第二章 嵌入式处理器(3)

2019-03-10 19:19

先提供数据0b1011,操作码驱动右移2位(斜线上)的2个开关及左移2位(斜线上)的2个开关合上,输出端口就得到0b1110的移位结果。结构图中的开关阵列可以用组合逻辑电路实现。

ARM处理器中的移位操作采用了桶型移位器技术。桶型移位器放置在ALU的入口位置。

2、双密度指令集 ARM处理器支持

ARM的32位指令集 Thumb的16位指令集 提高了存储器的指令密度。 3、看门狗定时器(WDT)

它是一个用来引导嵌入式处理器脱离死锁状态的部件,也是嵌入式处理器中的一个有特色硬件部件。 WDT用途: WDT工作原理:

处理器正常工作时,计数满,发中断请求,请求重置计数初值,继续计数,循环往复??。

处理器死锁时,计数满时,发中断请求得不到响应,即得不到重新填入的计数初值,就会产生益处,WDT将产生复位信号来强行使得系统复位。 应用图示:S3C44B0X嵌入式处理器中的WDT结构图示????。

4、FIFO缓冲寄存器

它是一种先进先出的数据结构,一是嵌入式处理器通信接口常用的部件。 从逻辑实现结构上讲,它可以是头尾相接的一个循环队列。

基本结构包括:一个输入端口,一个输出端口,各端口有一个指针指向FIFO中的某个存储位置。 工作原理:

写入??

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读出??

用途:主要用于串行通信接口(COM、USB、网口等等)

有助于提高数据传输速率,形态上有独立的器件和集成在嵌入式处理器中的片内IP核。

5、主存储器控制器(MC) 作用: 例图:

§2.2 ARM系列处理器

市场主流嵌入式处理器上有ARM系列,Power pc系列,MIPS(无内部互锁流水级的微处理器,Microprocessor without interlocked piped stages)系列等。下面主要介绍ARM系列处理器及其特点。

内容主要包括:ARM技术的应用领域及特点,ARM微处理器系列,ARM微处理器的工作状态,ARM处理器模式,ARM微处理器的存储器格式,ARM处理器寄存器组织,异常(Exceptions)。

§2.2.1 ARM技术的应用领域及特点 1、ARM-Advanced RISC Machines

?ARM是英国先进RISC机器公司(Advanced RISC Machines ARM)的缩写。ARM(Advanced RISC Machines),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。1991年ARM公司成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术(IP核)的授权。

? 世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器IP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。(如三星3C44B0X,3C4510,3C2410;台湾Cirrus_EP73XX和EP93XX系列等)。? 基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额,ARM技术正在

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逐步渗入到我们生活的各个方面。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹,以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung、ATMEL等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。 2、ARM微处理器的应用领域

到目前为止,ARM微处理器及技术的应用已经广泛深入到国民经济的各个领域以及工业控制领域:作为32位的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。?

网络应用:随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line)即非对称数字用户线路芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视频处理上进行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。

消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM (Subscriber Identity Module)智能卡也采用了ARM技术。 3、ARM微处理器的特点 ● 采用RISC体系结构

?ARM处理器是采用RISC架构的32位处理器,特点有:

?固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式有2~3种; ?使用单周期指令,便于流水线操作执行;

?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/存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。

?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,用以保存CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位。 ● 高效的指令系统

?ARM微处理器支持两种指令集:32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。

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?ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为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。提高存储器的指令密度。

可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率。 ?可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 ?在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。

所有的指令都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。 ● 低功耗、低成本、高性能

ARM7: 在74MHz时典型功耗90mW

在90MHz时典型功耗108 mW 在待机状态时功耗小于0.3mW

成本低:三星的ARM7系列芯片一般在3~5美元之间

高性能:主频可达600MHZ,如XScale;采用三/五/六级流水线 ● 全球众多的合作伙伴

ARM处理器的市场份额达到75%以上,应用广泛,各种以ARM处理器核为中心组件的嵌入式处理器有几千种,便于开发者选择。

§2.2.2 ARM微处理器系列

? ARM处理器体系结构的版本:有V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7版本,其中V1、V2、V3已被淘汰,目前常用的体系结构版本V4、V5、V6和V7。

各版本的基本特点描述:包括指令系统、寻址空间(存储器寻址空间),寄存器等。V4及其以后版本才支持16位Thumb指令,因此之前的V3、V2、V1已废弃不用了。

ARM微处理器核系列:目前在用的ARM处理器核有20多种,每一种处理器核依据一个体系结构版本设计。这些ARM核的共同特点是:字长32位、RISC结构、低功耗、附加16位高密度Thumb指令集、获得广泛的嵌入式操作系统支持、内嵌在线仿真器(ICE)。

ARM微处理器核系列有ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、ARM_Cortex、SecurCore以及Intel的Xscale等系列。其中ARM7、ARM9、ARM10和ARM11为4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。

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这些内核在实际制造过程中,其功能要求上又有些不同,便产生了ARM处理器核版本的变种,它们的命名规则是处理器内核名称由字符“ARM”开头,后面是若干个进行功能描述的参数。命名规则的字符串表达式如下:

ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{-S} 其中花括号表示其中的内容可有可无。 {x}表示系列号,如ARM7、ARM9、ARM10。

{y}表示内部存储管理单元(MMU)和保护单元,如ARM72、ARM92。 {z}表示内含有高速缓存(Cache), 如ARM720、ARM9240。 {T}支持16位高密度的Thumb指令。

{D}含JTAG调试器,支持片上调试Debug(ICD)。

{M}内嵌乘法器,支持长乘法操作的ARM指令,产生64位结果。

{I}内嵌式在线测试宏单元(ICE_In Circuit Emulation)硬件部件,提供片上断点和调试点支持。

{E}支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。

{J}有Java加速器Jazelle,与普通的Java虚拟机相比,Jazelle使得Java代码运行速度提高了8倍,而功耗降低了80%。

{F}有向量浮点单元

{-S}可综合版本,以源代码形式提供的,可以被EDA工具使用。 1、ARM7系列微处理器

? ARM7系列是为低功耗的32位RISC处理器,冯·诺伊曼存储体系结构。最适合用于对性价比和功耗要求较高的消费类应用。 (1)ARM7系列有如下特点:

?具有嵌入式ICE-RT(In-Circuit Emulator-Real Time)逻辑,方便于开发调试; ?极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品; ?能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构; ?代码密度高,并兼容16位的Thumb指令集;

?对操作系统的支持广泛,如Windows CE、Linux、Palm OS等;

?指令系统与ARM9系列、ARM10E系列向下兼容,便于用户的产品升级换代; ?主频最高可达130M,高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。

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