嵌入式系统原理及应用-Chapter3-ARM7TDMI简介

哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系第三章ARM7TDMI简介哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系主要内容•概述•结构和框图•3级流水线结构•ARM处理器的寻址方式•异常哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系主要内容•中断延迟•复位•指令的预取和自修改代码•协处理器接口•调试接口简介哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.1ARM7TDMI概述•ARM7TDMI概述：ARM7TDMI是目前应用最广泛的ARM家族成员之一。在应用中比较常见的芯片有：Atmel公司的AT91系列芯片、Samsung公司的S3C系列芯片和Cirrus公司的EP7系列等。哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目前低端的ARM核。具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。注意：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。3.1ARM7TDMI概述•ARM7TDMI概述：哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机（RISC），比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多。这样的简化实现了：高的指令吞吐量；出色的实时中断响应；小的、高性价比的处理器宏单元。3.1ARM7TDMI概述•ARM7TDMI概述：哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.2ARM7TDMI的模块和内核框图ARM7TDMI模块EmbeddedICE-RTCPUDBGRNG(0)DBGRNG(1)DBGEXT(0)DBGEXT(1)TAP数据总线ADDR[31:0]LOCKWRITESIZE[1:0]PROT[1:0]TRANS[1:0]WDATA[31:0]RDATA[31:0]DBGTDIDBGnTRSTDBGTMSDBGTCKENDBGTDO宏单元控制器协处理器接口信号扫描链1扫描链2EmbeddedICE-RTADDR[31:0]WDATA[31:0]RDATA[31:0]数据总线扫描线2扫描线1协处理器接口信号哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系•主核周围有2个扫描线，这是为外部调试服务的扫描逻辑。•主核和外部的总线连接是通过数据总线模块进行的。•数据总线的输入和输出是分开的，而地址线是共用的，也就是说共有32条输出数据总线、32条输入数据总线和32条地址总线。3.2ARM7TDMI的模块和内核框图哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系•TAP(testaccessingport):用于ARM进行测试和调试。一般外部调试主机使用JTAG通过串行通信来访问ARM处理器，这是一种比较方便的、以ARM为核的单片机的调试方法。•ICE(InCircuitEmulator)在线仿真是一个支持片上调试的单元。•从图上可以看出：这个结构只包括两个部分：一部分是ARM内核和总线；另一个部分是支持仿真调试的关联部件。3.2ARM7TDMI的模块和内核框图哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系外部嵌入式跟踪宏单元（ETM）连接到ARM7TDMI处理器，这样就能够实现对正在执行的处理器进行代码的实时跟踪。ETM直接连接到ARM内核而不是主AMBA系统总线。它将跟踪信息压缩并通过一个窄带跟踪端口输出。ETM接口简介•简介哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.2ARM7TDMI的模块和内核框图ARM7TDMI模块地址寄存器寄存器组31*32位寄存器（6个状态寄存器）地址增加器乘法器桶形移位器32位ALU写数据寄存器指令管线读数据寄存器Thumb指令译码器指令译码和控制逻辑ADDR[31:0]CLKCLENCFGBIGENDnIRQnFIQnRESETABORTLOCKWRITESIZE[1:0]PROT[1:0]TRANS[1:0]DBG输出DBG输入CP控制CP握手WDATA[31:0]RDATA[31:0]扫描调试控制哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.2ARM7TDMI的模块和内核框图ARM7TDMI模块CPBCPACPnICPTBITCPSEQCPnMREQCPnOPCCPnTRANSTRANS[1:0]PROT[1:0]SIZE[1:0]WRITEABORTRDATA[31:0]WDATA[31:0]ADDR[31:0]DBGTDODBGnTDOENDBGnTRSTDBGTDIDBGTMSDBGTCKENDBGCOMMTXDBGCOMMRXDBGRNG[0]DBGRNG[1]DBGENDBGEXT[0]DBGEXT[1]DBGnEXECDBGACKDBGBREAKDBGRQLOCKCFGBIGENDnRESETnFIQnIRQCLKENCLKDBGINSTRVALIDARM7TDMI-SDMORE同步的EmbededICE-RT扫描调试访问端口存储器接口存储器管理接口协处理器接口时钟中断总线控制仲裁调试处理器哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.3三级流水线结构•三级流水线ARM7TDMI处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：取指译码执行哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.3三级流水线结构•三级流水线正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。这三条指令之间的位置关系如下表所示：流水线上各指令的地址流水线工位描述ARM指令集Thumb指令集PCPC取指指令从存储器中取出PC-4PC-2译码对指令使用的寄存器进行译码PC-8PC-4执行从寄存器组中读出寄存器，执行移位和ALU操作，寄存器被写回到寄存器组中哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系•存储器访问ARM7TDMI处理器使用了冯·诺依曼（VonNeumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。数据可以是字节（8位）、半字（16位）或者字（32位）。哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系•存储器访问计算机结构说明：“冯·诺依曼”结构：把代码作为一种特殊的数据来操作，指令总线和数据总线及其存储区域是统一的；“哈佛”结构：指令总线和数据总线及其存储区是分开、独立的。哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系•存储器访问ARM7TDMI处理器的存储器接口可以使潜在的性能得以实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线，这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。ARM7TDMI处理器的存储器周期有4个基本类型：内部周期；非连续的周期；连续的周期；协处理器寄存器的传输周期。哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系3.4ARM处理器寻址方式寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找真实操作数地址的方式。ARM处理器具有9种基本寻址方式。(1).寄存器寻址；(2).立即寻址；(3).寄存器偏移寻址；(4).寄存器间接寻址；(5).基址寻址；(6).多寄存器寻址；(7).堆栈寻址；(8).块拷贝寻址；(9).相对寻址。哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段指出的是寄存器编号，指令执行时直接取出寄存器值来操作。寄存器寻址指令举例如下：MOVR1,R2;将R2的值存入R1SUBR0,R1,R2;将R1的值减去R2的值，结果保存到R00xAA0x55R2R1(1).寄存器寻址MOVR1,R20xAA哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系立即寻址指令中的操作码字段后面的地址码部分即是操作数本身，也就是说，数据就包含在指令当中，取出指令也就取出了可以立即使用的操作数(这样的数称为立即数)。立即寻址指令举例如下：SUBSR0,R0,#1;R0减1，结果放入R0，并且影响标志位MOVR0,#0xFF000;将立即数0xFF000装入R0寄存器0x55R0MOVR0,#0xFF00程序存储(2).立即寻址MOVR0,#0xFF000xFF00从代码中获得数据哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系寄存器移位寻址是ARM指令集特有的寻址方式。当第2个操作数是寄存器移位方式时，第2个寄存器操作数在与第1个操作数结合之前，选择进行移位操作。寄存器移位寻址指令举例如下：MOVR0,R2,LSL#3;R2的值左移3位，结果放入R0，;即是R0=R2×8ANDSR1,R1,R2,LSLR3;R2的值左移R3位，然后和R1相;“与”操作，结果放入R10x55R0R20x01(3).寄存器偏移寻址MOVR0,R2,LSL#30x080x08逻辑左移3位哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系寄存器间接寻址指令中的地址码给出的是一个通用寄存器的编号，所需的操作数保存在寄存器指定地址的存储单元中，即寄存器为操作数的地址指针。寄存器间接寻址指令举例如下：LDRR1,[R2];将R2指向的存储单元的数据读出;保存在R1中SWPR1,R1,[R2];将寄存器R1的值和R2指定的存储;单元的内容交换0x55R0R20x400000000xAA0x40000000(4).寄存器间接寻址LDRR0,[R2]0xAA哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系基址寻址就是将基址寄存器的内容与指令中给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址。基址寻址指令举例如下：LDRR2,[R3,#0x0C];读取R3+0x0C地址上的存储单元;的内容，放入R2STRR1,[R0,#-4]!;先R0=R0-4，然后把R1的值寄存;到保存到R0指定的存储单元(5).基址寻址0x55R2R30x400000000xAA0x4000000CLDRR2,[R3,#0x0C]0xAA将R3+0x0C作为地址装载数据哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系多寄存器寻址一次可传送几个寄存器值，允许一条指令传送16个寄存器的任何子集或所有寄存器。多寄存器寻址指令举例如下：LDMIAR1!,{R2-R7,R12};将R1指向的单元中的数据读出到;R2～R7、R12中(R1自动加1)STMIAR0!,{R2-R7,R12};将寄存器R2～R7、R12的值保;存到R0指向的存储;单元中;(R0自动加1)使用多寄存器寻址指令时，寄存器子集的顺序是按由小到大的顺序排列，连续的寄存器可用“－”连接；否则用“，”分隔书写。(6).多寄存器寻址0x40000000R1R20x??0x010x400000000x??R3R40x??R60x??0x020x030x040x400000040x400000080x4000000C存储器LDMIAR1!,{R2-R4,R6}0x400000100x010x020x030x04哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系堆栈是一个按特定顺序进行存取的存储区，操作顺序为“后进先出”。堆栈寻址是隐含的，它使用一个专门的寄存器(堆栈指针)指向一块存储区域(堆栈)，指针所指向的存储单元即是堆栈的栈顶。存储器堆栈可分为两种：向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈(7).堆栈寻址哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系(7).堆栈寻址栈底栈顶栈区SP堆栈存储区栈顶栈底栈区SP向下增长向上增长0x123456780x12345678堆栈压栈堆栈压栈哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系栈顶SP栈顶SP栈底空堆栈栈底满堆栈堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项，称为满堆栈；堆栈指针指向下一个待压入数据的空位置，称为空堆栈。(7).堆栈寻址0x123456780x12345678栈顶SP0x12345678栈顶SP压栈压栈哈工大华德应用技术学院计算机应用技术系所以可以组合出四种类型的堆栈方式：满递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最高地址。指令如LDMFA、STMFA等；空递增：堆栈向上增长