1ARM和嵌入式系统介绍

第一章ARM和嵌入式系统介绍嵌入式系统的应用可以说无处不在，渗透到了我们生活的每一个角落。只要我们是学习电类专业的，可以说离不开嵌入式系统。与嵌入式系统相关的知识与内容非常广泛，可以通过多种渠道获取，本章仅仅起到画龙点睛、抛砖引玉的作用，引导初学者入门。本章导读目录1.1ARM微处理器概述1.2嵌入式系统的概念1.3嵌入式操作系统1.4作业1.1ARM微处理器概述1.2嵌入式系统的概念1.3嵌入式操作系统1.4作业目录1.1.1ARM简介1.1ARM微处理器概述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（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）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。ARM可以认为是公司名，也可以认为是一种技术，还可以认为是一类处理器芯片。将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...目前，全世界有几十家大型半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使得整个系统成本降低，使产品更容易被消费者所接受，更具有竞争力。1.ARM微处理器的应用领域工业：各种数控设备无线通信领域网络应用消费领域：手机、平板电脑、数码相机，智能家电、等等此外：安防、车载、医疗器械、通信设备1.1.2ARM微处理器的应用领域及特点2.ARM微处理器的特点体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度很快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定（32位或16位）。1.1.3ARM微处理器系列ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列是Cortex，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。当前应用比较多的ARM处理器核系列有：V4T版本V6版本V7、V8版本V5TE版本T变量代表支持16位Thumb指令集；E变量代表增强型（Enhanced）DSP算法指令。ARM7ARM9ARM10EStrongARMARM11CortexARM9EXscaleIntelARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，基于ARMV7、V8版本的ARMCortex系列产品由A、R、M三个系列组成，具体分类延续了一直以来ARM面向具体应用设计CPU的思路。ARMCortexA应用处理器（ApplicationProcessor）系列R实时控制处理（RealTimeControl）系列M微控制器（MicroController）系列1.ARM7微处理器系列该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb16位压缩指令集和EmbeddedICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。2.ARM9微处理器系列该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。3.ARMCortex-A8处理器介绍该处理器是ARM公司所开发的基于ARMv7架构的首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语言的提前和即时编译的Jazelle@RTC技术。众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。4.Cortex-M3该处理器是首款基于ARMv7-M架构的处理器，采用了纯Thumb-2指令的执行方式（不支持ARM指令集），具有极高的运算能力和中断响应能力。Cortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。本课程介绍的Cortex-M3内核的STM32系列微控制器，价格低，性能高，价格2～30余元，为占领单片机市场而设计，内置高达112个GPIO、512KBFlashROM，64KBRAM、USB主机/从机、5个USART、SSP、IIC、SPI、CAN、3个12位A/D、D/A、8个16位定时器、PWM、RTC，…，3.3V电源，三级流水线，CPU速度高达72MHz。有两种处理器结构：CISC与RISCCISC：大多数PC机处理器（Intel、AMD），8051单片机，…RISC：两大主流，MIPS公司的MIPS和ARM公司的ARM。ARM微控制器，MSP430单片机，AVR单片机，MIPS处理器，…传统的CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机)随着计算机技术的发展，不断引入新的指令，为支持这些指令，计算机的结构越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令使用率达到80%，而其他80%指令却很少使用，显然，这种结构不合理。基于以上不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念，RISC并非简单的减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。1.1.4ARM微处理器结构1.RISC体系结构RISC（ReducedInstructionSetComputer）是精简指令集计算机的缩写，其目标是设计出在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。ARM内核采用RISC体系结构，因此具有RISC的结构特点：采用固定长度的指令格式，指令规整、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；具有大量的通用存储器，数据处理指令只对寄存器操作，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；装载/保存指令对数据的批量传输，实现最大数据吞吐量;每条数据处理指令可同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，实现ALU和移位器的最大利用；使用地址自增和自减的寻址方式优化程序循环；大多数指令的条件执行，实现最快速的代码执行。指标RISCCISC指令集指令数量通常少于100；较少的寻址方式；指令长度固定，一般为4字节；一个周期执行一条指令；通过简单指令的组合实现复杂操作指令数量多；较多的寻址方式；指令长度不固定，一般为1~15字节；有的指令需要多个周期；有专用的指令来完成特殊的功能寄存器更多通用寄存器用于特定目的的专用寄存器操作独立的Load和Store指令完成数据在寄存器和存储器之间的传输，只能对寄存器进行算术和逻辑操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作编译采用优化编译技术，可以生成高效的目标代码程序难以用优化编译器生成高效的目标代码程序RISC与CISC之间主要的区别2.ARM微处理器的寄存器结构传统的ARM处理器共37个寄存器，被分为若干个组（bank），包括：31个通用寄存器：R0～R156个状态寄存器：1个CPSR和5个SPSRCortex-M3有22个寄存器，仅SP分组，更简单。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR－SPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq传统ARM处理器37个寄存器及其分组情况（课本图2.1）Cortex-M3处理器的寄存器及其分组情况ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中ARM指令为32位长度，Thumb指令为16位长度，是ARM指令集的压缩子集；ARMv7架构的Cortex系列支持高性能紧凑型Thumb-2指令集，Thumb-2是Thumb指令集的扩充；Cortex-A系列和Cortex-R系列支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集；Cortex-M系列只支持Thumb-2指令集，不支持ARM指令，兼容Thumb指令，Cortex-M3（ARMv7-M架构）支持Thumb-2的子集，不支持所有的Thumb-2指令。3.ARM微处理器的指令结构ARM、Thumb-2、Thumb指令集性能和代码大小对比：100806040200100806040200ARMThumb-2Thumb性能比较代码大小比较ARM性能高，但代码密度低；Thumb代码密度高，是压缩形式的ARM的子集，性能低；Thumb-2性能接近ARM，比Thumb快25%，代码密度接近Thumb，比ARM小26%。1.1.5ARM微处理器的应用选型自学1.1ARM微处理器概述1.2嵌入式系统的概念1.3嵌入式操作系统1.4作业目录1.2嵌入式系统的概念1.2.1嵌入式系统的定义从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语反映了这些嵌入式系统通常是更大系统中的一个完整部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。汽车控制系统如下页图所示。嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统嵌入式系统示例——汽车控制系统1.嵌入式微处理器（单板计算机）CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。1.2.2嵌入式系统发展过程嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积