ARM11 ARM11系列系列 SecurCore SecurCore系列系列 Inter Inter的的XscaleXscale Inter Inter的的StrongARMStrongARM二、二、ARMARM微处理器系列微处理器系列 ARM7 ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10和和ARM11ARM11为为4 4个通用处理个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。足不同应用领域的需求。如如SecurCoreSecurCore系列专门为安全要求较高的应

15、用而设系列专门为安全要求较高的应用而设计。计。ARM7系列uARM7ARM7系列微处理器为低功耗的系列微处理器为低功耗的3232位位RISCRISC处理器，最处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7ARM7微处理器系列具有如下特点：微处理器系列具有如下特点：n具有嵌入式具有嵌入式ICEICERTRT逻辑，调试开发方便；逻辑，调试开发方便；n极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；产品；n能够提供能够提供0.9MIPS/MHz0.9MIPS/MHz的三级流水线结构；的三级流水线

16、结构；n代码密度高并兼容代码密度高并兼容1616位的位的ThumbThumb指令集；指令集；n对操作系统的支持广泛，包括对操作系统的支持广泛，包括Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等；等；n指令系统与指令系统与ARM9ARM9系列、系列、ARM9EARM9E系列和系列和ARM10EARM10E系列兼容，系列兼容，便于用户的产品升级换代；便于用户的产品升级换代；n主频最高可达主频最高可达130MIPS130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。大多数的复杂应用。ARM7系列uARM7ARM7系列

17、微处理器的主要应用领域为：工业控制、系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、InternetInternet设备、网络和调制解调器设备、移动电话设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。等多种多媒体和嵌入式应用。uARM7ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMIARM7TDMI、ARM7TDMI-SARM7TDMI-S、ARM720TARM720T、ARM7EJARM7EJ。其中，。其中，ARM7TMDIARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的3232位嵌入式位嵌入式RISCRISC处理处理器，属低端器，属低端

18、ARMARM处理器核。处理器核。TDMITDMI的基本含义为：的基本含义为：nT：支持16位压缩指令集Thumb；nD：支持片上Debug；nM：内嵌硬件乘法器（Multiplier）；nI：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。ARM9系列 ARM9ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：最佳的性能。具有以下特点：n5 5级整数流水线，指令执行效率更高；级整数流水线，指令执行效率更高；n提供提供1.1MIPS/MHz1.1MIPS/MHz的哈佛结构；的哈佛结构；n支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位

19、位ThumbThumb指令集；指令集；n支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口；总线接口；n全性能的全性能的MMUMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多等多种主流嵌入式操作系统；种主流嵌入式操作系统；nMPUMPU支持实时操作系统；支持实时操作系统；n支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据，具有更高的指令和数据处理能力。处理能力。ARM9系列uARM9ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统

20、、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。字摄像机等。uARM9ARM9系列微处理器包含系列微处理器包含ARM920TARM920T、ARM922TARM922T和和ARM940TARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。ARM9E系列ARM9EARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、核提供了微控制器、DSPDSP、JavaJava应用系统的解决方案，极大应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。地减少了芯片

21、的面积和系统的复杂程度。ARM9EARM9E系列微处理器提供了增强的系列微处理器提供了增强的DSPDSP处理能力，很适合于那处理能力，很适合于那些需要同时使用些需要同时使用DSPDSP和微控制器的应用场合。和微控制器的应用场合。ARM9ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9EARM9E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM926EJ-SARM926EJ-S、ARM946E-SARM946E-S和和ARM966E-ARM966E

22、-S S 三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。ARM9E系列uARM9EARM9E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：n支持支持DSPDSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；n5 5级整数流水线，指令执行效率更高；级整数流水线，指令执行效率更高；n支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集；指令集；n支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口；总线接口；n支持支持VFP9VFP9浮点处理协处理器；浮点处理协处理器；n全性能的全性能的MM

23、UMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多等多种主流嵌入式操作系统；种主流嵌入式操作系统；nMPUMPU支持实时操作系统；支持实时操作系统；n支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据，具有更高的指令和数据处理能力；处理能力；n主频最高可达主频最高可达300MIPS300MIPS。ARM10E系列ARM10EARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的了新的体系结构，与同等的ARM9ARM9

24、器件相比较，在同样的时钟器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近频率下，性能提高了近50%50%，同时，同时，ARM10EARM10E系列微处理器采系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10EARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM10EARM10E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM1020EARM1020E、ARM1022EARM1022E和和ARM1026EJ-AR

25、M1026EJ-S S 三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。ARM10E系列 ARM10EARM10E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：n支持支持DSPDSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；n6 6级整数流水线，指令执行效率更高；级整数流水线，指令执行效率更高；n支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集；指令集；n支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口；总线接口；n支持支持VFP10VFP10浮点处理协处理器；浮点处理协处理器

26、；n全性能的全性能的MMUMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多等多种主流嵌入式操作系统；种主流嵌入式操作系统；n支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据，具有更高的指令和数据处理能力；处理能力；n主频最高可达主频最高可达400MIPS400MIPS；n内嵌并行读写操作部件。内嵌并行读写操作部件。ARM11系列 ARM11ARM11系列微处理器内核采用系列微处理器内核采用ARMV6TARMV6T结构，时钟频率结构，时钟频率533MHz533MHz，功耗为，功耗为200m

27、W,200mW,采用八级流水线，支持矢量采用八级流水线，支持矢量化中断，中断速度提高化中断，中断速度提高3 3倍。主要特点如下：倍。主要特点如下：n带可配置指令和数据高速闪存的存储系统，外加带专带可配置指令和数据高速闪存的存储系统，外加带专用用DMADMA的高速本地存储器，以加强实时数据处理能力；的高速本地存储器，以加强实时数据处理能力；n采用八级整数流水线结构，带两个周期的高速闪存访采用八级整数流水线结构，带两个周期的高速闪存访问，可实现高频工作；问，可实现高频工作；n四个高速四个高速6464位系统片上连接，为数据和指令提供足够位系统片上连接，为数据和指令提供足够的带宽；的带宽；n存储器管理

28、单元支持存储器管理单元支持WindowsWindows、OSOS、WindRiverWindRiver和和LinuxLinux操作系统；操作系统；n得到得到ARM RealViewARM RealView开发解决方案支持。开发解决方案支持。ARM11系列ARM RealViewARM RealView开发解决方案由开发解决方案由RealViewRealView编辑工具、编辑工具、RealViewRealView调试工具、调试工具、RealView ICERealView ICE和和RealViewTraceRealViewTrace组成。组成。ARM11ARM11系列主要用于消费电子、无线和网

29、络应用领域，系列主要用于消费电子、无线和网络应用领域，如如STBSTB、数码相机、数码相机、3G3G移动电话、移动电话、VoIPVoIP基础设备、宽基础设备、宽带调制解调器、带调制解调器、WLANWLAN介入设备和安全设备等。介入设备和安全设备等。ARM11ARM11系列处理器包含系列处理器包含ARM1136J-SARM1136J-S和和ARM1136JF-SARM1136JF-S两种类型，两种类型，以适用于不同的应用场合。以适用于不同的应用场合。ARMCore系列uSecurCoreSecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的了完善的32

30、32位位RISCRISC技术的安全解决方案，因此，技术的安全解决方案，因此，SecurCoreSecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARMARM体系结构的低体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有独特的优势，即提功耗、高性能的特点外，还具有独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。供了对安全解决方案的支持。uSecurCoreSecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARMARM体系结构各种体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的带有灵活的保护单元，以确

31、保操作系统和应用数据的安全；安全；采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。ARMCore系列uSecurCoreSecurCore系列微处理器主要用于一些对安全性要求系列微处理器主要用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。uSecurCoreSecurCore系列微处理器包含系列微处理器包含SecurCore SC100Sec

32、urCore SC100、SecurCore SC110SecurCore SC110、SecurCore SC200SecurCore SC200和和SecurCore SecurCore SC210 SC210 四种类型，以适用于不同的应用场合。四种类型，以适用于不同的应用场合。StrongARM系列Inter StrongARM SA-1100Inter StrongARM SA-1100处理器是采用处理器是采用ARMARM体系结构高度集体系结构高度集成的成的3232位位RISCRISC微处理器。它融合了微处理器。它融合了InterInter公司的设计和处理公司的设计和处理技术，以及技术

33、，以及ARMARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4ARMv4体系结构、同时采用具有体系结构、同时采用具有IntelIntel技术优点的体系结构。技术优点的体系结构。Intel StrongARMIntel StrongARM处理器是便携式通信产品和消费类电子产处理器是便携式通信产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。Xscale系列Xscale Xscale 处理器是基于处理器是基于ARMv5TEARMv5TE体系结构的解决方案，是一款体系结构的解决方案，是一

34、款性能全、性价比高、功耗低的处理器。它支持性能全、性价比高、功耗低的处理器。它支持1616位的位的ThumbThumb指令和指令和DSPDSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。和网络产品等场合。Xscale Xscale 处理器是处理器是IntelIntel目前主要推广的一款目前主要推广的一款ARMARM微处理器。微处理器。三、三、ARMARM编程模型编程模型 所谓所谓编程模型编程模型，指的是开发人员在软件编程时对象，指的是开发人员在软件编程时对象的特点。的特点。ARMARM编程模型编程模型，也就是，也就是ARMARM的体系结

35、构的特点。的体系结构的特点。CPU内核架构ARM硬件架构ARMARM芯片的内核一般包括以下几个单元：芯片的内核一般包括以下几个单元：ARM9 TDMI32 RISCARM9 TDMI32 RISC处理器、处理器、数据缓存器（数据缓存器（Data CacheData Cache）、）、指令缓存（指令缓存（Instruction CacheInstruction Cache）、）、指令存储管理单元（指令存储管理单元（Instruction MMUInstruction MMU）、）、数据存储管理单元（数据存储管理单元（Data MMUData MMU）、）、写缓冲（写缓冲（Write Buffer

36、Write Buffer）回写存储单元（回写存储单元（Write Back PA TAG RAMWrite Back PA TAG RAM）。）。这些部件单元通过这些部件单元通过AMBAAMBA总线（总线（AMBA BusAMBA Bus）相互传输）相互传输数据以实现指令和数据的并行处理。数据以实现指令和数据的并行处理。ARM硬件架构除此之外，还包括四个与外界进行数据交换的接口：除此之外，还包括四个与外界进行数据交换的接口：总线接口（总线接口（AMBA Bus InterfaceAMBA Bus Interface）、）、扩展协处理器接口（扩展协处理器接口（External Coprocess

37、or External Coprocessor InterfaceInterface）、）、跟踪接口（跟踪接口（Trace InterfaceTrace Interface）JTAG JTAG 它们可以连接它们可以连接DMADMA控制器、控制器、UARTUART、USBUSB、中断控制器、中断控制器和电源管理器等。和电源管理器等。核心通过与外围部件共同工作完成整个嵌入式系统核心通过与外围部件共同工作完成整个嵌入式系统的正常数据处理任务。的正常数据处理任务。ARM微处理器模式uARMARM微处理器的运行模式有微处理器的运行模式有7 7种，分别为：种，分别为：n用户模式（用户模式（UserUser

38、，usrusr）：正常程序执行时，：正常程序执行时，ARMARM处理处理器所处的状态。器所处的状态。n快速中断模式（快速中断模式（FIQ,fiqFIQ,fiq）：用于快速数据传输和通道：用于快速数据传输和通道处理。处理。n外部中断模式（外部中断模式（IRQ,irqIRQ,irq）：用于通常的中断处理。：用于通常的中断处理。n特权模式（特权模式（SupervisorSupervisor，svesve）：供操作系统使用的一：供操作系统使用的一种保护模式。种保护模式。n数据访问中止模式（数据访问中止模式（Abort,abtAbort,abt）：当数据或指令预取：当数据或指令预取终止时进入该模式，用于

39、虚拟存储及存储保护。终止时进入该模式，用于虚拟存储及存储保护。n未定义指令终止模式（未定义指令终止模式（UndefinedUndefined，undund）：用于支持：用于支持硬件协处理器软件仿真。硬件协处理器软件仿真。n系统模式（系统模式（SystemSystem，syssys）：用于运行特权级的操作系：用于运行特权级的操作系统任务。统任务。ARM微处理器模式 通常情况下，应用程序运行在通常情况下，应用程序运行在用户模式用户模式下，这时应下，这时应用程序不能访问一些受操作系统保护的系统资源，用程序不能访问一些受操作系统保护的系统资源，同时应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。同时应用程序也

40、不能直接进行处理器模式的切换。ARM寄存器uARMARM处理器共有处理器共有3737个寄存器个寄存器:3131个为通用寄存器个为通用寄存器，6 6个状态寄存器个状态寄存器，这些寄存器都是这些寄存器都是3232位。位。uARMARM处理器运行在每一种模式下时，都会使用属于处理器运行在每一种模式下时，都会使用属于自己的一组寄存器组。自己的一组寄存器组。通常包括：通常包括：1515个通用寄存器（个通用寄存器（R0-R14R0-R14）、一个或两一个或两个状态寄存器及程序计数器（个状态寄存器及程序计数器（PCPC）。每一种模式下的寄存器组是部分重叠的。每一种模式下的寄存器组是部分重叠的。ARM寄存器通

41、用寄存器u通用寄存器中：通用寄存器中：R0R7R0R7是所有处理器模式共用的一组寄存器，也就是所有处理器模式共用的一组寄存器，也就是说，在从一种模式切换到另一种模式时，必须保是说，在从一种模式切换到另一种模式时，必须保存它们的值。存它们的值。R8R14R8R14为为备份寄存器备份寄存器，其中对于，其中对于R8R12R8R12来说，每一来说，每一个寄存器对应两个不同的个寄存器对应两个不同的物理寄存器物理寄存器，R13R13和和R14R14对对应应6 6个个不同的物理寄存器。不同的物理寄存器。R13 R13通常用做通常用做堆栈指针堆栈指针，采用下面的记号来区分各，采用下面的记号来区分各个物理寄存器

42、：个物理寄存器：nR13_R13_n取下列几个值：取下列几个值：usrusr、svcsvc、abtabt、undund、irqirq及及fiqfiq。通用寄存器R14R14寄存器有两种特殊的作用：寄存器有两种特殊的作用：n用户模式下用户模式下，R14R14用做用做链接寄存器（链接寄存器（LRLR），），存存放子程序被调用时的返回地址。放子程序被调用时的返回地址。n异常处理模式下异常处理模式下，R14R14用来保存异常的返回地用来保存异常的返回地址。址。R15R15为为程序计数器程序计数器，又被记做，又被记做PCPC。PC PC的值为当前指令地址的值加的值为当前指令地址的值加8 8个字节，也就是

43、说，个字节，也就是说，PCPC指向当前指令的下两条指令的地址。指向当前指令的下两条指令的地址。程序状态寄存器u在在ARMARM处理器中，处理器中，程序状态寄存器用程序状态寄存器用来保存程序执来保存程序执行时的各种状态值，包括行时的各种状态值，包括条件标志位条件标志位、中断禁止位中断禁止位、当前处理器模式标志当前处理器模式标志和其它一些位。和其它一些位。u程序状态寄存器程序状态寄存器分为分为CPSRCPSR（程序状态寄存器（程序状态寄存器）和和SPSRSPSR（备份程序状态寄存器）（备份程序状态寄存器）两种类型。两种类型。在任何一种处理器模式下，都会有一个共用的在任何一种处理器模式下，都会有一个

44、共用的CPSRCPSR；另外异常模式下还会有一个专用的另外异常模式下还会有一个专用的SPSRSPSR。当异常发。当异常发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容，当退出异常处理时，再把内容，当退出异常处理时，再把SPSRSPSR中的值恢复到中的值恢复到CPSRCPSR中。中。四四、嵌入式系统的软硬件框架、嵌入式系统的软硬件框架五、五、Edukit-IIIEdukit-III实验实验教学教学系统系统5.1 ARM嵌入式开发模式目标机目标机/宿主机（或称下位机宿主机（或称下位机/上位机）开发模式上位机）开发模式n宿主机需要运行一些软件进行程序编辑

45、、编译宿主机需要运行一些软件进行程序编辑、编译和调试等功能，这些软件通常称为集成开发环和调试等功能，这些软件通常称为集成开发环境（境（IDEIDE）。）。五、五、Edukit-IIIEdukit-III实验实验教学教学系统系统5.2 Edukit-III实验教学模型RealView MDK RealView MDK 集成开发环境集成开发环境PCPC机机Ulink2Ulink2仿真器仿真器EdukitEdukit实验教学箱实验教学箱5.3 Embest EduKit-III 实验箱uEmbest EduKit-IIIEmbest EduKit-III 开发板是实验箱的主要硬件平开发板是实验箱的主

46、要硬件平台，它是英蓓特公司开发的一款全功能台，它是英蓓特公司开发的一款全功能ARMARM开发板，开发板，基于基于SamsungSamsung公司的公司的S3C2410S3C2410处理器处理器，资源丰富。，资源丰富。u开发板硬件系统包含了嵌入式系统开发应用所需的开发板硬件系统包含了嵌入式系统开发应用所需的大部分设备，如串口、以太网口、大部分设备，如串口、以太网口、USB USB 口、音频输口、音频输出、出、LCD LCD 及及TSP TSP 触摸屏、触摸屏、5*4 5*4 的小键盘、固态硬盘、的小键盘、固态硬盘、大容量的大容量的Flash Flash 和和SDRAM SDRAM 等等。等等。u

47、用户不仅可以在该硬件平台上完成实验系统提供的用户不仅可以在该硬件平台上完成实验系统提供的实验例子，还可以参考该平台设计自己的目标系统。实验例子，还可以参考该平台设计自己的目标系统。5.3 Embest EduKit-III 实验箱 实验箱提供实验箱提供ARMARM开发板开发板、直通网线直通网线、USB USB 线线，串口线串口线，并口线并口线、JTAG JTAG 线线、ULINKULINK、触摸屏触摸屏、自定义键盘自定义键盘。Edukit-III教学实验箱的组成Embest EduKit-III 开发板的基本构成电源：外部电源：外部5V 5V 电源供电电源供电2MB Nor Flash2MB

48、Nor Flash8MB SDRAM8MB SDRAM4Kbit IIC BUS 4Kbit IIC BUS 的串行的串行EEPROM(AT24C04,EEPROM(AT24C04,在基板在基板上上)2 2 个串口个串口复位开关复位开关两个中断按钮，两个两个中断按钮，两个LEDLED外部外部IDE IDE 硬盘接口硬盘接口 LCD LCD 及及TSP TSP 触摸屏接口触摸屏接口 20 20 针针JTAG JTAG 接口接口 USB USB 连接器连接器 44 44 键盘接口键盘接口 4 4 个个220PIN CPU 220PIN CPU 扩展接口扩展接口 10M 10M 以太网接口以太网接口

49、 8 8 段数码管段数码管 MICROPHONE MICROPHONE 输入口输入口 IIS IIS 音频信号输出口，可接双音频信号输出口，可接双 声道声道SPEAKERSPEAKER NAND Flash NAND Flash 16M8bit(K9F2808 16M8bit(K9F2808，在基板上)320*240 320*240 带触摸功能的显示屏带触摸功能的显示屏常见的嵌入式系统存储设备（1 1）RAMRAM（随机存储器）（随机存储器）RAM RAM可以被读和写，地址可以以任意次序被读。可以被读和写，地址可以以任意次序被读。常见常见RAMRAM的种类有的种类有SRAMSRAM（Stati

50、c RAMStatic RAM，静态随机存，静态随机存储器）储器）、DRAMDRAM（Dynamic RAMDynamic RAM，动态随机存储器），动态随机存储器）、DDRAMDDRAM（Double Data Rate SDRAMDouble Data Rate SDRAM，双倍速率随机，双倍速率随机存储器）存储器）。其中，其中，SRAMSRAM比比DRAMDRAM运行速度快，运行速度快，SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多，耗电多，DRAMDRAM需要周期性刷新。而需要周期性刷新。而DDRAMDDRAM是是RAMRAM的下一代产品。的下一代产品。常见的嵌入式系统存储设备（2 2）R