第1讲_嵌入式系统概述与ARM7体系结构

嵌入式系统原理及设计陈子为成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1课程安排课时：32学时（上课）+16学时（实验）形式：专题讲座+讨论+实验+项目设计内容安排第1讲嵌入式系统概述与ARM7体系结构第2讲指令系统与程序编制第3讲存储器映射与重映射第4讲系统控制与启动代码第5讲异常与中断第6讲定时器、PWM与实时时钟第7讲UART与SPI第8讲其它外设模块成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1工程项目：声音播放器数字时钟要按照完整工程项目要求来做。要提交相关技术文档，并且文档要规范作业与实验报告：不写作业写博客成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1教材与参考书目教材《ARM嵌入式系统基础教程（第2版）》周立功等编著，北京航空航天大学出版社，2005《ARM嵌入式系统实验教程（一）》周立功等编著，北京航空航天大学出版社，2004参考书目《深入浅出ARM7——LPC2200》周立功等编著，广州致远电子有限公司，2006《ARM体系结构及其嵌入式处理器》任哲等编著，北京航空航天大学出版社，2008，1《ARM程序分析与设计》王宇行编著，北京航空航天大学出版社，2008，3成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/11LECTURE嵌入式系统概述与ARM7体系结构陈子为成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1现实中的嵌入式系统成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1嵌入式系统无处不在成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1讨论什么是嵌入式系统、自己身边的嵌入式系统、与单片机、DSP的联系话题范围不限定，谈谈自己对嵌入式系统的理解成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/11、什么是嵌入式系统：来自IEEE的定义“Embeddedsystemisdevicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants”.——IEEE上述定义主要从应用上加以定义。可以看出：嵌入式系统是软硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1什么是嵌入式系统：广义上嵌入式系统是一种应用系统，它至少包含一个可编程的计算机（通常是某种形式的微控制器、微处理器或数字信号处理芯片（DSP））且使用该系统的人一般并未意识到该系统是基于计算机的。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1什么是嵌入式系统：国内的经典定义嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1嵌入式系统的特点嵌入式系统与通用型计算机系统相比，具有如下特点：专用性强。可裁减性。实时性与可靠性好。功耗低。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1通用计算机与嵌入式系统对比特征通用计算机嵌入式系统形式和类型•看得见的计算机。按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。•看不见的计算机。形式多样，应用领域广泛，按应用来分。组成•通用处理器、标准总线和外设。软件和硬件相对独立。•面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集成在处理器内部。软件与硬件是紧密集成在一起的。开发方式•开发平台和运行平台都是通用计算机•采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统。二次开发性•应用程序可重新编制•一般不能再编程成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1嵌入式处理器目前来讲，嵌入式处理器可以分成这样一些类型1、嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）2、嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）3、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）处理器4、嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1处理器外设存储器I/O“Systemonboard”“Systemonchip”USB以太网memory成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ExternalMemoryCPUAddressDataCacheBusInterfaceWriteBufferMMU/MPURRWWWW(R/W)外设如USB、LCD控制器等扩展芯片内核（core）处理器存储器子系统SoC的片内外设系统的片外设备处理器（Processor）芯片（SoC）系统（System）成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1手机的大概组成微处理器BusROMorFlash键盘无线电信号发射与接收LCD部件声音设备DSP其他外设RAM成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1微波炉CPUBUSROMRAM输入接口输出接口输入键开门马达磁电管风扇灯具嵌入式处理器喇叭成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1嵌入式系统的应用领域MicroprocessorCCDpreprocessorPixelcoprocessorA2DD2AJPEGcodecDMAcontrollerMemorycontrollerISAbusinterfaceUARTLCDctrlDisplayctrlMultiplier/AccumDigitalcamerachiplensCCDADigitalCamera成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/12ARM简介ARM公司简介ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集）处理器。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ARM公司简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1CPUCPU通用功能模块嵌入式处理器内置接口嵌入式处理器外置接口嵌入式系统的宿主对象IP商半导体芯片（SOC）商嵌入式系统开发者分工边界个性化强度嵌入式系统构成层次图成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ARM处理器的应用当前主要应用于消费类电子领域；到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75％以上的市场份额全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器，“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ARM处理器核简介ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARMcortex了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。ARM7ARM9ARM9EARM10ARM11CortexV4V4TV5TEV5TEV6V7ARM体系结构版本ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了7种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1～V7表示。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1v4v5TESA110v4TARM720TARM7TDMI-SARM920TARM940TARM922TARM966E-SARM946E-SARM1020Ev5TEJ/Jazellev6/JazelleARM7EJ-SARM926EJ-SARM1026EJ-SARM11Micro-ArchitectureRoadmapofARMV4/V5/V6成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1项目ARM7ARM9ARM10ARM11流水线3568典型频率（MHz）80150260335功耗（mW/MHz）0.060.19（+cache）0.5（+cache）0.4（+cache）性能MIPS**/MHz0.971.11.31.2架构冯诺伊曼哈佛哈佛哈佛成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ARM系列微处理器核特点ARM7ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMI处理器的可综合版本；ARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和JazelleTM技术，能够实现Java加速功能冯诺伊曼体系结构；ARMTDMI是目前应用最广的微处理器核ARM720T带有MMU和8KB的指令数据混合cache；ARM7EJ-执行ARMv5TEJ指令，5级流水线，提供Java加速指令，没有存储器保护。ARM9ARM920T：带有独立的16KB数据和指令Cache；ARM922T：带有独立的8位KB数据和指令Cache；ARM940T–包括更小数据和指令Cache和一个MPU基于ARM9TDMI，带16位的Thumb指令集，增强代码密度最多到35%；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；集成了数据和指令Chche；32位AMBA总线接口的MMU支持；可在0.18µm、0.15µm和0.13µm工艺的硅芯片上实现。成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技术，有MMU，可配置的数据和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的数据和指令Cache及TCM;ARM966E-S：针对要求高性能和低功耗的可预测的指令执行时间的硬实时应用设计ARM968E-S：最小、功耗最小的ARM9E系列处理器，针对嵌入式实时应用设计；ARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处理器解决方案；ARMJazelle技术提供8倍的Java加速性能(ARM926EJ-S)；5-级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；可选择的向量浮点单元VFP9协处理器指令优秀海浮点性能，对于3D图形加速和实时控制可达到215MFLOPS。高性能的AHB总线，带MMU可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现。ARM10EARM1020E：带DSP指令集，在片调试功能，独立的32KB数据和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：与ARM1020E相同，只是独立的数据和指令Cache变为16KB；ARM1026EJ-S：同时具有MPU和MMU，可综合版本；带分支预测的6级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到430MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理器，浮点运算性能最高可达650MFLOPS；双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接口；优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储器的性能；可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现成都信息工程学院3+1创新实验班-2019/8/1ARM11ARM11MPCore：可综合的多处理器核，1至4个处理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的数据和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4编码加速功能；ARM1156T2(F)-S：带集成