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1、基于基于ARM7TDMI的的S3C44B0X 嵌入式微處理器技術(shù)嵌入式微處理器技術(shù) 劉彥文劉彥文 編著編著高等院校信息技術(shù)規(guī)劃教材高等院校信息技術(shù)規(guī)劃教材本課件的配套教材本課件的配套教材基于基于ARM7TDMI的的S3C44B0X 嵌入式微處理器技術(shù)嵌入式微處理器技術(shù) 劉彥文劉彥文 清華大學(xué)出版社 2009/04 本課件的使用方法本課件的使用方法 兩種教案: 48學(xué)時(shí)教案: 1,2,3,5,7,8,9,10,11,13章 64學(xué)時(shí)教案: 加選4,6,12,14章第第1章章 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述本章重點(diǎn):本章重點(diǎn): 嵌入式系統(tǒng)定義、組成和特點(diǎn); 嵌入式微處理器分類、主流嵌入式微處理器介紹
2、; ARM系列處理器核的命名規(guī)則、性能和版本; 嵌入式操作系統(tǒng)主要特點(diǎn); 目前較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介。1.1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.1.1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用舉例n家庭中使用的嵌入式產(chǎn)品n辦公室中的嵌入式產(chǎn)品n手持設(shè)備MP3、GPS手持機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(Personal Digital Assistant,PDA)等。n 汽車電子產(chǎn)品中的嵌入式產(chǎn)品 n 軍事、航空、航天領(lǐng)域中的嵌入式產(chǎn)品 n 其他領(lǐng)域,如工業(yè)控制和儀器儀表、通信、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)計(jì)算、機(jī)器人、智能玩具等。 1.1.2 嵌入式系統(tǒng)定義和組成 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)目前被國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的定義是:以應(yīng)
3、用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟、硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。 嵌入式系統(tǒng)組成 嵌入式系統(tǒng)典型組成如圖1.1所示。n硬件層 n中間層 n軟件層 n功能層 1.1.3 嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn) 與應(yīng)用密切相關(guān) 實(shí)時(shí)性 復(fù)雜的算法 制造成本 功耗 開(kāi)發(fā)和調(diào)試 可靠性 體積1.2 嵌入式微處理器1.2.1 嵌入式微處理器分類 嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心是嵌入式微處理器,廣義上可以將其分為4類,如圖1.2所示。 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit,EMU),通常也稱微控制器(Micro Contro
4、ller Unit,MCU)或單片機(jī)。 單片機(jī)芯片內(nèi)通常集成了某種處理器內(nèi)核、少量的ROMRAM存儲(chǔ)器、總線控制邏輯、各種必要的功能模塊,以及某些外設(shè)或外設(shè)接口電路。 嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器 嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP),有時(shí)也簡(jiǎn)稱DSP,是專門(mén)用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器。嵌入式DSP是對(duì)普通DSP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),使其更適合DSP算法、編譯效率更高、執(zhí)行速度更快。 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器(Embedded Micro Processor Unit,EMPU),也稱嵌入式微處理器單元。 通用微處
5、理器 嵌入式微處理器 嵌入式片上系統(tǒng) 嵌入式片上系統(tǒng)(Embedded System On Chip,ESOC),簡(jiǎn)稱SOC。 1.2.2 主流嵌入式微處理器介紹n嵌入式微處理器由處理器核和不同功能模塊組成。n微處理器可以被設(shè)計(jì)成具有多種不同功能、滿足不同用戶對(duì)速度、功耗不同需求的多種處理器核,由芯片生產(chǎn)商將這些核和各種不同功能模塊,例如DMAC、中斷控制器、LCD控制器、存儲(chǔ)器控制器、AD轉(zhuǎn)換器、USB接口等等,集成到同一個(gè)微處理器芯片中。有些公司僅僅從事嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),如ARM公司;有些公司既從事設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),又制造芯片。 ARMStrong ARM是英文Acorn RISC Mac
6、hine的縮寫(xiě)。 ARM公司是全球領(lǐng)先的1632位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property ,IP)設(shè)計(jì)供應(yīng)商,ARM公司通過(guò)轉(zhuǎn)讓高性能、低成本、低功耗的RISC處理器、外圍和系統(tǒng)芯片技術(shù)給合作伙伴,使他們能夠用這些技術(shù)生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM公司并不生產(chǎn)芯片,而是通過(guò)轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可證,由合作伙伴生產(chǎn)各種型號(hào)的微處理器芯片,目前ARM的合作伙伴在全世界已經(jīng)超過(guò)100個(gè),許多著名的半導(dǎo)體公司與ARM公司有著合作關(guān)系。 ARM公司系列產(chǎn)品主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore和ARM11等。其中ARM7TDMI是嵌入式處理器的主力產(chǎn)品之一
7、。本書(shū)介紹的三星公司S3C44B0X嵌入式微處理器,就是采用了ARM7TDMI核。 Strong ARM和XScale系列產(chǎn)品在各種嵌入式系統(tǒng)中同樣得到了廣泛的應(yīng)用。 Strong ARM是基于ARM核設(shè)計(jì)的微處理器。 MIPS MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的縮寫(xiě),意思為內(nèi)部無(wú)互鎖流水線微處理器。MIPS也是一種處理器的內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)。MIPS體系結(jié)構(gòu)具有良好的可擴(kuò)展性,并且能夠滿足超低功耗微處理器的需求。 近年來(lái),MIPS公司開(kāi)發(fā)了高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核MIPS32 24KE系列,產(chǎn)品廣泛用于機(jī)頂盒、DVD
8、刻錄機(jī)、MODEM、IP電話、數(shù)碼相機(jī)、蜂窩電話、視頻游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀等產(chǎn)品。 Power PC Power PC微處理器早期由IBM、Motorola和Apple公司共同投資開(kāi)發(fā),生產(chǎn)了Power PC 601(1994年)、602(1995年)、604(1995年)和620(1997年)。此后Power PC微處理器由IBM公司和Motorola公司分別生產(chǎn)。 目前,IBM公司的Power PC微處理器芯片產(chǎn)品有4個(gè)系列,分別是4XX綜合處理器、4XX處理器核、7XX高性能32位微處理器和9XX超高性能64位微處理器。 由此可見(jiàn),Power PC系列微處理器的品種
9、較多,既有通用處理器,又有嵌入式控制器和內(nèi)核,應(yīng)用范圍也非常廣泛,從高端工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算系統(tǒng),從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備,都有著廣泛的應(yīng)用。 比較典型的基于Power PC結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器有IBM公司的Power PC 405GP和Motorola公司的Power PC MPC823e等。 其他嵌入式微處理器 Intel公司基于x86處理器核的嵌入式微處理器Geode SP1SC10、Motorola公司的68xxx、Compaq公司的Alpha、HP公司的PARISC、Sun公司的Sparc等嵌入式微處理器也有著廣泛的應(yīng)用。1.3 ARM系列嵌入式微處理器介紹 ARM系列處理
10、器核體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 基于ARM的微處理器芯片,一般是由不同的處理器核、多個(gè)功能模塊和可擴(kuò)展模塊組成。功能模塊分別由字母T、D、M、I、E、J、F、S等表示。可擴(kuò)展模塊一般有:DMAC、中斷控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、脈寬調(diào)制定時(shí)器、LCD控制器、存儲(chǔ)器控制器、UART、看門(mén)狗定時(shí)器、GPIO、功耗管理模塊等,這些可擴(kuò)展模塊可以由芯片制造商選擇。ARM處理器核通常指由不同的CPU內(nèi)核和功能模塊所組成的核。 ARM系列處理器核體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則,首先是由“ARM”開(kāi)頭,后面跟著若干字母后綴,描述體系結(jié)構(gòu)的版本和選擇使用的功能模塊,可擴(kuò)展模塊不包括在內(nèi)。 命名規(guī)則通常表示如下: ARMxyzTDMIEJF
11、-S 上述命名規(guī)則中,大括號(hào)中表示的內(nèi)容是可選擇的。 命名規(guī)則中ARM以后各后綴的含義見(jiàn)表1.1。 表1.1 ARM系列處理器核體系結(jié)構(gòu)命名規(guī)則中 各后綴的含義后 綴含 義x系列號(hào),如ARM7、ARM9、ARM10y含有內(nèi)存管理或保護(hù)單元,如ARM72、ARM92z含有cache,如ARM720、ARM920T含有Thumb指令解碼器,支持Thumb指令集,如ARM7T D含有JTAG調(diào)試器,支持Debug,支持片上調(diào)試M含有硬件快速乘法器,如ARM7MI含有內(nèi)嵌的在線調(diào)試宏單元(embedded ICE macrocell)硬件部件,提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持,如ARM7TDMIE表示支持增強(qiáng)
12、型DSP指令J含有JAVA加速器JazelleF含有向量浮點(diǎn)單元S可以綜合版本,以源代碼形式提供的,可被EDA工具使用 命名規(guī)則還有一些附加的信息:nARM7TDMI之后設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的內(nèi)核,即使不標(biāo)出“TDMI”,也默認(rèn)包含了支持TDMI的功能模塊;n JTAG是由IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn),即測(cè)試訪問(wèn)端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)來(lái)描述的,它是ARM與測(cè)試設(shè)備之間,接收和發(fā)送處理器內(nèi)核調(diào)試信息的一系列協(xié)議;n內(nèi)嵌的在線調(diào)試宏單元是建立在處理器內(nèi)部,用來(lái)設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)的硬件調(diào)試點(diǎn)。n另外,對(duì)于2005年以后ARM公司投入市場(chǎng)的ARMv7體系結(jié)構(gòu)的處理器核,命名規(guī)則有所改變,名稱以“ARM Cortex”開(kāi)
13、頭,之后附加字母“-A”、“-R”或“-M”,表示該處理器核的適用領(lǐng)域,隨后還有一個(gè)數(shù)字,表示產(chǎn)品順序號(hào),如ARM Cortex-A8、ARM Cortex-M3、ARM Cortex-R4。 ARM系列處理器核的性能 目前使用的ARM系列處理器核的品種共有20多種,共同點(diǎn)是:字長(zhǎng)32位、RISC結(jié)構(gòu)、附加16位的Thumb指令集。這些核得到了眾多嵌入式操作系統(tǒng)的支持。表1.2中列出了ARM系列中一些典型的核以及它們的主要性能。 表1.2見(jiàn)參考書(shū)。n表1.2中MMU表示存儲(chǔ)器管理單元,MPU表示存儲(chǔ)器保護(hù)單元。n表1.2中DSP與命名規(guī)則中后綴字母“E”對(duì)應(yīng),表示支持增強(qiáng)型DSP指令。n表1.
14、2中ARM11系列的ARM1176JZ(F)-S處理器使用了Trust Zone技術(shù)。n表1.2中Jazelle表示含有Java加速器,提供了直接執(zhí)行Java指令的功能。 n從ARM11系列開(kāi)始,處理器體系結(jié)構(gòu)中增添了Jazelle RCT(Runtime Compiler Target,運(yùn)行時(shí)編譯器目標(biāo))技術(shù)。對(duì)Java程序的即時(shí)編譯和預(yù)編譯,可以節(jié)省30%以上的代碼存儲(chǔ)空間。n表1.2中Thumb表示含有Thumb指令解碼器。ARM體系結(jié)構(gòu)除了支持執(zhí)行效率很高的32位ARM指令集外,含有Thumb指令解碼器的處理器還支持16位的Thumb指令集。 nARM1156T2(F)-S是首批含有A
15、RM Thumb-2內(nèi)核的產(chǎn)品,支持Thumb-2指令集。 ARM系列處理器核的體系結(jié)構(gòu)的版本及指令系統(tǒng)特點(diǎn) 體系結(jié)構(gòu)的版本 ARM系列處理器核的體系結(jié)構(gòu)的不同版本,支持的指令集不同。體系結(jié)構(gòu)的版本從v1發(fā)展到現(xiàn)在的v7,同一版本的體系結(jié)構(gòu)使用相同的指令集。早期的處理器核,ARM1的版本是v1、ARM2的版本是v2、ARM6和ARM7的版本是v3,這些版本現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。目前廣泛使用的是v4版到v7版,處理器核的體系結(jié)構(gòu)的不同版本見(jiàn)表1.3。表1.3 處理器核的體系結(jié)構(gòu)的不同版本處 理 器 核 版 本 ARM7TDMI、ARM710T、ARM720T、ARM740Tv4TARM7EJ-Sv5
16、TEJStrong ARM、ARM8、ARM810v4ARM9TDMI、ARM920T、ARM922T、ARM940Tv4TARM9E-S、ARM946E-S、ARM966E-Sv5TEARM926EJ-Sv5TEJARM10TDMI、ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-Sv5TEARM1036J-Sv6ARM11、ARM11562-S、ARM1156T2F-S、ARM11JZF-Sv6ARM Cortex-A8、ARM Cortex-R4、ARM Cortex-M3v7 各版本體系結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 各版本體系結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn)見(jiàn)表1.4。表1.4 各
17、版本體系結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的指令系統(tǒng)主要特點(diǎn)版 本主 要 特 點(diǎn)v4v4Tv4T是v4增加了Thumb指令集的版本。v4版ARM指令集指令尋址范圍為32位;指令除了支持32位的字讀寫(xiě)外,還支持半字讀和寫(xiě)、支持讀取帶符號(hào)字節(jié)和半字?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)v4T,指令支持在ARMThumb狀態(tài)之間切換;增加了處理器管理方式(supervisor mode);提供了嵌入宏單元,即所謂的跟蹤接口v5TEv5TEJv5TE和v5TEJ中的T、E、J分別表示增加了Thumb指令集、支持DSP指令和含有Jazelle。該結(jié)構(gòu)提高了ARMThumb狀態(tài)之間切換的效率,增加了一個(gè)前導(dǎo)零計(jì)數(shù)(Count Leading Zero,CLZ)
18、指令;增加了軟件斷點(diǎn)指令BRK;為協(xié)處理器設(shè)計(jì)者增加了更多的可選擇的指令;定義了乘法指令如何設(shè)置標(biāo)志v6平均取指令和取數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間減少;因Cache未命中造成的等待時(shí)間減少;總的內(nèi)存管理性能提高30%左右;異常處理和中斷處理進(jìn)一步改進(jìn);實(shí)時(shí)任務(wù)處理能力增強(qiáng)v7擴(kuò)展了Thumb-2指令集;具有NEDN多媒體引擎,該引擎具有分離的單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)執(zhí)行流水線和寄存器堆,可共享訪問(wèn)L1和L2高速緩沖,提供了靈活的多媒體加速功能并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)帶寬設(shè)計(jì);支持Jazelle-RCT技術(shù);支持TrustZone技術(shù) 基于ARM的微處理器的應(yīng)用范圍 ARM7系列 ARM9和ARM9E系列 ARM10E
19、系列 SecurCore系列 ARM11系列1.4 嵌入式操作系統(tǒng)介紹 1.4.1 嵌入式操作系統(tǒng)主要特點(diǎn) 實(shí)時(shí)性 可移植 內(nèi)核小型化 可裁剪 1.4.2 主流嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介 VxWorks VxWorks是目前使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的商用嵌入式操作系統(tǒng),可以移植到多種處理器,如x86、Motorola 68xxx、MIPS RXxxx、Power PC、StrongARM、ARM等。VxWorks具有多達(dá)1800個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口(API),系統(tǒng)的可靠性非常高。 QNX QNX是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)。它部分遵循了POSIX協(xié)議。POSIX(Portable Operat
20、ing System Interface)表示可移植操作系統(tǒng)接口。QNX提供了一個(gè)很小的微內(nèi)核以及一些可選的配合進(jìn)程。其內(nèi)核僅提供4種服務(wù):進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理。QNX內(nèi)核小巧,大約為12KB,運(yùn)行速度極快。 Windows CE Windows CE是一個(gè)簡(jiǎn)潔、高效率的多平臺(tái)操作系統(tǒng),它不是桌面windows系統(tǒng)的削減版本,而是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完全優(yōu)先級(jí)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)內(nèi)核占據(jù)最少200KB ROM空間。 Palm OS Palm OS是3COM公司Palm Computing掌上電腦公司的產(chǎn)品,在PDA市場(chǎng)占有很大的份額。Palm OS具有開(kāi)放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(API),開(kāi)發(fā)商可以根據(jù)需要自己開(kāi)發(fā)所需的應(yīng)用程序。目前大約有3500個(gè)應(yīng)用程序可以在Palm OS上運(yùn)行,這使得Palm的功能不斷增多,這些軟件廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、游戲機(jī)、電子寵物等電
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