《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》教案(共40頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教案課程總學(xué)時：32講課學(xué)時：24實驗學(xué)時：8授 課 人：楊詞慧南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院專心-專注-專業(yè)目 錄1 嵌入式系統(tǒng)概述教學(xué)目的：使學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的基本概念和體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用及發(fā)展趨勢有一定的了解。教學(xué)重點：嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。教學(xué)難點：嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時間：2課時。教學(xué)內(nèi)容1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念(1) 嵌入式系統(tǒng)的定義先舉例說明生活中的各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，如iPhone、小米手機(jī)、洗衣機(jī)、電壓力

2、鍋等。IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、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 plants）。微機(jī)學(xué)會的定義：嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計算機(jī)系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)級、板級和片級。a) 系統(tǒng)級：各種類型的工控機(jī)、PC104等模塊。b) 板級：各種類型的帶CPU的主板或OEM產(chǎn)品。c) 片級：各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。一般定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可

3、裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計算機(jī)系統(tǒng)。(2) 嵌入式系統(tǒng)的特點a) 專用、軟硬件可剪裁配置。b) 低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性。c) 軟件代碼矮小精悍。d) 代碼可固化。e) 實時性。f) 弱交互性。g) 軟件開發(fā)通常需要專門的開發(fā)工具、環(huán)境和方法。h) 要求開發(fā)、設(shè)計人員具有較高的技能。i) 具有較長的生命周期。(3) 嵌入式系統(tǒng)的分類按嵌入式微處理器的位數(shù)可分為：4位、8位、16位、32位和64位。按實時性能可分為：非實時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)。按軟件結(jié)構(gòu)可分為：嵌入式單線程系統(tǒng)和嵌入式事件驅(qū)動系統(tǒng)。按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：信息家電類、消費(fèi)電子類、醫(yī)療電子類、移動終端類、通信類、

4、汽車電子類、工業(yè)控制類、航空電子類、軍事電子類等。1.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史(1) 以單芯片為核心的可編程控制器形成的系統(tǒng)1971年11月，Intel推出Intel 4004。隨后出現(xiàn)Intel 8080/8085、8086、Motorola的6800、68000，Zilog的Z80、Z8000。以微處理器為核心構(gòu)成的系統(tǒng)單板機(jī)：Intel的iSBC系列、Zilog的MCB等將計算機(jī)做在一個芯片上，大部分應(yīng)用于專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，沒有操作系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小。(2) 以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)CPU種類繁多，通用性較

5、弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)化，用戶界面不夠友好。(3) 以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)可運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小，效率高；具備文件和目錄管理，支持多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具備圖形窗口和用戶界面；有大量的應(yīng)用程序接口API。(4) 以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合。1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(1) 體系結(jié)構(gòu)(2) 硬件層l 嵌入式處理器：ARM、DSP、FPGAl 存儲器系統(tǒng)：ROM、FLASH、SDRAMl 中斷控制器、DMAC、定時器/計數(shù)器、UART、USB控制

6、器、LCD控制器等l I/O接口：USB、I2C、SPI、CAN等(3) 中間層l 硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer, HAL)。位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，隱藏硬件接口細(xì)節(jié)。l 板級支持包（Board Support Package, BSP）。為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。l 設(shè)備驅(qū)動程序1.4 嵌入式處理器(1) 嵌入式處理器的分類中高端的嵌入式微處理器（Embedded Micro-Processor Unit, EMPU）低端的微控制器（Microcontroller Unit, MCU）DSP處理器（Digital Si

7、gnal Processor, DSP）高度集成的片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）(2) 嵌入式微處理器由通用計算機(jī)中的CPU演變而來，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性、功耗等方面做了各種增強(qiáng)。主要的嵌入式處理器類型：ARM、MIPS、PowerPC、68000系列等。特點a) 在設(shè)計中考慮低功耗。b) 采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。處理器內(nèi)部留有很多擴(kuò)展接口。c) 具有很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。d) 提供豐富的調(diào)試功能。e) 對實時任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。(3) 微控制器俗稱單片機(jī)，將整個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。以一種微處理器為核心，芯片內(nèi)部集

8、成Flash、RAM、總線邏輯、定時器/計數(shù)器、I/O口、串行口、PWM、A/D、D/A等。最早的單片機(jī)： 1976年，Intel的8048，Motorola的68HC05、Zilog公司的Z80.(4) DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合DSP算法高效乘累加運(yùn)算、超標(biāo)量操作、指令流水線高效數(shù)據(jù)存取、硬件重復(fù)循環(huán)確定性操作（程序執(zhí)行時間可預(yù)測）應(yīng)用場合：音視頻編解碼、數(shù)字濾波、FFT等(5) 片上系統(tǒng)將整個系統(tǒng)做在一個芯片上優(yōu)點a) 通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗b) 減少芯片對外的引腳數(shù)，簡化制造過程c) 減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理

9、的速度d) 內(nèi)嵌線路可避免信號傳遞時所造成的系統(tǒng)雜訊聯(lián)發(fā)科推出28nm雙核處理器MT6572a) 代號武松，基于Cortex-A7架構(gòu)b) 主頻為1.2GHzc) 處理器上整合了Wi-Fi、FM收音機(jī)、GPS以及藍(lán)牙四種功能d) 支持500萬像素攝像頭(6) 嵌入式處理器的發(fā)展趨勢a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)SoC設(shè)計，與DSP、Flash、FPGA融合；性能更強(qiáng)，集成更多的功能部件；雙核或多核結(jié)構(gòu)b) 功耗更低c) 可靠性更高d) 支持ISP、ISD1.5 嵌入式操作系統(tǒng)(1) 操作系統(tǒng)的概念及功能操作系統(tǒng)。是一組計算機(jī)程序的集合，用來有效地控制和管理計算機(jī)的硬件和軟件資源，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。功

10、能：處理器管理；存儲器管理；設(shè)備管理；文件管理；用戶接口(2) 操作系統(tǒng)的分類按程序調(diào)度的方法分為l 順序操作系統(tǒng)。只含一個運(yùn)行程序，獨(dú)占CPU時間，順序執(zhí)行。如DOS系統(tǒng)。l 分時操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時有多道程序運(yùn)行。如Unix系統(tǒng)。l 實時操作系統(tǒng)。從應(yīng)用角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為l 面向低端信息家電l 面向高端信息家電l 面向個人通信終端l 面向通信設(shè)備l 面向汽車電子l 面向工業(yè)控制從實時性的角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為l 具有強(qiáng)實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)l 具有弱實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)l 沒有實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)(3) 實時操作系統(tǒng)（RTOS）是具有實時性且能支持實時控制系統(tǒng)工作的操

11、作系統(tǒng)，首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源來完成控制任務(wù)。對現(xiàn)場不停監(jiān)測，一旦有事件發(fā)生能立即處理。與通用OS的區(qū)別：實時性，代碼尺寸小。一般包括以下幾個重要組成部分：l 實時內(nèi)核：任務(wù)管理、定時器管理、存儲器管理、任務(wù)間通信與同步等。l 網(wǎng)絡(luò)組件l 文件系統(tǒng)l 圖形用戶界面IEEE的Unix委員會規(guī)定了實時操作系統(tǒng)須具備以下幾個特點：l 支持異步事件的響應(yīng)。l 中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先機(jī)制。l 支持指令性計劃占式調(diào)度。l 支持同步。(4) 常見的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式Linuxl 實時的嵌入式Linux：如RT-Linux、KURT-Linux等。 RT-Linux將通常的Linux任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為最低

12、。l 一般的嵌入式Linux：如CLinux。l 開源，內(nèi)核小、效率高，可定制C/OS和C/OS-IIl C/OS-II (MicroController Operating System) 是由Jean J. Labrosse開發(fā)的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。l 已被移植到Intel、ARM、Motorola等公司的81種不同的處理器上。l Labrosse用一年時間開發(fā)了C/OS實時操作系統(tǒng)； 1992年在Embedded System Programming上 發(fā)表介紹文章，并公布源代碼；1993年寫了C/OS, The Real-Time Kernel；書及源碼推動了C/OS-II的發(fā)展。l C

13、/OS-II只是一個實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核，全部核心代碼只有8.3 KB。l 只包含進(jìn)程調(diào)度、時鐘管理、內(nèi)存管理和進(jìn)程間的通信與同步等基本功能。Windows CEl 多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的32位嵌入式操作系統(tǒng)。l 基本內(nèi)核大小至少為200KB。VxWorksl 美國WindRiver公司于1983年設(shè)計l 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。l 擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力和高性能的內(nèi)核及友好的用戶開發(fā)環(huán)境。l 支持多種處理器，如ARM、x86、i960、SunSparc、MIPS RX000、PowerPC、StrongARM等。l 以良好的可靠性和實時性，廣泛應(yīng)用在通信、

14、軍事、航空、航天等領(lǐng)域。l 應(yīng)用案例：美國F-16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)，B-2隱形轟炸機(jī)，“愛國者”導(dǎo)彈，1997年4月在火星登陸的火星探測器。Palm OSl 32位嵌入式操作系統(tǒng)，由3Com公司的Palm Computing部門開發(fā)。l 在掌上電腦和PDA市場上占有很大的市場份額，曾占據(jù)90%的PDA市場份額。l 2010年04月29日惠普12億美元收購PalmQNXl 一個實時、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)。l 部分遵循POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。l 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。l 內(nèi)核非常小巧（QNX4.X約為12KB），運(yùn)行速度極快。iOSl 蘋

15、果推出，基于Darwinl 最新：iOS8Androidl Google開發(fā)的基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)Delta OSl 是電子科技大學(xué)實時系統(tǒng)教研室和北京科銀京成技術(shù)有限公司聯(lián)合研制并開發(fā)的全中文嵌入式操作系統(tǒng)。l 絕大部分代碼由C語言編寫。l 已成功應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電等多個應(yīng)用領(lǐng)域。pSOSISI公司研發(fā)的產(chǎn)品。模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展。1.6 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(1) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域l 消費(fèi)電子領(lǐng)域l 通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域l 工業(yè)控制領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域l 交通管理與汽車電子領(lǐng)域l 國防與航空航天領(lǐng)域l 醫(yī)療儀器領(lǐng)域(2) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢l 小型化、智能化、

16、網(wǎng)絡(luò)化、可視化l 多核技術(shù)的應(yīng)用l 低功耗、綠色環(huán)保l 云計算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中l(wèi) 嵌入式系統(tǒng)軟件將逐漸PC化l 融合趨勢n 微控制器MCU與SoC的結(jié)合n 微控制器MCU與DSP的結(jié)合n ARM與DSP的結(jié)合n 微控制器MCU與CPLD/FPGA的結(jié)合l 安全性2 ARM體系結(jié)構(gòu)教學(xué)目的：使學(xué)生對ARM設(shè)計思想、ARM處理器系列、ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM處理器模式、ARM內(nèi)部寄存器、ARM體系的存儲系統(tǒng)有一定的了解。教學(xué)重點：ARM設(shè)計思想、ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM處理器模式、ARM內(nèi)部寄存器。教學(xué)難點：ARM處理器模式、ARM內(nèi)部寄存器。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講

17、授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時間：4課時。教學(xué)內(nèi)容2.1 ARM設(shè)計思想(1) RISC傳統(tǒng)的CISC (Complex Instruction Set Computing)指令集中，約20%指令占整個程序代碼的80%。RISC (Reduced Instruction Set Computing) 是一種設(shè)計思想，其目標(biāo)是設(shè)計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡單而有效的指令集。RISC設(shè)計重點在于降低硬件執(zhí)行指令的復(fù)雜度，而傳統(tǒng)的CISC更側(cè)重于硬件執(zhí)行指令的功能性，使CISC指令變得復(fù)雜。(2) RISC設(shè)計思想的實現(xiàn)l 指令集。減少了指令種類，指令只實現(xiàn)簡單的功能，指令長度固定。l 流水線。指

18、令的處理過程被拆分成幾個更小的、能夠被流水線并行執(zhí)行的單元。l 寄存器。更多通用寄存器，可存數(shù)據(jù)和地址，可為所有數(shù)據(jù)操作提供快速的局部存儲訪問。l load-store結(jié)構(gòu)。處理器只處理寄存器中數(shù)據(jù)，用load和store指令完成寄存器和外存間的數(shù)據(jù)傳送(3) ARM的設(shè)計思想l 較小的核。降低功耗l 高的代碼密度?？紤]成本和物理尺寸限制l 較小的處理器內(nèi)核管芯 (Die) 面積。留給外設(shè)電路的空間較大l 硬件調(diào)試技術(shù)(4) ARM微處理器的特點l 體積小，功耗低，成本低，性能高；l 支持Thumb/ARM指令集,兼容8/16位器件； l 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；l 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都

19、在寄存器中完成；l 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；l 指令長度固定。2.2 ARM體系結(jié)構(gòu)分析(1) 包含典型 的RISC 體系結(jié)構(gòu)特征l 統(tǒng)一寄存器文件加載/存儲體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理操作只針對寄存器內(nèi)容；l 簡單尋址模式，所有加載/存儲地址只通過寄存器內(nèi)容和指令字段確定。l 指令長度固定，簡化了指令譯碼。(2) 還提供l 可組合使用轉(zhuǎn)換與算術(shù)或邏輯運(yùn)算指令l 自動遞增和自動遞減尋址模式，可優(yōu)化程序循環(huán)l 加載存儲多個指令以最大化數(shù)據(jù)吞吐量l 幾乎所有指令都采取條件執(zhí)行的方式(3) 普林斯頓結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)普林斯頓結(jié)構(gòu)：也稱馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，它將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲結(jié)

20、構(gòu)。ARM7系列基于普林斯頓結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)：將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲結(jié)構(gòu)。ARM9系列之后都基于哈佛結(jié)構(gòu)。(4) 流水線ARM7的三級流水線在執(zhí)行單元完成了大量的工作，執(zhí)行單元的工作往往占用多個時鐘周期，從而成為系統(tǒng)性能的瓶頸。ARM9采用哈佛架構(gòu)，避免了數(shù)據(jù)訪問了取指的總路線沖突，采用五級流水線設(shè)計。五級流水線技術(shù)把三級流水線中的執(zhí)行單元進(jìn)一步細(xì)化，減少了在每個時鐘周期內(nèi)必須完成的工作量，進(jìn)而允許使用較高的時鐘頻率。無論三級流水線還是五級流水線，在以下情況下都會發(fā)生阻塞：l 多周期指令、跳轉(zhuǎn)分支指令l 中斷發(fā)生l 相鄰指令之間的寄存器沖突：如果當(dāng)前指令（A）的目的操作數(shù)寄存器和下一

21、條指令（B）的源操作數(shù)寄存器一致，B指令就需要等A回寫之后才能譯碼。(5) ARM體系結(jié)構(gòu)的版本2.3 ARM處理器系列(1) ARM處理器系列l(wèi) 經(jīng)典ARM處理器：ARM7、 ARM9、 ARM10、 ARM11l Cortex-A系列處理器：Cortex-A15、Cortex-A9、Cortex-A8、Cortex-A7、Cortex-A5l Cortex-R系列處理器：Cortex-R7、Cortex-R5、Cortex-R4l Cortex-M系列處理器：Cortex-M4、Cortex-M3、 Cortex-M1、 Cortex-M0+、 Cortex-M0、CMSDK、CMSISl

22、 SecurCore處理器(2) ARM內(nèi)核版本命名規(guī)則(3) ARM7系列微處理器a) 主要特點l 最高主頻：130MIPS(Million Instructions Per Second)；l 功耗低；l 代碼密度高，兼容16位的微處理器；l 可得到廣泛的操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)支持；l 眾多的開發(fā)工具，優(yōu)秀的調(diào)試機(jī)制；l 采用3級流水線結(jié)構(gòu)；l 提供0.25m、0.18m和0.13m的生產(chǎn)工藝。b) 馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。c) 包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S和ARM720T四種類型，適用于不同的市場要求d) ARM7TDMIl A

23、RM公司最早為業(yè)界普遍認(rèn)可并廣泛應(yīng)用的處理器核。l T：Thumb；D：Debug；M：Multiplier；I：Embedded ICE logic。e) ARM7TDMI-Sl 是ARM7TDMI的可綜合 (synthesizable) 版本（軟核）。l ARM以“軟”核的方式把ARM7TDMI核授權(quán)給處理器廠商，處理器廠商可進(jìn)行修改和綜合。這就是ARM7TDMI-S。l 綜合出的整個核比“硬”核大50%，電源效率降低50%。f) ARM7EJ-Sl 是可綜合的、帶有增強(qiáng)型DSP（E變種）和Java加速功能（J變種）的32位RISC嵌入式處理器 。l 主要用于數(shù)字音頻播放器、帶Java功能

24、的無線手持設(shè)備、噴墨打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和PDA等方面。g) ARM720Tl 專為使用Windows CE、Symbian OS操作系統(tǒng)平臺設(shè)計。l 主要用于數(shù)字音頻播放器、噴墨打印機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等。(4) ARM9系列微處理器a) 主要特點l 5級整數(shù)流水線；l 單一的32位AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 總線接口；l MMU支持Windows CE、Symbian OS、Linux等；l 支持實時操作系統(tǒng)，包括VxWorks；l 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache；l 提供0.25m、0.18m和0.13m的生產(chǎn)工藝。b) 包

25、括ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T和ARM9E四種類型。后三種含有Cache。c) 采用Harvard體系結(jié)構(gòu)l 指令與數(shù)據(jù)分開存儲。l 采用指令快存 和數(shù)據(jù)快存。d) 在相同工藝條件下，ARM9TDMI的處理能力是ARM7TDMI的兩倍。e) ARM920Tl Motorola MC9328MX1和Samsung S3C2410X處理器都采用ARM920T 核心。l 主要應(yīng)用于通信終端、3G基帶和應(yīng)用處理器、基于OS的平臺設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、音頻/視頻解碼和機(jī)頂盒等。f) ARM940Tl 與ARM920T相比，實現(xiàn)了一個更小的D-Cache、I-Cache和MPU。適于不需運(yùn)行

26、操作系統(tǒng)的平臺。g) ARM9El 使用單一的處理器核，提供微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案；l DSP指令集；l 在0.13m工藝下，主頻可達(dá)300MIPS的性能；l 集成實時跟蹤調(diào)試功能；l 可選的VFP9浮點處理協(xié)處理器；l 高性能的AHB (Advanced High performance Bus)。(5) ARM10系列微處理器a) 主要特點l 6級流水線；l 在典型的0.13m工藝下，主頻可達(dá)400MIPS的性能；l 單一的32位AMBA 總線接口；l MMU支持Windows CE、Symbian OS、Linux等；l 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache；l 提

27、供0.25m、0.18m和0.13m的生產(chǎn)工藝；l 并行讀取/寫入部件。b) 包括：ARM1020、ARM10200、ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S。c) 使用ARM10TDMI處理器核，采用ARMv5T結(jié)構(gòu)。d) ARM10TDMIl 在相同工藝條件下，處理能力是ARM9TDMI的兩倍；l 采用提高時鐘頻率、6級流水線、轉(zhuǎn)移預(yù)測邏輯、64位存儲器和無阻塞的存/取邏輯等措施提升性能。e) ARM10E。新節(jié)能模式，64位Load/Store體系，與ARM10TDMI相比具有的特點l DSP指令集；l 可選的VFP10浮點處理協(xié)處理器；l 在實時控制和三維圖像處理時，

28、主頻可達(dá)650MFLPS (百萬次浮點運(yùn)算每秒)。(6) ARM11系列微處理器l ARM1156T2-S內(nèi)核、 ARM1156T2F-S內(nèi)核、 ARM1176JZ-S內(nèi)核和ARM11JZF-S內(nèi)核l ARM1156T2-S內(nèi)核和 ARM1156T2F-S內(nèi)核l 基于ARM v6指令集體系結(jié)構(gòu)；l 是首批含有ARM Thumb-2內(nèi)核技術(shù)的產(chǎn)品。(7) Cortex-A系列微處理器l 適于高計算要求、運(yùn)行豐富操作系統(tǒng)及提供交互媒體和圖形體驗的應(yīng)用領(lǐng)域。l 支持傳統(tǒng) ARM、Thumb指令集和新的高性能緊湊型 Thumb-2 指令集。l 移動互聯(lián)網(wǎng)的支持 n 低功率設(shè)計，支持 Adobe Fla

29、sh 10.1n 高性能 NEON 引擎，廣泛支持媒體編解碼器l 高性能n Cortex-A15：為新一代移動基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用和無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供高性能的解決方案。n Cortex-A9。800 MHz - 2 GHz 的頻率，作單核處理器或 1-4 核多核合成處理器，每內(nèi)核可提供 5000 DMIPS 的性能。n Cortex-A8。單核解決方案，可提供經(jīng)濟(jì)有效的高性能，在 600 MHz - 1 GHz 的頻率下，提供的性能超過 2000 DMIPS。n Cortex-A5 低成本實現(xiàn)，在 400- 800 MHz 的頻率下，提供的性能超過 1200 DMIPS，是尺寸最小、功耗最低的 AR

30、M 多核處理器。l 多核技術(shù)：Cortex-A15、Cortex-A5和Cortex-A9 處理器都支持 ARM 第二代多核技術(shù)。l 高級擴(kuò)展n Thumb-2，提供最佳代碼大小和性能。n TrustZone，安全擴(kuò)展，提供可信計算。n Jazelle 技術(shù)，提高執(zhí)行環(huán)境（如 Java、.Net、MSIL、Python 和 Perl）速度。(8) Cortex-R系列微處理器l 為具有嚴(yán)格的實時響應(yīng)限制的深層嵌入式系統(tǒng)提供高性能計算解決方案。n 快速。以高時鐘頻率獲得高處理性能。n 確定性。處理在所有場合都必須符合硬實時限制。n 安全。系統(tǒng)必須可靠且可信。n 成本效益。在處理器及其內(nèi)存系統(tǒng)中都

31、具有競爭力的成本和功耗。l 應(yīng)用領(lǐng)域n 智能手機(jī)n 企業(yè)系統(tǒng)：硬盤驅(qū)動器、聯(lián)網(wǎng)和打印n 消費(fèi)電子：機(jī)頂盒、數(shù)字電視和播放器n 醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)和汽車行業(yè)的可靠系統(tǒng)l 功能集(9) Cortex-M系列微處理器l 向上兼容的高能效、易于使用的處理器l 針對成本和功耗敏感的 MCU 和終端應(yīng)用的混合信號設(shè)備進(jìn)行過優(yōu)化。l 更低的功耗，更長的電池壽命。l 高密度指令集，更小的代碼，更低的硅成本。(10) SecurCore系列微處理器l 為安全要求較高應(yīng)用設(shè)計。智能卡n SIM、ID、銀行業(yè)、付費(fèi)電視、公共交通、電子政務(wù)2.4 ARM處理器模式(1) 32位ARM處理器工作狀態(tài)32位ARM處理器有三種

32、工作狀態(tài)l ARM狀態(tài)。對應(yīng)32位ARM指令集l Thumb狀態(tài)。對應(yīng)16位Thumb指令集l Jazelle狀態(tài)。對應(yīng)8位的Jazelle指令集用于在處理器指令層次對JAVA加速只有進(jìn)入特定的狀態(tài)，相應(yīng)的指令集才有效。CPSR的J(Jazelle)和T(Thumb)位反映程序的狀態(tài)。Thumb-2l 與現(xiàn)有 ARM 和 Thumb 解決方案向后兼容，同時擴(kuò)展了 Thumb 指令集的可用功能；l 使用少于 31% 的內(nèi)存以降低系統(tǒng)成本；l 提供比現(xiàn)有高密度代碼高出 38% 的性能。(2) 64位ARM處理器工作狀態(tài)ARMv8架構(gòu)兩種主要執(zhí)行狀態(tài)：AArch64, AArch32AArch64：

33、引入了一套新的指令集“A64”專門用于64位處理AArch32：兼容現(xiàn)有的32位ARM指令集ARMv8架構(gòu)支持三個主要指令集A32(或 ARM)：32 位固定長度指令集T32 (Thumb)：以 16 位固定長度指令集的形式引入，在引入 Thumb-2 技術(shù)時增強(qiáng)為 16 位和 32 位混合長度A64：提供與 ARM 和 Thumb 指令集類似功能的64位固定長度指令集(3) ARM處理器運(yùn)行模式l 用戶模式(usr)：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。l 快速中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理l 外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理。l 管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)

34、模式。l 數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護(hù)。l 系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。l 未定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。運(yùn)行模式可通過軟件改變，也可通過外部中斷或異常處理改變。用戶模式之外的模式稱為非用戶模式或特權(quán)模式。除用戶模式和系統(tǒng)模式之外的5種稱為異常模式，常用于處理中斷和異常、訪問受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。2.5 ARM體系的異常處理(1) ARM體系中3種控制程序執(zhí)行流程的方式：l 順序執(zhí)行l(wèi) 跳轉(zhuǎn)分支指令l 異常中斷：處理器暫時中斷當(dāng)前數(shù)據(jù)流的現(xiàn)象。(2)

35、 對異常的響應(yīng)。 ARM處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后：l 進(jìn)入與特定的異常相應(yīng)的操作模式；l 將引起異常指令的下一條指令的地址保存到新模式的R14中；l 將CSPR原值保存到新模式的SPSR中；l 通過設(shè)置CSPR的第7位來禁止IRQ。如果為FIQ中斷，則還要設(shè)置CSPR的第6位來禁止FIQ；l 給PC強(qiáng)制賦向量地址值。(3) 中斷向量表指定了異常中斷及其處理程序的對應(yīng)關(guān)系，它通常存放在存儲地址的低端。大小為32字節(jié)，其中每個異常中斷占據(jù)4字節(jié)空間，用于存放一個跳轉(zhuǎn)指令或者一個向PC寄存器中賦值的指令。(4) 異常優(yōu)先級：當(dāng)幾個異常中斷同時發(fā)生時，就必須按照一定的次序來處理這些異常中斷。(5) 從異

36、常返回將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)偏移量后送到PC中；將SPSR復(fù)制回CPSR中；若在進(jìn)入異常處理時設(shè)置了中斷禁止位，則要清除。通過普通指令控制PC返回軟件中斷的返回指令MOVSR15, R14;將鏈接寄存器內(nèi)容移入PC并轉(zhuǎn)換模式IRQ，F(xiàn)IQ和預(yù)取異常終止中斷的返回指令SUBSR15, R14, #4數(shù)據(jù)終止異常的返回指令SUBSR15, R14, #8; 異常在導(dǎo)致異常的指令的下一條指令后產(chǎn)生2.6 ARM內(nèi)部寄存器(1) 寄存器結(jié)構(gòu)32位ARM有31個32位通用寄存器，6個狀態(tài)寄存器。通用寄存器可用來保存數(shù)據(jù)和地址信息，用R為前綴加寄存器序號表示15個通用寄存器（R0R14）、一個或兩個

37、狀態(tài)寄存器及程序計數(shù)器可在任意時間和處理器模式下被訪問，有些處理器模式擁有自身獨(dú)立的寄存器(2) 通用寄存器分成三類：R0R7：未分組寄存器。每個未分組寄存器在所有的處理器模式下都表示同一個物理寄存器。R8R14：分組寄存器。每個分組寄存器與一個用戶模式的寄存器對應(yīng)。R15：程序計數(shù)器PC。分組寄存器R8R14可分為兩組：R8R12：每個寄存器對應(yīng)兩組不同的物理寄存器，一組是FIQ模式下的，記為R8_fiqR12_fiq, 另一組是除FIQ模式外的：R8_usrR12_usr。R13R14：分別對應(yīng)6個不同的物理寄存器。用戶模式和系統(tǒng)模式共用一個寄存器，另外5個對應(yīng)其余5種。R13 _<

38、mode> R14 _<mode> <mode>可以是以下幾種模式之一：usr、svc、abt、und、irq和fiq。R13：被稱為堆棧指針SP，但沒有任何指令強(qiáng)制性使用R13作為堆棧指針R14又被稱為鏈接寄存器LR(Link Register)。當(dāng)調(diào)用子程序時，返回地址被自動保存到R14。由于ARM采用了多級流水線技術(shù)，所以當(dāng)正常讀取PC值時，該值為當(dāng)前指令地址值加8，或是加12。2.7 ARM體系的存儲系統(tǒng)(1) 地址空間將存儲器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合0-3字節(jié)：第1個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)4-7字節(jié)：第1個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)依次排列(2) 存儲器格式大端格式小

39、端格式(3) 存儲器訪問對準(zhǔn)無論取指還是內(nèi)存訪問都以字、半字或字節(jié)對準(zhǔn)訪問a) 非對齊的指令預(yù)取操作ARM狀態(tài)：將一個非對齊地址寫入PC，數(shù)據(jù)的第0位和第1位被忽略，PC的bit1:0為0Thumb狀態(tài)：數(shù)據(jù)的第0位被忽略，PC的bit0為0b) 非對齊地址內(nèi)存的訪問操作（LOAD/STORE操作）執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知忽略字單元地址低兩位的值，半字單元最低位的值（分別對應(yīng)訪問字和半字）在LDR和SWP指令中，對存儲器訪問忽略造成地址不對齊的低地址位，然后使用這些低地址位控制裝載數(shù)據(jù)的循環(huán)3 ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)目的：使學(xué)生對ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識有一定的了解。教學(xué)重點：AR

40、M指令系統(tǒng)。教學(xué)難點：ARM程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時間：4課時。教學(xué)內(nèi)容3.1 ARM尋址方式(1) 尋址方式處理器根據(jù)指令中給出的地址信息尋找物理地址的方式。尋找操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式。(2) 立即尋址也叫立即數(shù)尋址，操作數(shù)本身在指令中給出，該操作數(shù)被稱為立即數(shù)。例如：ADDR0, R0, #1; R0ßR0+1立即數(shù)須以“#”為前綴，對于十六進(jìn)制表示的立即數(shù)，還需在“#”后加上“0x”或“&”。(3) 寄存器尋址操作數(shù)存在寄存器中。例如：ADDR0, R1, R2; R0ßR1+R2(4) 寄存器間接尋址以寄存器的值

41、作為操作數(shù)地址。例如：ADDR0, R1, R2; R0 ß R1+R2(5) 基址變址尋址a) 基址加偏移的尋址方式將寄存器內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，得到操作數(shù)的有效地址。如：LDRR0, R1, #4; R0 ß R1+4前變址：基址加變址作為操作數(shù)地址。后變址：基址作為操作數(shù)的地址，傳送后自動更新基址寄存器的值。b) 基址加索引的尋址方式將基址寄存器的值與索引寄存器的值相加，形成操作數(shù)的有效地址。例如：LDRR0, R1, R2 ; R0 ß R1+R2c) 多寄存器尋址一條指令可完成多個（最多16個）寄存器值的傳送。例如：LDMIA R0, R1,

42、 R2, R4; R1 ß R0; R2 ß R0+4; R4 ß R0+8(6) 寄存器移位尋址操作數(shù)為寄存器中數(shù)做相應(yīng)的移位而得到例如：ARM中的移位或循環(huán)移位操作：l LSL：邏輯左移（Logical Shift Left）l LSR：邏輯右移（Logical Shift Right）ADDR0, R1, R2, LSL #3; R0ßR1+8×R2l ASR：算術(shù)右移（Arithmetic Shift Right）。移位過程中保持符號位不變，若源操作數(shù)為正數(shù)，則字的高端空出的位補(bǔ)0。若源操作數(shù)為負(fù)數(shù)，則字的高端空出的位補(bǔ)1。l ROR：

43、循環(huán)右移（Rotate Right）。從字的最低端移出的位依次填入字的高端空出的位。l RRX：擴(kuò)展的循環(huán)右移（Rotate Right Extended ）。操作數(shù)向右移一位，左側(cè)空位由狀態(tài)寄存器C位填充。當(dāng)移位的類型為RRX時，無需指定移位的位數(shù)，其它的則須指定移位的位數(shù)。(7) 相對尋址以PC當(dāng)前值作為基地址，指令中的地址標(biāo)號作為位移量，兩者相加后得到操作數(shù)的有效地址。例如：BLNEXT ; 跳轉(zhuǎn)至子程序 NEXTNEXTMOVPC, LR ; 從子程序返回(8) 堆棧尋址a) 堆棧：按先進(jìn)后出(FILO)的方式工作，使用堆棧指針(Stack Pointer, SP) 指示當(dāng)前操作位置。

44、b) 根據(jù)棧指針的指向位置可將堆棧分為l 滿堆棧：SP指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)。l 空堆棧：SP指向下個將放入數(shù)據(jù)空位置c) 根據(jù)堆棧的生成方式可將堆棧分為l 遞增堆棧(Ascending Stack)：堆棧由低地址向高地址生成。l 遞減堆棧(Descending Stack) ：由高地址向低地址生成。d) ARM支持四種類型堆棧工作方式滿遞增堆棧：SP指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生成。滿遞減堆棧：SP指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生產(chǎn)?？者f增堆棧：SP指向下個將放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生成。空遞減堆棧：SP指向下個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生成。3.

45、2 ARM指令集(1) ARM指令集分類加載/存儲指令數(shù)據(jù)處理指令分支指令狀態(tài)寄存器訪問指令異常/中斷指令協(xié)處理器指令(2) ARM指令的特點所有指令都是32bit；大多數(shù)指令都在單周期內(nèi)完成；所有指令都可以條件執(zhí)行；load/store體系結(jié)構(gòu)；指令集可以通過協(xié)處理器擴(kuò)展。(3) ARM指令的格式(4) ARM指令的條件執(zhí)行所有ARM指令都可包含一個可選的條件碼，只有當(dāng)CPSR中條件標(biāo)志位滿足指定條件時，指令才會被執(zhí)行。否則以NOP指令通過流水線。(5) 加載/存儲指令Load：將內(nèi)存中數(shù)據(jù)裝載到寄存器Store：將寄存器中的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存a) 單寄存器傳輸指令<LDR | STR>

46、; <cond> B Rd, addressing1<LDR | STR> <cond> SB | H | SHRd, addressing2<LDR | STR> <cond> B Rd, LABELLDR/STR指令：寄存器在前，地址在后LDM/STM指令：地址在前，寄存器在后LABEL：相對PC的尋址方式。編譯器在匯編時，會將標(biāo)號LABEL匯編成PC的偏移量存入該指令的立即數(shù)字段。B: Byte；S: Sign；H: HalfLDR/STR：讀/寫一個32bit字到/從一個32位寄存器，要求讀/寫地址字對齊。LDRB：內(nèi)存8bi

47、t字節(jié)à32bit寄存器；不要求地址對齊，寄存器高24位清零。STRB：寄存器低8位à內(nèi)存的某個地址；不要求地址對齊。LDRH：16bit半字à 32bit寄存器；要求地址半字對齊，寄存器的高16bit清零。STRH：寄存器低16bità內(nèi)存；要求地址半字對齊。LDRSH：有符號16bit半字à32bit寄存器中；要求地址半字對齊，寄存器高16bit根據(jù)符號位擴(kuò)展。LDRSB：有符號8bit字節(jié)à32bit寄存器中；不要求地址對齊，寄存器高24bit根據(jù)符號位擴(kuò)展?！皵?shù)據(jù)”一列指的是這條指令所訪問的存儲單元“基址寄存器”一列的內(nèi)容是指

48、執(zhí)行指令之后“基址寄存器”的內(nèi)容b) 多寄存器傳輸指令<LDM | STM> <cond> <尋址模式> Rn!, <Register> LDM / STM：從由基址寄存器指示的一片連續(xù)存儲器到寄存器列表所指示的多個寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。!：表示執(zhí)行完操作后將變化之后的地址值寫入基址寄存器：對于LDM操作，如恢復(fù)的寄存器中含有PC(R15)寄存器，則指令執(zhí)行的同時CPU自動將SPSR拷貝到CPSR中，例如：LDMFDR0-R12, LR, PC數(shù)據(jù)的傳送發(fā)生在User用戶模式下的寄存器，而非當(dāng)前模式寄存器，例如：LDMDBSP, R0 - LR例如

49、：STMIA R0!, R1-R5;以R0為地址指針，將R1-R5保存到內(nèi)存，指針向上移動c) 交換指令SWP B <cond> Rd, Rm, RnSWP：字交換；SWPB：字節(jié)交換Rd ß Rn, Rn ß Rm例如：SWP R1, R2, R3; R1ßR3 ,R3ß R2SWP R1, R1, R2; R1與R2內(nèi)容互換(6) 數(shù)據(jù)處理指令a) 數(shù)據(jù)傳送指令MOV cond SRd, Operand例如：MOVR1, R0MOVEQ PC, R14 ; 將R14值傳到PCb) 數(shù)據(jù)取反傳送指令MVN cond SRd, Operand

50、例如：MVN R1, #2; 將立即數(shù)2取反送至R1c) 算術(shù)運(yùn)算指令A(yù)DD、ADCADD|ADC cond S Rd, Oper1, Oper2例如：ADDSR0, R4, R8; 加低端的字ADCSR1, R5, R9; 帶進(jìn)位加第二字ADCSR2, R6, R10; 帶進(jìn)位加第三字ADCR3, R7, R11; 帶進(jìn)位加第四字可實現(xiàn) 128位加法SUB：減法指令SUB cond SRd, Oper1, Oper2SBC：帶借位減法指令SBC cond SRd, Oper1, Oper2例：SBCS R0, R1, R2 ; R0=R1R2CRSB：反向減法指令RSB cond SRd,

51、Oper1, Oper2操作數(shù)2減去操作數(shù)1，例如：RSBR0, R1, R2; R0 = R2 R1RSC：帶借位的逆向減法指令RSC cond SRd, Oper1, Oper2d) 邏輯運(yùn)算指令A(yù)ND：與AND cond SRd, Oper1, Oper2ORR：或ORR cond SRd, Oper1, Oper2EOR：異或EOR cond SRd, Oper1, Oper2e) 比較指令CMPCMP condOperand1, Operand2CMN：反值比較CMN condOperand1, Operand2將第一個數(shù)與第二個數(shù)的反值進(jìn)行比較，相當(dāng)于完成兩個數(shù)相加。例如：CMNR

52、1, R0 ; R1+R0，并設(shè)置CPSRf) 測試指令TSTTST condOperand1, Operand2 把兩個操作數(shù)按位進(jìn)行與運(yùn)算，根據(jù)結(jié)果更新CPSR。TEQTEQ condOperand1, Operand2把兩個操作數(shù)按位進(jìn)行異或運(yùn)算，根據(jù)結(jié)果更新CPSRg) 乘法指令MULMUL cond SRd, Oper1, Oper2RdßOperand1×Operand2。例如：MUL R0, R1, R2; R0 =R1×R2MLAMLA cond S Rd,Oper1,Oper2,Oper3 RdßOperand1×Operan

53、d2+Operand3例如：MLA R0, R1, R2, R3; R0 = R1×R2+R3UMULL：64位無符號數(shù)乘法指令UMULL cond SRd_L, Rd_H, Operand1, Operand2Rd_H:Rd_Lß Operand1×Operand2例如：UMULLR0, R1, R2, R3; R0 = (R2×R3) 的低32位; R1 = (R2×R3) 的高32位UMLAL： 64位無符號數(shù)乘加指令UMLAL cond SRd_L, Rd_H, Operand1, Operand2Rd_H:Rd_L+= Operand

54、1×Operand2例如：UMLAL R0, R1, R2, R3; R0 = (R2×R3)的低32位+R0; R1 = (R2×R3)的高32位+R1SMULL：64位有符號數(shù)乘法指令SMULL cond SRn_L, Rn_H, Operand1, Operand2Rd_H:Rd_Lß Operand1×Operand2SMLAL： 64位有符號數(shù)乘加指令SMLAL cond SRn_L, Rn_H, Operand1, Operand2Rd_H:Rd_L+= Operand1×Operand2(7) 分支指令a) B (分支指

55、令)和 BL (帶鏈接分支指令)B cond LABELBL cond LABEL允許向前或向后跳轉(zhuǎn)最高32MB。BL：帶返回的分支指令，用于調(diào)用一個將其返回地址存入鏈接寄存器的函數(shù)。例如：BLSUBPRGSUBPRG; <子程序代碼>MOVPC, LR; 返回b) BX (分支并可選地交換指令集)和BLX(帶鏈接分支并可選地交換指令集)BX cond RmBLX cond LABEL | RmRm：轉(zhuǎn)移地址，bit0為0時，目標(biāo)地址處為ARM指令，否則為Thumb指令。BX 和 BLX是唯一可使用的切換指令集的方法。BX 和 BLX指令執(zhí)行與B和BL指令相同的分支操作，并可從ARM指令集切換到THUMB指令集。c) 長跳轉(zhuǎn)通過向PC寄存器中寫目標(biāo)地址值，可實現(xiàn)在4GB地址空間中進(jìn)行任意跳轉(zhuǎn)。例如：MOVLR, PC; 保存返回地址MOVR15, #0x ; 無條件轉(zhuǎn)向0x(8) 狀態(tài)寄存器訪問指令a) MRSMRS <cond>