ARM體系結(jié)構(gòu)與編程嵌入式系統(tǒng)及ARM概述_圖文

1、ARM體系結(jié)構(gòu)與編程第一章嵌入式系統(tǒng)及ARM概述第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)嵌入式處理器分類常見嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)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、體積及功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義:用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置(Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment,machinery or pla

2、nts。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體,還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)1.嵌入式系統(tǒng)通常面向特定應(yīng)用,嵌入式處理器與通用CPU的最大不同是前者大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn),能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部;2.嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這點(diǎn)就決定它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng);嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)3.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率設(shè)計(jì)、量體裁衣、去除冗余,力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用

3、中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力;4.嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起,它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行,因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng),具有較長(zhǎng)的生命周期;嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)5.為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性,嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中,而不是存貯于磁盤等載體中;6.嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力,即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的,必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)(交叉編譯:在一種計(jì)算機(jī)環(huán)境中運(yùn)行的編譯程序,能夠編譯出在另外一種環(huán)境下運(yùn)行的代碼。嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式硬件平臺(tái)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用軟件嵌入式系統(tǒng)組成 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域無

4、處不在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)市場(chǎng)需求旺盛硬件快速發(fā)展軟件快速發(fā)展嵌入式處理器分類嵌入式微處理器(MPU,Micro Processor Unit,通用CPU裁剪而來,只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的功能,一般運(yùn)行復(fù)雜的OS嵌入式微控制器(MCU,Micro Controller Unit,又稱單片機(jī),側(cè)重用于控制領(lǐng)域,無OS或運(yùn)行簡(jiǎn)單的OS 嵌入式DSP處理器(Digital Signal Processor,側(cè)重?cái)?shù)據(jù)處理或算法嵌入式片上系統(tǒng)(SoC,System on Chip,在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜、完整的系統(tǒng),包含處理器和所需外設(shè),如Altera NiosII常見嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)MCS-51M

5、CS-96Intel 80x86MIPSPowerPCARM第二節(jié)ARM概述關(guān)于ARMARM指令架構(gòu)ARM存儲(chǔ)架構(gòu)ARM技術(shù)特點(diǎn)ARM應(yīng)用領(lǐng)域ARM體系結(jié)構(gòu)及變種ARM體系結(jié)構(gòu)與CPU核ARM全球合作伙伴關(guān)于ARM(A dvanced R ISC M achines一個(gè)公司的名稱,ARM Ltd.一類微處理器的通稱,ARM處理器一種技術(shù)的名稱,ARM技術(shù)ARM Ltd.1990年,在英國(guó)劍橋成立,前身為Acorn計(jì)算公司,詳見ARM大事記。ARM公司設(shè)計(jì)先進(jìn)的數(shù)字產(chǎn)品核心應(yīng)用技術(shù),提供廣泛的產(chǎn)品,包括:16/32位RISC微處理器、數(shù)據(jù)引擎、三維圖形處理器、數(shù)字單元庫(kù)、嵌入式存儲(chǔ)器、外設(shè)、軟件

6、、開發(fā)工具以及模擬和高速連接產(chǎn)品。ARM公司協(xié)同眾多技術(shù)合作伙伴為業(yè)界提供快速、穩(wěn)定的完整系統(tǒng)解決方案。ARM公司不生產(chǎn)IC,僅提供IP (Intelligence Property技術(shù)授權(quán)。ARM Offices Worldwide England -Cambridge、Maidenhead、Sheffield、BlackburnChina -Beijing、Shanghai(安謀咨詢上海有限公司、Shenzhen、Taipei ARM指令架構(gòu)CISC(Complex Instruction Set Computer復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī),如:X86-based PC、MCS-51RISC(Red

7、uced Instruction Set Computer精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī),如:MIPS、Microchip PIC RISC相對(duì)較CISC有優(yōu)勢(shì),了解ARM采用16(T后綴/32-bit RISC指令架構(gòu),不斷發(fā)展ARM 三級(jí)與五級(jí)指令流水線Instruction FetchShift + ALUMemory AccessReg WriteReg Read Reg Decode FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMI ARM or Thumb Inst Decode Reg SelectRegReadShift ALU RegWriteThumb ARM

8、decompressARM decodeInstruction FetchFETCHDECODE EXECUTEARM7TDMIARM 三級(jí)指令流水線流水線允許多個(gè)操作同時(shí)處理,減小CPI(Clocks or Cycles Per Instruction,比逐條指令執(zhí)行要快。PC指向正被取指的指令,而非正在執(zhí)行的指令。Execute Decode Fetch 寄存器讀(從寄存器Bank移位及ALU操作寄存器寫(到寄存器Bank解碼指令從存儲(chǔ)器中讀取指令PC-8 PC-4 PC-4 PC-2 PC PC ARM ThumbARM存儲(chǔ)架構(gòu)馮.諾依曼:指令和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線哈佛:指令和數(shù)據(jù)擁有獨(dú)立總

9、線,可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ARM存儲(chǔ)架構(gòu)得看具體的CPU核,如: Samsung S3C44B0為馮.諾依曼存儲(chǔ)架構(gòu),S3C2410A為哈佛存儲(chǔ)架構(gòu)哈佛存儲(chǔ)架構(gòu)示例觀察ID31:0、DD31:0 ARM技術(shù)特點(diǎn)繼承典型的RISC特性:一個(gè)大而統(tǒng)一的寄存器文件;Load/Store存儲(chǔ)訪問結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)處理只針對(duì)寄存器的內(nèi)容;統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域,簡(jiǎn)化指令譯碼。除此之外,ARM還采用一些特別的技術(shù),在保證高性能的同時(shí)盡量減小芯片體積、降低芯片的功耗。這些技術(shù)包括:每一條數(shù)據(jù)處理指令都對(duì)ALU和移位器控制,以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者的最大利用;地址自動(dòng)增加/減少的尋址模式實(shí)現(xiàn)了程序循環(huán)的優(yōu)化;多寄存器Loa

10、d/Store 指令實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量;所有指令的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。這些在基本RISC結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)的特性使ARM處理器在高性能、低代碼規(guī)模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。ARM應(yīng)用領(lǐng)域ARM應(yīng)用領(lǐng)域涉及:無線、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)娛樂、影像、汽車電子、安全應(yīng)用、存儲(chǔ)裝置、控制領(lǐng)域占據(jù)32位RISC IC 75%的市場(chǎng)份額ARM體系結(jié)構(gòu)版本發(fā)展 ARM體系結(jié)構(gòu)版本及變種T變種:支持16位Thumb指令集D變種:支持JTAG調(diào)試器M變種:支持快速乘法指令、64位長(zhǎng)乘法指令I(lǐng) 變種:ICE(In-Circuit Emulator,嵌入式跟蹤宏單元E變種:增強(qiáng)型DSP指令J變種:Java加速器JazelleF變種:浮點(diǎn)向量單元-S:可綜合版本(如:ARM7TDMI-S26/100 ARM體系結(jié)構(gòu)版本與CPU核 CPU核 已經(jīng)不用 Stron