第2章 嵌入式系统硬件开发平台(新)

第2章嵌入式系统硬件开发平台嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院本章要点学习完本章读者将掌握如下内容：•1、嵌入式硬件的相关基础知识•2、嵌入式硬件平台基本组成•3、ARM系列微处理器简介•4、S3C2410及PXA270微处理器的结构嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2.1相关基础知识嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院1、微处理器•中央微处理器，简称CPU，它是计算机中最重要的一个部分，它决定嵌入式系统的主要功能特性。CPU又由运算器和控制器两大部分组成。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2、寄存器•所谓寄存器（register），是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用于暂时存放参与运算的数据和运算结果。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•寄存器是一种时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。寄存器是CPU内部的元件，寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•外部设备也有寄存器，是一种存储单元，其物理结构跟内存单元不一样，但作用跟内存单元一样，都能保存信息。在设计时，给外部设备的每个寄存器都分配一个地址，CPU可以根据地址访问某个寄存器，则该寄存器发生相应的动作：或接收数据总线上的数据（对应于写操作），或把自己的数据送到数据总线上（对应于读操作）。当CPU访问某个寄存器时，同一个外设的其他寄存器和其他外设的寄存器由于没有CPU的指令不会发生动作。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院3、总线•总线（BUS）是接口电路与CPU或者接口电路与I/O外部设备之间连接的主要形式，是各功能部件之间传送信息的公共通路。•采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各部件之间的通信线，这组公共信号线就称为总线。•总线主要由传输信息的物理介质和管理信息传输的协议组成。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院通信协议•通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。•（1）总线时序协议•（2）异步时序协议的握手协议•（3）总线仲裁方式•（4）总线标准嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院（1）总线时序协议•同步时序：•总线上所有事件共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制，所有事件都在时钟周期的开始发生。•异步时序：•操作由源或目的模块发出的特定信号确定。双方相互提供联络信号。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院（2）异步时序协议的握手协议•握手协议是总线异步时序的基本构件。•握手协议数据传送过程的4个周期：嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院（3）总线仲裁方式•对多个主设备提出的占用总线请求，必须在优先级或公平抢占的基础上进行仲裁。由中央仲裁器或设备的仲裁器根据优先级策略进行裁决。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院（4）总线标准•总线标准指的是通过总线将各个设备连接成一个系统所必须遵循的规范。•总线标准主要包括以下内容机械特性电气特性引脚功能特性协议（时序）特性嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院4、I/O端口•I/O端口又称为I/O接口，它是微处理器对外控制和信息交换的必经之路，是CPU与外部设备连接的桥梁，它在CPU与外部设备之间起信息转换和匹配的作用。I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制数信息，而并行I/O端口一次能传送一组二进制数信息。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•图2.3I/O接口电路的位置嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•CPU对外设I/O端口物理地址的编址方式有两种：•一种是I/O映射方式（I/O－mapped）；•另一种是内存映射方式（Memory－mapped）。•具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院5、中断•中断方式是指，当外部设备准备与CPU进行数据传输时，外部设备首先向CPU发出中断请求，CPU接收到中断请求并在一定条件下，暂时停止原来的程序并执行中断服务处理程序，执行完毕以后再返回原来的程序继续执行。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院图2.4中断处理的各个阶段嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院6、数据编码•设用微处理器控制一串彩灯（发光二极管）的亮灭。如图2.4所示。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•我们设不发光的口线（高电平）为1，发光的口线（低电平）为0。•当彩灯L1发光时，PD0口线为低电平，而其余口线均为高电平。则可以表示为以下对应值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD011111110用二进制数表示为：11111110。用十六进制编码，其值为：FEH。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•再如，要彩灯L8发光，其余均不发光，则有：•用二进制数表示为：01111111。•十六进制编码为：7FH。则可以表示为以下对应值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111111嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院•若希望两边亮，中间暗，则：•十六进制编码为：7EH。PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111110嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2.2嵌入式系统硬件平台嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院图2.5嵌入式系统硬件结构嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院1、嵌入式处理器•嵌入式处理器通常包括几个部分：处理器内核、地址总线、数据总线、控制总线、片上I/O接口电路及辅助电路（如时钟、复位电路等）。•嵌入式处理器可以分为3类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor，数字信号处理器），嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2、嵌入式系统中的存储设备（1）RAM、SRAM、DRAM•RAM即是我们通常所说的内存。RAM又可分为SRAM（静态存储器）和DRAM（动态存储器）。（2）Flash•Flash是一种非易失闪存，它具有和ROM一样掉电后数据不会丢失的特性。Flash是目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器，它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节编程，具有低功耗、高密度、小体积等优点。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院Flash分为NORFlash、NANDFlash两种。•NORFlash的特点是在芯片内执行，可以直接读取芯片内储存的数据，因而速度比较快。应用程序直接在Flash内运行，不必把代码读到系统RAM中运行。•NANDFlash不能直接在Flash内运行应用程序，需要将数据复制到RAM中运行。•NANDFlash的特点是容量大。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院3、JTAG接口•JTAG（JointTestActionGroup，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。嵌入式系统及其应用•我们经常用简易JTAG接口直接烧写嵌入式系统Flash存储器。这种烧写方式是通过一根并口电缆和一块信号转换集成电路板以建立PC机与开发板之间的通信。嵌入式系统及其应用2.3ARM微处理器体系嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2.3.1ARM公司及ARM体系结构嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院常见嵌入式处理器内核ARM（ARM7/ARM9/ARM10）XScalePOWERPCCOLDFIRE/M68KMIPSX86嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院在32位RISC芯片中占据了领导地位。合作伙伴包括了许多世界顶级的半导体公司嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院AT91RM9200PXA255/270S3C2410/2440i.MXL/MX21LPC2000/3000嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院使用ARM处理器的优势第一，ARM技术本身具有很高的性能和功效；第二，由于ARM的合作伙伴众多，可以方便的获取更多的第三方工具、制造和软件支持，从而降低产品成本，缩短上市周期，提高竞争力。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院目前ARM技术在许多领域已经取得或正在取得很大的成功：无线设备蓝牙技术宽带网络消费电子汽车电子海量存储设备成像产品安全产品嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院1、ARM公司简介•ARM（AdvancedRISCMachines），既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。•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。重庆大学电气工程学院嵌入式系统及其应用2、ARM微处理器体系•－ARM7系列•－ARM9系列•－ARM9E系列•－ARM10E系列•－SecurCore系列•－Inter的Xscale•－Inter的StrongARM嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院3、哈佛总线体系结构图2.8冯·诺依曼结构图2.9哈佛结构嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院4、ARM微处理器的特点•（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；•（2）支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8/16位器件；•（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；•（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；•（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；•（6）指令长度固定。重庆大学电气工程学院嵌入式系统及其应用ARM芯片不但具有RISC体系的一般特点，如：具有大量的寄存器。绝大多数操作都在寄存器中进行，通过Load/Store的体系结构在内存和寄存器之间传递数据。寻址方式简单。采用固定长度的指令格式。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院而且ARM体系还采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量减小芯片的体积，降低芯片的功耗。这些技术包括：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。MOVR0，R1，LSL#3//R0=R13使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处理。LDRR0，[R1，R2，LSL#2]//将内存单元（R1+（R22)）中的数据读取到R0中，同时R1=R1+（R22)嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院Load/Store指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率。STMIAR1！，{R3-R9}//将R3~R9的数据存储到R1指向的地址上，每次传送后R1的值加4所有指令都可以根据前面指令执行的结果，决定是否执行，以提高指令执行的效率。CMPR0，R1；比较R0和R1的大小SUBGTR0，R0，R1；if（R0R1）R0=R0-R1SUBLTR1，R1，R0；if（R0R1）R1=R1-R0嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2.4微处理器的结构嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2.4.1RISC体系结构和ARM设计思想重庆大学电气工程学院嵌入式系统及其应用1、RISC体系结构•在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令被反复使用，占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％。•RISC结构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；以控制逻辑为主。嵌入式系统及其应用重庆大学电气工程学院2、ARM设计思想•1、ARM微处理器被设计成较小的核，降低功耗，延长电源的使用时间。•2、存储量有限，这就要求嵌入式系统需要使用高密度代码。•3、嵌入式系统对成本敏感，一般选用速度不高，成本较低的存储器，以降低系统成本。•4、ARM内核不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为使它能够更好地适应其嵌入式的应用领域。•对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不单纯在于微处理器的速度，而在于系统性能、功