手創(chuàng)科技k60核心板學(xué)習(xí)-芯片數(shù)據(jù)

Tsinghua

Freescale

Embedded

System

Centerneby

Zeng,

Ming

zengminTsinghua

Freescale

Embedded

System

Centerby

Zeng,

Ming

zengmin

Gong,

Guanghuagg

Xue,

Tao

gbe

Freescale

Kinetis

BasicFreescale應(yīng)用開(kāi)發(fā)2012年03月Lecture2Page

2ARM

HistoryAcorn

Computer

Group

developed

world’s

RISCprocessor

in

1985Roger

Wilson

and

Steve

Furberwere

the

principle

developersARM

(Advanced

RISC

Machines)

was

a

spin

out

from

Acornin

1990

with

goal

of

defining

a

new

microprocessor

standardLecture2Page

3ARM

HistoryARM

delivered

ARM6

in

1991Introduced

32

bit

addressing

supportNew

instruction

for

program

status

registersVariant

used

in

Apple

NewtonPDABy

1996

ARM7

was

being

widely

usedstarted

port

of

WinCE

to

ARMAdded

multimedia

extensionsExponential

growth

from

then

on…Lecture2Page

4ARM架構(gòu)進(jìn)化史ARM的發(fā)展過(guò)程ARM公司只做CPU設(shè)計(jì)，采用出售IP的方式運(yùn)營(yíng)，半導(dǎo)體制造商無(wú)需自己設(shè)計(jì)CPU,

是生產(chǎn)關(guān)系的 ，提高了生產(chǎn)力ARM處理器的分類結(jié)構(gòu)體系版本（Architecture）ARMv4TARM

v5TEProcessor

FamilyARM7ARM9ARM10ARM11ARM

CortexARM

v6ARM

Cortex

(v7)按應(yīng)用特征分類應(yīng)用處理器Application

Processor實(shí)時(shí)控制處理器Real-time

Controller微控制器Micro-controller特征：MMU,Cache最快頻率、最高性能、合理功耗特征：MPU,Cache實(shí)時(shí)響應(yīng)、合理性能、較低功耗特征：no

sub-memory

system一般性能、最低成本、極低功耗Microprocessor

and

Lab.,

Spring

2010

@

CBNUARM

and

StrongARMIn gained

certain

IP

from

ARMas

part

of

lawsuit

settlementand

modified

ARM

architecture

branding

it

as

StrongARMStrongARM

name

was

changed

to

XScaleProcessor

SA1000

,

SA1100XScale

is

close

to

ARMv5

instruction

setXScale

division

of

In was

sold

to

Marvel

Inc.

in2006v4v5TESA110v4TARM920TARM922TARM940TARM720TARM7TDMI-SARM946E-SARM966E-SARM1020Ev5TEJ

/

Jazellev6

/JazelleARM7EJ-SARM926EJ-SARM1026EJ-SARM11

Micro-Architectureof

ARM

V4/V5/V6ARMV4ARMV4是目前支持的最老的架構(gòu),是基于32-bit地址空間的32-bit指令集。ARMv4除了支持ARMv3的指令外還擴(kuò)展了：支持halfword的存取支持byte和halfword的符號(hào)擴(kuò)展讀支持Thumb指令提供Thumb和Normal狀態(tài)的轉(zhuǎn)換指令進(jìn)一步的明確了會(huì)引起Undefined異常的指令對(duì)以前的26bits體系結(jié)構(gòu)的CPU不再兼容ARMv4TARMv4T增加了16-bitThumb指令集，這樣使得編譯器能產(chǎn)生緊湊代碼（相對(duì)于32-bit代碼，內(nèi)存能節(jié)省到35%以上)并保持32-bit系統(tǒng)的好處。Thumb在處理器中仍然要擴(kuò)展為標(biāo)準(zhǔn)的32位ARM指令來(lái)運(yùn)行。用戶采用16位Thumb指令集最大的好處就是可以獲得更高的代碼密度和降低功耗。ARM

V5TE1999年推出ARMv5TE其增強(qiáng)了Thumb體系,增強(qiáng)的Thumb

體系增加了一個(gè)新的指令同時(shí)改進(jìn)了

Thumb/ARM相互作用、編譯能力和混合及匹配

ARM與Thumb例程，以更好地平衡代碼空間和性能并在

ARM

ISA

上擴(kuò)展了增強(qiáng)的DSP

指令集:增強(qiáng)的DSP指令包括支持飽和算術(shù)（saturatedarithmetic）,

并且針對(duì)Audio

DSP應(yīng)用提高了70%性能?！瓻’擴(kuò)展表示在通用的CPU上提供DSP能力。ARMv5TEJ2000年推出ARMv5TEJ，增加了Jazelle擴(kuò)展以支持Java加速技術(shù)。Jazelle技術(shù)比僅僅基于

的JVM性能提高近8倍的性能減少了80％的功耗。ARMv62001年推出ARMv6，它在許多方面做了改進(jìn)如內(nèi)存系統(tǒng)、異常處理和較好地支持多處理器。SIMD擴(kuò)展使得廣大的

應(yīng)用如

和Audiocodec的性能提高了4倍。Thumb-2和TrustZone

技術(shù)也用于ARMv6中。ARMv6第一個(gè)實(shí)現(xiàn)是2002年春推出的ARM1136J(F)-STM處理器，2003年又推出了ARM1156T2(F)-S

和ARM1176JZ(F)-S處理器。ARMv7ARMv7定義了3種不同的處理器配置（processorprofiles）:Profile

A是面向復(fù)雜、基于虛擬內(nèi)存的OS和應(yīng)用的Profile

R是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的Profile

M是針對(duì)低成本應(yīng)用的優(yōu)化的微控制器的。所有ARMv7profiles實(shí)現(xiàn)Thumb-2技術(shù)，同時(shí)還包括了NEON?技術(shù)的擴(kuò)展提高DSP和多

處理吞吐量400％

，并提供浮點(diǎn)支持以滿足下一代3D圖形和

以及傳統(tǒng)

控制應(yīng)用的需要。系列相應(yīng)產(chǎn)品性能特點(diǎn)ARM7系列ARM7TDMI

，

ARM7TDMI-S

，ARM720T，ARM7EJ三級(jí)流水性能：0.9MIPS/MHz,可達(dá)到130MIPs(Dhrystone2.1)ARM9系列ARM920T，

ARM922T五級(jí)流水，性能：1.1MIPS/MHz，可達(dá)300

MIPS(Dhrystone

2.1)，單32-bit

AMBA

bus接口，支持MMUARM9E系列ARM926EJ-S,

RM946E-S,ARM966E-S,

ARM968E-S,ARM996HS五級(jí)流水，支持DSP指令。性能：1.1MIPS/MHz，可達(dá)300

MIPS(Dhrystone

2.1)，高性能AHB,軟核（soft

IP）ARM10系列ARM1020E,

ARM1022EARM1026EJ-S6級(jí)流水支持分支

（branchprediction），支持DSP指令。性能：1.35

MIPS/MHz，可達(dá)430+Dhrystone

2.1

MIPS，，可選支持高性能浮點(diǎn)操作，雙64位總線接口，64位數(shù)據(jù)通路

系列相應(yīng)產(chǎn)品性能特點(diǎn)ARM11系列ARM11MPCore,ARM1136J(F)-S,ARM1156T2(F)-S,ARM1176JZ(F)-S8級(jí)流水線(9級(jí)ARM1156T2(F)-S)，獨(dú)立的load-store和arithmetic流水線，支持分支

和返回棧（Return

Stack）。強(qiáng)大的ARMv6

指令集，支持DSP，SIMD(Single

Instruction

Multiple

Data)擴(kuò)展，支持ARM

TrustZone

、Thumb-2

技術(shù)。740Dhrystone

2.1

MIPS，低功耗0.6mW/MHz(0.13μm,

1.2V)Cortex系列Cortex-A8,Cortex-M3,Cortex-R4Cortex-A系列:面向用于復(fù)雜OS和應(yīng)用的應(yīng)用處理器（applications

processors），支持ARM,Thumb

and

Thumb-2指令集。Cortex-R系列：面向 實(shí)時(shí)領(lǐng)域的處理器，支持ARM,Thumb,和Thumb-2

指令集。Cortex-M系列：面向深 價(jià)格敏感的嵌入式處理器，只支持Thumb-2指令集Microprocessor

and

Lab.,

Spring

2010

@

CBNUARM

Design

PhilosophyARM

core

uses

RISC

architectureReduced

instruction

setLoad

store

architectureLarge

number

of

general

purpose

registersParallel

executions

with

pipelinesBut

some

differences

from

RISCEnhanced

instructions

forThumb

modeDSP

instructionsConditional

execution

instruction32

bit

barrel

shifterCortex-M3/4內(nèi)核主要是應(yīng)用于低成本、小管腳數(shù)和低功耗的場(chǎng)合，并且具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力。Cortex-M3/4處理器采用純Thumb2指令的執(zhí)行方式，使得這個(gè)具有32位高性能的ARM內(nèi)核能夠?qū)崿F(xiàn)8位和16位的代碼

密度。ARMCortex-M3/4處理器是使用最少門數(shù)的ARMCPU，

門數(shù)只有33K，在包含了必要的外設(shè)之后的門數(shù)也只有60K，使得封裝更為小型，成本更加低廉。Cortex-M3/4采用了ARM

V7哈佛架構(gòu)，具有帶分支

的3級(jí)流水線，中斷延遲最大只有12個(gè)時(shí)鐘周期，在末尾連鎖的時(shí)候只需要6個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)具有

1.25DMIPS/MHZ的性能和0.19mW/MHZ的功耗。Cortex-M3/4

內(nèi)核基于哈佛架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)各使用一條總線。與

Cortex-M3/4不同，ARM7

系列處理器使用馮

（Von

ann）架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用信號(hào)總線以及 器。由于指令和數(shù)據(jù)可以從 器中同時(shí)

，所以

Cortex-M3/4 處理器對(duì)多個(gè)操作并行執(zhí)行，加快了應(yīng)用程序的執(zhí)行速度。Cortex-M3/4內(nèi)核：哈佛架構(gòu)Cortex-M3/4內(nèi)核：寄存器組Cortex-M3/4內(nèi)核：特殊功能寄存器Cortex-M3/4內(nèi)核：態(tài)和用戶態(tài)內(nèi)核流水線分3個(gè)階段：取指、譯碼和執(zhí)行。當(dāng)遇到分支指令時(shí)，譯碼階段也包含

的指令取指，這提高了執(zhí)行的速度。處理器在譯碼階段期間自行對(duì)分支目的地指令進(jìn)行取指。在稍后的執(zhí)行過(guò)程中，處理完分支指令后便知道下一條要執(zhí)行的指令。如果分支不跳轉(zhuǎn)，那么緊跟著的下一條指令隨時(shí)可供使用。如果分支跳轉(zhuǎn)，那么在跳轉(zhuǎn)的同時(shí)分支指令可供使用，空閑時(shí)間限制為一個(gè)周期。Cortex-M3/4內(nèi)核：分支

的流水線的模式，提供4GBCortex-M3/4

處理器采用單一的可尋址

空間。（同時(shí)，這些空間為代碼（代碼空間）、SRAM

空間），外部 器/器件和 /外部外設(shè)提供預(yù)定義的

地址。另外，還有一個(gè)特殊區(qū)域?qū)ｉT供廠家使用。借助位帶操作（bit-banding）技術(shù)，Cortex-M3/4

處理器可以在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中直接對(duì)數(shù)據(jù)的單個(gè)位進(jìn)行

。器

包含兩個(gè)位于SRAM的大小均為1MB的bit-band區(qū)域和

到32MB別名區(qū)域的外設(shè)空間。在別名區(qū)域中，某個(gè)地址上的加載/

操作將直接轉(zhuǎn)化為對(duì)被該地址別名的位的操作。對(duì)別名區(qū)域中的某個(gè)地址進(jìn)行寫操作，如果使其最低有效位置位，那么bit-band位為

1，如果使其最低有效位清零，那么bit-band位為零。讀別名后的地址將直接返回適當(dāng)?shù)腷it-band位中的值。除此之外，位帶操作（bit-banding）為原子位操作，其他總線活動(dòng)不能對(duì)其中斷。Cortex-M3/4器Cortex-M3/4

器Page

25Cortex-M3/4的非對(duì)齊數(shù)據(jù)和bit-banding“傳統(tǒng)的位處理方法和Cortex-M3

bit-banding的比較”此外，基于傳統(tǒng)ARM7處理器的系統(tǒng)只支持 對(duì)齊的數(shù)據(jù)，只有沿著對(duì)齊的字邊界才可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

和 。Cortex-M3處理器采用非對(duì)齊數(shù)據(jù) 方式，使非對(duì)齊數(shù)據(jù)可以在單核訪問(wèn)中進(jìn)行傳輸。當(dāng)使用非對(duì)齊傳輸時(shí)，這些傳輸將轉(zhuǎn)換為多個(gè)對(duì)齊傳輸，但這一過(guò)程不為程序員所見(jiàn)。嵌套向量中斷控制器（NVIC）NVIC

是

Cortex-M3/4 處理器中一個(gè)完整的部分。NVIC最多可支持 240

個(gè)外部中斷，每個(gè)外部中斷最多可具有 256

個(gè)可重新動(dòng)態(tài)劃分的不同優(yōu)先級(jí)別。 它支持優(yōu)先級(jí)別中斷源和脈沖中斷源。當(dāng)進(jìn)入中斷時(shí)，處理器狀態(tài)會(huì)自動(dòng)保存在硬盤中，NVIC還支持末尾連鎖技術(shù)Cortex-M3/4

處理器使用一個(gè)可以重復(fù)定位的向量表，表中包含了將要執(zhí)行的函數(shù)的地址，可供具體的中斷處理器使用。中斷被接受之后，處理器通過(guò)指令總線接口從向量表中獲取地址。向量表復(fù)位時(shí)指向零，編程控制寄存器可以使向量表重新定位。Lecture2Page

28數(shù)字電路與系統(tǒng)嵌套向量中斷控制器（NVIC）嵌套向量中斷控制器（NVIC）：可以在硬件中處理堆棧操作，Cortex-M3處理器免去了在傳統(tǒng)的C語(yǔ)言中斷服務(wù)程序中為了完成堆棧處理所要編寫的匯編程序包，這使應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。Cortex-M3/4處理器使用末尾連鎖（tail-chaining）技術(shù)簡(jiǎn)化了激活的和未決的中斷之間的移動(dòng)。末尾連鎖技術(shù)把需要用時(shí)30個(gè)時(shí)鐘周期才能完成的連續(xù)的堆棧彈出和壓入操作替換為6個(gè)周期就能完成的指令取指，實(shí)現(xiàn)了延遲的降低。處理器狀態(tài)在進(jìn)入中斷時(shí)自動(dòng)保存，在中斷退出時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，比 執(zhí)行用時(shí)更少，大大提高了頻率為

100MHz

的子系統(tǒng)的性能。ARM公司在其Cortex-M內(nèi)核中嵌入新的Thumb-2指令集。新的Thumb-2內(nèi)核技術(shù)保留了緊湊代碼質(zhì)量并與現(xiàn)有ARM方案的代碼兼容性，提供改進(jìn)的性能和能量效率。Thumb-2是一種新型混合指令集，融合了16位和

32位指令，用于實(shí)現(xiàn)密度和性能的最佳平衡。在不對(duì)性能進(jìn)行折中的情況下，節(jié)省許多高集成度系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的總體成本。Cortex-M支持的Thumb-2指令目標(biāo)：看到一段匯編的代碼時(shí)，會(huì)去查處相關(guān)的指令集，讀懂代碼的意圖/作用即可。Cortex-M支持的Thumb-2指令：免去

Thumb和ARM代碼的互相切換，對(duì)于早期的處理器來(lái)說(shuō)，這種狀態(tài)切換會(huì)降低性能。Thumb-2指令集的設(shè)計(jì)是專門面向C語(yǔ)言的，且包括If/Then結(jié)構(gòu)（

接下來(lái)的四條語(yǔ)句的條件執(zhí)行）、硬件除法以及本地位域操作。(復(fù)位向量有堆棧MSP初值。。。)Thumb-2指令集提供CLZ、RBIT指令，計(jì)算前導(dǎo)零指令和位反轉(zhuǎn)指令，組合使用很強(qiáng)大Thumb-2指令集提供SEV、WFE、WFI指令，發(fā)送事件、等待事件、等待中斷指令，多核任務(wù)同步Thumb-2指令的優(yōu)勢(shì)Cortex-M處理器不再直接提供JTAG接口，而是提供一個(gè)DAP調(diào)試 接口，在實(shí)際 中，可以連接不同的DP調(diào)試端口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)包括傳統(tǒng)JTAG到串行線的各種調(diào)試方式，因而支持多種開(kāi)發(fā)工具：Cortex-M

的調(diào)試ARM

Cortex

M3

to

M4The

Cortex-M4

features

a

single-cycle

multiply-accumulate

(MAC)unit,

optimized

single

instruction

multiple

data

(SIMD)

instructions,saturating

arithmetic

instructions

and

an

optional

single

precisionFloating-Point

Unit

(FPU).Page

33ARM7

vs

Cortex-M3學(xué)習(xí)掌握ARM

Cortex

的思路自下而上與自上而下8位MCU教學(xué)使用傳統(tǒng)自下而上的思路CPU寄存器、指令集、匯編、C……ARM發(fā)展到Cortex，相當(dāng)于從微機(jī)到小型機(jī)，其CPU設(shè)計(jì)借鑒了PowerPC、MIPS等面向帶多用戶操作系統(tǒng)的

理念，對(duì)其指令集、運(yùn)行模式等的理解需RTOS方面的知識(shí)，如優(yōu)先級(jí)、共享資源、競(jìng)爭(zhēng)、信號(hào)量等應(yīng)采用自上而下的思路學(xué)習(xí)，不妨先介紹一些RTOS方面的基本知識(shí)，從掌握開(kāi)發(fā)工具的使用開(kāi)始，讀懂CW中自帶的范例程序到自己寫C程序，自上而下、循序漸進(jìn)地理解CortexFreescale

MCUFreescale

ARMFreescale

KinetisKinetis

系列Kinetis

系列ARM

Cortex-M4

from

FreescaleARM

Cortex-M4

from

FreescaleLecture2Page

47Pin

Compatibility

Across

FamiliesPin

Compatibility

Across

FamiliesMemory

Map

of

Kinetis

FamiliesThe

K10

Family

Block

DiagramThe

K10

Family

OverviewK10

主要性能Voltage

range:

1.71

to

3.6

V，5

V

tolerant

GPIOUp

to

100

MHz(120

MHz)

with

DSP，instructions

~1.25

Dhrystone

MIPS/MHz32~1MB

flash/8K~128

KB

RAM16-bit

ADCs,12-bit

DACs,增益可編程放大器,電容式觸摸鍵盤接口UARTs

with

ISO7816

and

IrDA

support,

I2S,

CAN,

I2C

and

DSPI，Modulator

Transmitter

for

IR

waveform

generationPowerful

Flex

Timers

which

support

general

purpose,control

functionsTimer

for

RTOS，temperature

ranges

from-40

°C

to

105

°C,

and

motorK10

系列可選引腳：32/48/64/80/100/104/121/144100

Pin K10LL

的I/O～70個(gè)I/O端口（GPIO）TSI

16ADC

16DAC

1ACP

38UART

4I2C

2I2S

1SPI

3CAN

2Up

to

4

pairs

of

differential

and

24

single-ended

externalog

inputsOutput

modes:-

differential

16-bit,

13-bit,11-bit

or

9-bit-

single-ended

16-bit,

12-bit,

10-bit

and

8-bitProgrammable

Gain

Amplifier

(PGA)

:

up

to

x64

gain-

Amplify

low-amplitude

signals

before

they

are

fed

to

ADC-

Only

work

with

differential

input

(range

from

0~1.2V

±

10mv)ADC

conversion

clk

frequency

:-1~18MHz

for

≤

13-bit

mode-

2~12Mhz

for

16-bit

modeADC

conversion

rate:18.484~818.33

Ksps

for

≤13-bit

mode37.037~361.402Ksps

for

≤

13-bit

mode(continous

conversion,

peripheral

clk=50MHz,

no

ADC

hardwareaveraging)Conversion

complete

/

hardware

average

complete

flag

andinterruptSelectable

hardware

conversion

trigger

with

hardware

channelselectAutomatic

compare

with

interrupt

for

less-than,

greater-than

orequal-to,

within

range,

or

out-of-range,

programmable

valueHardware

average

functionSelf-calibration

mode16-bit

ADCOperates

over

the

entire

supply

rangeProgrammable

hysteresis

controlSelectable

interrupt

on

rising

edge,

falling

edge,

orboth

rising

or

falling

edges

of

comparator

outputSelectable

inversion

on

comparator

outputComparator

output

may

be:SampledWindowedDigitally

FilteredFilter

can

bebypassedCan

be

clocked

via

external

SAMPLE

signal

orscaled

bus

clockSupport

DMA

transfer- A

comparison

event

can

be

selected

to

trigger

aDMA

transfer.Two

software

selectable

performance

levels:- Shorter

propagation

delay

at

the

expense

of

higherpower

Td

=

50ns

(typ.)- Low

power,

with

longer

propagationdelay

Td

=

250ns

(typ.)6-bit

CMP

Analog

ComparatorIntended

to

supply

an

accurate

1.2

V

voltage

output.VREFV1

can

be

used

in

medical

applications

such

as

glucose

meters

to

provide

a

referencevoltage

to

biosensors

or

as

a

referenceto og

peripherals

such

as

the

ADC,

DAC,

or

CMP.Low

power

mode:

VREFV1

can

only

be

used

for

internal

peripheralHigh

power

mode:

VREFV1

can

be

used

for

external

peripheral,

100nF

capacitor

needed.VoltageReference(VREFV1)The

USB

Voltage

Regulator

module

is

a

LDO

linear

voltage

regulator

to

provide3.3V

power

from

an

input

power

supply

varying

from

2.7

V

to

5.5

V.Low

drop-out

voltage:

300

mVOutput

current:

120

mA.Automatic

current

limiting

if

the

load

current

is

greater

than

290

mASmall

outputcapacitor:

2.2

uFStable

with

aluminum,

tantalum

or

ceramic

capacitors.USB

Voltage

Regulator

(K20)Implements

the

full

802.3

specificationwith

preamble/SFDgeneration,

frame

padding

generation,CRC

generation

and

checkingDynamically

configurable

to

support10/