嵌入式ARM 培训教材

嵌入式ARM培训教材第1版1嵌入式ARM培训教材--打造华南最大的嵌入式培训基地---为企业培养最尖端的技术人才----为个人提供最优质的培训服务广东省嵌入式软件公共技术中心()联系电话：[phone]/829/846联系地址：中国.广州科学城彩频路11号D栋6楼主讲老师：冯宝祥嵌入式ARM培训教材第1版2第一章嵌入式微处理器概述概述：1.嵌入式系统概念嵌入式系统：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统组成：(1)硬件：微处理器、存储器、I/O接口和输入输出设备。(2)软件：EmbeddedRTOS（Real－TimeOperatingSystem）、应用软件。图嵌入式系统的硬件组成嵌入式ARM培训教材第1版3图两类不同的嵌入式系统结构模型2.嵌入式系统的特性A硬件特性{体积小、集成效率高。{面向特定的应用。{功耗低、电磁兼容性好。B软件特性{嵌入式软件的开发与硬件紧密相关。{软件代码要求高效率和高可靠性。{软件一般固化在Flash或Rom中。{软件系统具有高实时性。{一般采用C语言开发。嵌入式ARM培训教材第1版4图嵌入式系统的软/硬件框架3.嵌入式系统设计流程嵌入式系统设计流程：1.需求分析2.体系结构设计3.硬件的设计、制作及测试4.软件的设计、实现及测试5.系统集成6.系统性能测试及可靠性测试嵌入式ARM培训教材第1版51.1嵌入式微处理器的种类嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件的核心、运行嵌入式系统的系统软件和应用软件。嵌入式微处理器含有：a、处理器内核。b、地址总线。c、数据总线。d、控制类总线。e、处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位电路等。f、片上I/O接口电路。内核：MIPSCore：只设计内核的一家美国公司ARMCore：只设计内核的一家英国公司PowerPCCore：IBM&Motorola68K/ColdFire：Motorola嵌入式微处理器的种类：(1)68K/Coldfire嵌入式ARM培训教材第1版6zMC683XX:如：MC68360，内部集成了微处理器和一些控制领域的常用外围组件。主要应用于集线器，调制解调器，网桥和网关等通信领域。zMCF5XXX：如：MCF5272主要应用于互联网设备、LAN电话技术、低端网络控制、工业控制、图像和存储等领域。(2)PowerPCzPowerPC内核被Motorola用于嵌入式领域，至今，已经形成在通信领域用得昀广泛得处理器内核。该内核被Motorola设计到SOC芯片之中，形成了一个巨大得嵌入式处理器家族。z中兴、华为等在其通信产品中大量采用PowerPC的系列处理器。MPC860和MPC8260石其昀经典的两款PowerPC内核的嵌入式处理器。(3)MIPSMIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。嵌入式系统开发的要素：z计算机体系结构基础知识z数字逻辑电路设计知识zC/C++编程知识zTCP/IP网络知识1.2嵌入式微处理器的特点嵌入式处理器和通用处理器比较：z价格便宜z特定的功能z体积小z能耗低z使用方便1.3ARM处理器的特点zARM的含义：英文缩写为AdvancedRISCMachine。zARM是一种通用的32位RISC处理器{32位是指处理器的数据总线是32位的，相比16位的同频处理器性能更加强大。{RISC是一种指令集，也指采用该指令集的处理器，英文缩写：ReducedInstructionSet嵌入式ARM培训教材第1版7Computer,代码效率高。zARM是一种功耗很低的高性能处理器{例如：ARM7TDMI具有每瓦产生690MIPS的能力，已被证明在工业界处于领先水平zARM公司并不生产芯片，而是将ARM的技术授权给其它公司生产芯片。{ARM本质上并不是一种芯片，而是一种芯片结构技术，不涉及到芯片生产工艺。{授权生产ARM芯片的公司采用不同的半导体技术，面对不同的应用进行扩展和集成，标有不同系列号。zARM是一种可扩展、可移植、可集成的处理器。1、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持Thumb（16位）和ARM（32位）双指令集；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；7、对操作系统的支持广泛。1.4ARM处理器的应用领域z嵌入式控制：汽车、电子设备、保安设备、大容量存储器、调制解调器、打印机。z数字消费产品：数码相机、数字式电视机、游戏机、GPS、机顶盒、MP4。z便携式产品：手提式计算机、移动电话、PDA、灵巧电话z网络设备：VOIP、Wireless、xDSL1.5ARM处理器系列(1)ARM7系列微处理器ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种嵌入式应用。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。zT：支持16为压缩指令集Thumb；嵌入式ARM培训教材第1版8zD：支持片上Debug；zM：支持长乘法指令；zI：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；zS：可综合（synthesizable）；zE：支持增强的DSP指令；zJ：支持java加速器Jazelle.特点：z能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。z主频昀高可达130MIPS(2)ARM9系列微处理器主要应用无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。特点：z5级整数流水线，指令执行效率更高。z提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。z全性能的MMU。z支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据。z处理能力。(3)ARM9E系列微处理器ARM9E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。ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。特点：z支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。z5级整数流水线，指令执行效率更高。z支持VFP9浮点处理协处理器。z全性能的MMU，支持多种主流嵌入式操作系统。z主频昀高可达300MIPS。嵌入式ARM培训教材第1版9(4)ARM10E系列微处理器ARM10E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。ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。特点：z6级整数流水线，指令执行效率更高z支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合z支持VFP10浮点处理协处理器z全性能的MMU，支持多种主流嵌入式操作系统。z主频昀高可达400MIPSz具有极低的功耗(5)SecurCore系列微处理器SecurCore系列微处理器主要应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、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。SecurCore系列微处理器包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四种类型，以适用于不同的应用场合。特点：z提供了对安全解决方案的支持z带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全z采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测z可集成用户自己的安全特性和其他协处理器(6)StrongARM处理器与Xscale处理器zStrongARM处理器系列IntelStrongARMSA-1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。IntelStrongARM处理器是便携式通讯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。zXscale处理器嵌入式ARM培训教材第1版10Xscale处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP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。Xscale处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。第二章ARM体系结构2.1ARM处理器模式ARM微处理器支持7种运行模式：z用户模式（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态。z快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理。z外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理。z管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。z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。z系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。z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。改变ARM处理器工作模式的方法：z软件改变z外部中断响应z异常处理2.2ARM寄存器ARM7TDMI总共有37个寄存器，31个通用寄存器，和6个状态寄存器，但是不是同时可见的。zR0～R7：通用寄存器。zR8~R14：bankedregisters（分组寄存器）。zR13：在ARM中常用作堆栈指针，应用程序初始化R13，使其指向异常模式专用的堆栈。zR14：linkregister，放置当前子程序返回地址或异常模式返回地址。zR15：ProgramCounter（PC）zCPSR（CurrentProgramStatusRegister）－－当前程序状态寄存器。嵌入式ARM培训教材第1版11zSPSR（SavedProgramStatusRegister）－－备份的程序状态寄存器，SPSR用于在程序异常中断时保存被中断的程序状态；关于PSR寄存器：PSR分为CPSR和SPSR，它们的格式相同。{NZVC：指令作运算时的标志位。{IFT：I=1禁止IRQ，F=1禁止FIQ，T=1执行thumb指令。{ModebitsUser：10000Abort：10111FIQ：10001Undefined：11011IRQ：10010System：11111Supervisor：10011嵌入式ARM培训教材第1版122.3ARM的异常中断z复位(reset):当处理器的复位引脚有效时，系统产生复位中断，程序跳到中断处理程序处执行。复位中断发生的情况:{系统加电时{系统复位时{跳转到复位中断向量处z未定义指令(undefinedinstruction):当ARM处理器或者是系统中的协处理器认为当前指令未定义时，产生未定义的指令异常中断。z软件中断(softwareinterrupt):有用户定义的中断指令，在实时操作系统中可以通过该机制实现系统功能的调用。z指令预取中止(prefechabort):如果处理器预取的指令的地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问，处理器产生指令预取中止异常中断。z数据访问中止(dataAbort):如果数据访问指令的目标地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问，处理器产生数据访问中止异常中断。z外部中断请求(IRQ):当处理器的外部中断请求引脚有效，而且CPSR寄存器的I控制位被清除时，处理器产生外部中断请求(IRQ)异常中断。z快速中断请求(FIQ):当处理器的外部快速中断请求引脚有效，而且CPSR寄存器的F控制位被清除时，处理器产生快速中断请求(FIQ)异常中断。ARM处理器对异常中断的响应过程：z进入异常中断的过程{