基于ARM的嵌入式系统设计与应用

目录摘要………………………………………………………………………………………1Abstract…………………………………………………………………………………1引言………………………………………………………………………………………11.ARM概述……………………………………………………………………………12.ARM微处理器概述…………………………………………………………………22.1ARM的体系结构………………………………………………………………22.2ARM微处理器的寄存器结构…………………………………………………22.3ARM微处理器的指令结构……………………………………………………32.4ARM微处理器产品简述………………………………………………………42.5ARM处理器的性能特征………………………………………………………42.6ARM的异常……………………………………………………………………43.ARM系统的设计……………………………………………………………………53.1硬件设计…………………………………………………………………………53.2软件设计与实现…………………………………………………………………54.ARM的前景…………………………………………………………………………6结论………………………………………………………………………………………7参考文献………………………………………………………………………………71基于ARM的嵌入式系统设计与应用姓名：学号：单位：专业：指导老师：职称：摘要：本文介绍了嵌入式产品中的主流处理器ARM的体系结构、寄存器结构等，并对ARM系统软件和硬件开发进行了简要介绍，还对ARM的发展前景进行了展望。关键词：ARM；嵌入式系统；前景DesignandApplicationoftheEmbeddedSystembasedontheARMAbstract:Thisarticleintroducedarchitecture,registersofmainstreamprocessorsARMinembeddedproducts,anddevelopmentofARMsystemsoftwareandhardware,thentookabriefintroductiontotheprospectsoftheARMforthefuture.Keywords:ARM；Embeddedsystem；Prospect引言21世纪是信息时代，我们已经进入信息技术和网络技术高速发展的后时代，嵌入式产品正越发广泛地被应用于日常生活、消费电子、军事国防、仪器仪表、网络通信、工业控制等各个领域，在人们生产生活的方方面面扮演越来越重要的角色。而在嵌入式系统中，32位嵌入式处理器——ARM占据了绝对的主流地位，ARM处理器核由于其卓越的性能和显著的优点，已成为高性能、低功耗、低成本嵌入式处理器的代名词。本文就ARM技术的发展以及其微处理器作了介绍，并且对ARM的主要设计和应用进行了介绍。1.ARM概述ARM(AdvancedRISCMachines)，既可认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的通称，还可认为是一种技术的名字。1990年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权IP核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用占据了32位RISC微处理器70%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯2片[1]。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。2.ARM微处理器概述2.1ARM的体系结构ARM内核最大的优势在于高速度、低功耗，这主要归功于被公认是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构——ARM体系结构。目前我们的处理器阵营中分为CISC和RISC两大系列，CISC是复杂指令集处理器，这种处理器每条指令可以执行比较多的复杂操作，而且指令长度不定。RISC处理器种类比较多，指令长度固定，执行周期固定，从微控制器、MIPS、ARM、Alpha、PowerPC、SPARC和SuperH等。ARM是目前应用最广泛的一套指令系统，支持多任务，只要是超出单片机能力、x86又太浪费的场合大部分都用ARM。90%的智能手机都是ARM处理器。到目前为止，RISC体系结构也还没有严格的定义，一般认为，RISC体系结构在专用微处理器领域要比传统的CISC结构有很大的优势。RISC体系结构具有如下特点：（1）采用统一和长度固定的指令域，基本寻址方式有2~3种；（2）采用单周期指令，便于流水线操作的执行；（3）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/存储指令可以访问寄存器，以提高指令的执行效率。ARM体系结构除了具备上述典型的RISC结构特性以外，还采用了一些特别的技术，以保证使其在高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：（1）所有的指令都支持条件执行，即可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率；（2）可用加载、存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；（3）可在一条数据处理中使用地址的自动增减来提高运行效率，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。2.2ARM微处理器的寄存器结构ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组，这些寄存器包括：－31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。－6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，3目前只使用了其中的一部分。通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：(1)未分组寄存器R0～R7：在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。(2)分组寄存器R8～R14：对于分组寄存器，他们每一次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关。(3)程序计数器PC(R15)：寄存器R15用作程序计数器(PC)。同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：用户模式(usr)：ARM处理器正常的程序执行状态；快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理；外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理；管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式；数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务；未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真；除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式(PrivilegedModes)；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式(ExceptionModes)，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况[2]。2.3ARM微处理器的指令结构ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集4为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点[3]。2.4ARM微处理器产品简述ARM处理器核当前有6个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、Secur-Core以及最新的ARM11系列，另外还有公司的XScale微体系结构和StrongARM产品。其中ARM7是低功耗的32位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TD-MI、ARM7-TDMI-S，以及适用于开发平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等[4]。2.5ARM处理器的性能特征ARM7TDMI处理器是ARM7处理器系列成员之一，是目前应用最广32位高性能嵌入式RISC处理器。下面以ARM7TDMI为例，介绍ARM芯片的性能特征：(1)指令流水线ARM7TDMI使用流水线以提高处理器指令的流动速度。(2)存储器访问ARM7TDMI核是冯·诺依曼体系结构，使用单一的32位数据总线传送指令和数据。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。(3)存储器接口ARM7TDMI的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。ARM7TDMI有4种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期。(4)嵌入式ICE-RT逻辑嵌入式ICE-RT逻辑为ARM7TDMI核提供了集成的在片调试支持。可以使用嵌入式工ICE-RT逻辑来编写断点或观察断点出现的条件[5]。2.6ARM的异常当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。ARM体系结构中的异常，与8位/16位体系结构的中断有很大的相似之处，但异常与中断的概念并不完全等同。ARM体系结构所支持的异常类型ARM体系结5构所支持的异常：复位、未定义指令、软件中断、指令预取中止、数据中止、IRQ(外部中断请求)、FRQ(快速中断请求)。3.ARM系统的设计3.1硬件设计硬件系统是整个嵌入式系统的基础，只有先设计并调试好硬件系统才能在此基础上进行后续开发。由于嵌入式系统应用的领域不同，相应的硬件选择也会各不相同。3.1.1ARM芯片的选择标准ARM处理器是一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，由ARM公司设计，然后授权给各半导体厂商，目前己成为应用最为广泛的嵌入式处理器。ARM系列处理器主要有ARM7、ARM9、ARM9E和ARM104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足不同应用领域的需求，其中又以ARM7和ARM9两个系列使用的最为广泛。ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7微处理器系列主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。ARM9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，具有更高的指令和数据处理能力，其主频最高可达300MIPS。其性能较ARM7系列有较大提升，但价格也相对更高[6]。3.1.2硬件平台设计根据系统体系结构设计的嵌入式目标控制系统，进行硬件平台设计，选择嵌入式系统的处理器及常用的外围设备(如SDRAM、FLASH、RS-232串行口等)实现无缝连接，从而简化了外围电路的设计，降低了产品成本、体积和功耗.硬件设计也可以构成最小系统的设计。最小系统是指ARM能够稳定运行所需要的最基本的条件。同单片机一样，ARM最小系统也包括电源、时钟源、复位电路、代码和数据存放空间、合理的管脚设置以及必要的调试接口等要素，如图1所示。图1嵌入式最小系统硬件结构示意图63.2软件设计与实现3.2.1嵌入式软件的特点嵌入式软件(Firmwa