嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)之：ARM處理器硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

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4.2??ARM處理器硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

4.2.1??ARM處理器簡(jiǎn)介

ARM是一類嵌入式微處理器，同時(shí)也是一個(gè)公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英國(guó)劍橋，它是一家專門(mén)從事16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)的供應(yīng)商。ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而只是授權(quán)ARM內(nèi)核，再給生產(chǎn)和銷售半導(dǎo)體的合作伙伴，同時(shí)也提供基于ARM架構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司處購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1657559.html">外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。

ARM公司從成立至今，在短短幾十年的時(shí)間就占據(jù)了75%的市場(chǎng)份額，如今，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。采用ARM技術(shù)的微處理器現(xiàn)在已經(jīng)遍及各類電子產(chǎn)品，汽車(chē)、消費(fèi)娛樂(lè)、影像、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安保和無(wú)線等市場(chǎng)。到2001年就幾乎已經(jīng)壟斷了全球RISC芯片市場(chǎng)，成為業(yè)界實(shí)際的RISC芯片標(biāo)準(zhǔn)。圖4.3列舉了使用ARM微處理器的公司名稱。

圖4.3??ARM?IP核用戶

ARM的成功，一方面得益于它獨(dú)特的公司運(yùn)作模式，另一方面，當(dāng)然來(lái)自于ARM處理器自身的優(yōu)良性能。ARM處理器有如下特點(diǎn)。

n 體積小、低功耗、低成本、高性能。

n 支持ARM（32位）/?Thumb（16位）/?Thumb2（16/32位混合）指令集，能很好地兼容8位/16位器件。

n 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。

n 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。

n 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。

n 指令長(zhǎng)度固定。

4.2.2??ARM體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1．ARM微處理器工作狀態(tài)

ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有三種，并可來(lái)回切換。

n 第一種為ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令。

n 第二種為T(mén)humb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。

n 第三種為T(mén)humb2狀態(tài)，此時(shí)處理執(zhí)行16/32位混合的、多類型對(duì)齊的指令。

2．ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)格式

n 大端格式：在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。

n 小端格式：與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。

3．ARM處理器模式

ARM微處理器支持7種運(yùn)行模式，分別如下。

n 用戶模式（usr）：應(yīng)用程序執(zhí)行狀態(tài)。

n 快速中斷模式（fiq）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理等快速中斷處理。

n 外部中斷模式（irq）：用于通用的中斷處理。

n 管理模式（svc）：特權(quán)模式，操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。

n 數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式（abt）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。

n 系統(tǒng)模式（sys）：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。

4.2.3??ARM9體系結(jié)構(gòu)

1．ARM微處理器系列簡(jiǎn)介

ARM微處理器系列主要特點(diǎn)如表4.2所示。

表4.2 ARM微處理器系列

因?yàn)楸緯?shū)所采用的FS2410開(kāi)發(fā)板的S3C2410X是一款A(yù)RM9核處理器，所以下面重點(diǎn)學(xué)習(xí)ARM9核處理器。

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2．ARM9主要特點(diǎn)

ARM處理器憑借它的低功耗、高性能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于個(gè)人通信等嵌入式領(lǐng)域，而ARM7也曾在中低端手持設(shè)備中占據(jù)了一席之地。然而，ARM7的處理性能逐漸無(wú)法滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的高性能處理的需求，它開(kāi)始退出主流應(yīng)用領(lǐng)域，取而代之的是性能更加強(qiáng)大的ARM9系列處理器。

新一代的ARM9處理器，通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。它的主要特點(diǎn)如下所述。

（1）5級(jí)流水線。

ARM7處理器采用的3級(jí)流水線設(shè)計(jì)，而ARM9則采用5級(jí)流水線設(shè)計(jì)，如圖4.4所示。

通過(guò)使用5級(jí)流水線機(jī)制，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以同時(shí)執(zhí)行5條指令。這樣就大大提高了處理性能。在同樣的加工工藝下，ARM9處理器的時(shí)鐘頻率是ARM7的1.8～2.2倍。

圖4.4??ARM7與ARM9流水線比較

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（2）采用哈佛結(jié)構(gòu)。

首先讀者需要了解什么叫哈佛結(jié)構(gòu)。在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其總線連接形式，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以被分為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，其中馮·諾依曼結(jié)構(gòu)共用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間，它們共享存儲(chǔ)器總線，這也是以往設(shè)計(jì)時(shí)常用的方式；而哈佛結(jié)構(gòu)則具有分離的數(shù)據(jù)和程序空間及分離的訪問(wèn)總線。所以哈佛結(jié)構(gòu)在指令執(zhí)行時(shí)，取址和取數(shù)可以并行，因此具有更高的執(zhí)行效率。ARM9采用的就是哈佛結(jié)構(gòu)，而ARM7采用的則是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。如圖4.5和圖4.6分別體現(xiàn)了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。

圖4.5??馮·諾依曼結(jié)構(gòu)??????? 圖4.6??哈佛結(jié)構(gòu)

由于在RISC架構(gòu)的處理器中，程序中大約有30%的指令是Load-Store指令，而采用哈佛結(jié)構(gòu)大大提升了這兩個(gè)指令的執(zhí)行速度，因此對(duì)提高系統(tǒng)效率的貢獻(xiàn)是非常明顯的。

（3）高速緩存和寫(xiě)緩存的引入。

由于在處理器中，一般處理器速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度，那么，如果存儲(chǔ)器訪問(wèn)成為系統(tǒng)性能的瓶頸，則處理器再快都毫無(wú)作用。在這種情況下，高速緩存（Cache）和寫(xiě)緩存（Write?Buffer）可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它們存儲(chǔ)了最近常用的代碼和數(shù)據(jù)，以供CPU快速存儲(chǔ)，如圖4.7所示。

（4）支持MMU。

圖4.7??ARM9的高速緩存和讀緩存

MMU是內(nèi)存管理單元，它把內(nèi)存以“頁(yè)（page）”為單位來(lái)進(jìn)行處理。一頁(yè)內(nèi)存是指一個(gè)具有一定大小的連續(xù)的內(nèi)存塊，通常為4096B或8192B。操作系統(tǒng)為每個(gè)正在運(yùn)行的程序建立并維護(hù)一張被稱為進(jìn)程內(nèi)存映射（Process?Memory?Map）的表，表中記錄了程序可以存取的所有內(nèi)存頁(yè)以及它們的實(shí)際位置。

每當(dāng)程序存取一塊內(nèi)存時(shí)，它會(huì)把相應(yīng)的虛擬地址（virtual?address）傳送給MMU，而MMU會(huì)在PMM中查找這塊內(nèi)存的實(shí)際位置，也就是物理地址（physical?address），物理地址可以在內(nèi)存中或磁盤(pán)上的任何位置。如果程序要存取的位置在磁盤(pán)上，就必須把包含該地址的頁(yè)從磁盤(pán)上讀到內(nèi)存中，并且必須更新PMM以反映這個(gè)變化（這被稱為pagefault，即“頁(yè)錯(cuò)”）。MMU的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4.8所示。

圖4.8??MMU的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

只有擁有了MMU才能真正實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)。例如當(dāng)A進(jìn)程的程序試圖直接訪問(wèn)屬于B進(jìn)程的虛擬地址中的數(shù)據(jù)，那么MMU會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常（Exception）來(lái)阻止A的越界操作。這樣，通過(guò)內(nèi)存保護(hù)，一個(gè)進(jìn)程的失敗并不會(huì)影響其他進(jìn)程的運(yùn)行，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖4.9所示。ARM9也正是因?yàn)閾碛辛薓MU，所以比ARM7具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4.9??內(nèi)存保護(hù)示意圖

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4.2.4??S3C2410處理器詳解

本書(shū)所采用的硬件平臺(tái)是深圳優(yōu)龍科技有限公司的開(kāi)發(fā)板FS2410（如圖4.10所示），它的中央處理器是三星公司的S3C2410X。S3C2410X是使用ARM920T核、采用0.18mm工藝CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器開(kāi)發(fā)而成的。由于采用了由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T?RISC處理器，因此S3C2410X實(shí)現(xiàn)了MMU和獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)的緩存，且每個(gè)緩存均為8個(gè)字長(zhǎng)度的流水線。它的低功耗、精簡(jiǎn)而出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的領(lǐng)域。

S3C2410X提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大降低系統(tǒng)的成本，下面列舉了S3C2410X的主要片上功能。

n 1.8V?ARM920T內(nèi)核供電，1.8V/2.5V/3.3V存儲(chǔ)器供電；

n 16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存的MMU內(nèi)存管理單元；

n 外部存儲(chǔ)器控制（SDRAM控制和芯片選擇邏輯）；

n 提供LCD控制器（最大支持4K色的STN或256K色TFT的LCD），并帶有1個(gè)通道的LCD專用DMA控制器；

n 提供4通道DMA，具有外部請(qǐng)求引腳；

n 提供3通道UART（支持IrDA1.0，16字節(jié)發(fā)送FIFO及16字節(jié)接收FIFO）/2通道SPI接口；

n 提供1個(gè)通道多主IIC總線控制器/1通道IIS總線控制器；

n 兼容SD主機(jī)接口1.0版及MMC卡協(xié)議2.11版；

n 提供2個(gè)主機(jī)接口的USB口/1個(gè)設(shè)備USB口（1.1版本）；

n 4通道PWM定時(shí)器/1通道內(nèi)部計(jì)時(shí)器；

圖4.10??優(yōu)龍F(tuán)S2410開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

n 提供看門(mén)狗定時(shí)器；

n 提供117個(gè)通用I/O口/24通道外部中斷源；

n 提供不同的電源控制模式：正常、慢速、空閑及電源關(guān)閉模式；

n 提供帶觸摸屏接口的8通道10位ADC；

n 提供帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器（RTC）；

n 具有PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器。

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S3C2410X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.11所示。

下面依次對(duì)S3C2410X的系統(tǒng)管理器、Nand?Flash引導(dǎo)裝載器、緩沖存儲(chǔ)器、時(shí)鐘和電源管理及中斷控制進(jìn)行簡(jiǎn)要講解，要注意，其中所有模式的選擇都是通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器特定值的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，當(dāng)讀者需要對(duì)此進(jìn)行修改時(shí)，請(qǐng)參閱三星公司提供S3C2410X用戶手冊(cè)。

1．系統(tǒng)管理器

S3C2410X支持小/大端模式，它將系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分為8個(gè)組（bank），其中每個(gè)bank有128MB，總共為1GB。每個(gè)組可編程的數(shù)據(jù)總線寬度為8/16/32位，其中bank0~bank5具有固定的bank起始地址和結(jié)束地址，用于ROM和SRAM。而bank6和bank7是大小可變的，用于ROM、SRAM或SDRAM。這里，所有的存儲(chǔ)器bank都具有可編程的操作周期，并且支持掉電時(shí)的SDRAM自刷新模式和多種類型的引導(dǎo)ROM。

2．nand?flash引導(dǎo)裝載器

S3C2410X支持從nand?flash存儲(chǔ)器啟動(dòng)，其中，開(kāi)始的4KB為內(nèi)置緩沖存儲(chǔ)器，它在啟動(dòng)時(shí)將被轉(zhuǎn)載（裝載or轉(zhuǎn)載）到SDRAM中并執(zhí)行引導(dǎo)，之后該4KB可以用作其他用途。

圖4.11??S3C2410X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，S3C2410X也支持從外部nGCS0片選的Nor?flash啟動(dòng)，如在優(yōu)龍的開(kāi)發(fā)板上將JP1跳線去掉就可從Nor?Flash啟動(dòng)（默認(rèn)從Nand?Flash啟動(dòng)）。在這兩種啟動(dòng)模式下，各片選的存儲(chǔ)空間分配是不同的，如圖4.12所示。

圖4.12??S3C2410兩種啟動(dòng)模式地址映射

3．緩沖存儲(chǔ)器

S3C2410X是帶有指令緩存（16KB）和數(shù)據(jù)緩存（16KB）的聯(lián)合緩存裝置，一個(gè)緩沖區(qū)能夠保持16字的數(shù)據(jù)和4個(gè)地址。

4．時(shí)鐘和電源管理

S3C2410X采用獨(dú)特的時(shí)鐘管理模式，它具有PLL（相位鎖定環(huán)路，用于穩(wěn)定頻率）的芯片時(shí)鐘發(fā)生器，而在此，PLL又分為UPLL和MPLL。其中UPLL時(shí)鐘發(fā)生器用于主/從USB操作，MPLL時(shí)鐘發(fā)生器用于產(chǎn)生主時(shí)鐘，使其能以極限頻率203MHz（1.8V）運(yùn)行。

S3C2410X的電源管理模式又分為正常、慢速、空閑和掉電4種模式。其中慢速模式為不帶PLL的低頻時(shí)鐘模式，空閑模式始終為CPU停止模式，掉電模式為所有外圍設(shè)備全部掉電僅內(nèi)核電源供電的模式。

另外，S3C2410X對(duì)片內(nèi)的各個(gè)部件采用獨(dú)立的供電方式。

n 1.8V的內(nèi)核供電。

n 3.3V的存儲(chǔ)器獨(dú)立供電（通常對(duì)SDRAM采用3.3V，對(duì)移動(dòng)SDRAM采用1.8/2.5V）。

n 3.3V的VDDQ。

n 3.3V的I/O獨(dú)立供電。

由于在嵌入式系統(tǒng)中電源管理非常關(guān)鍵，它直接涉及功耗等各方面的系統(tǒng)性能，而S3C2410X的電源管理中獨(dú)立的供電方式和多種模式可以有效地處理系統(tǒng)的不同狀態(tài)，從而達(dá)到最優(yōu)的配置。

5．中斷控制

中斷處理在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中非常重要，尤其對(duì)于從單片機(jī)轉(zhuǎn)入到嵌入式的讀者來(lái)說(shuō)，與單片機(jī)中簡(jiǎn)單的中斷模式相比，ARM中的中斷處理要復(fù)雜得多。如果讀者無(wú)相關(guān)基礎(chǔ)，建議先熟悉相關(guān)的基礎(chǔ)概念再進(jìn)行下一步學(xué)習(xí)。

首先給出了一般的中斷處理流程，如圖4.13所示。

圖4.13??一般中斷處理流程

S3C2410X包括55個(gè)中斷源，其中有1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器中斷、5個(gè)定時(shí)器中斷、9個(gè)通用異步串行口中斷、24個(gè)外部中斷、4個(gè)DMA中斷、2個(gè)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器）中斷、2個(gè)USB中斷、1個(gè)LCD中斷和1個(gè)電池故障。其中，對(duì)外部中斷源具有電平/邊沿兩種觸發(fā)模式。另外，對(duì)于非常緊急的中斷可以支持使用快速中斷請(qǐng)求（FIQ）。

S3C2410X的中斷處理流程（該圖摘自S3C2410X用戶手冊(cè)）如圖4.14所示。

圖4.14??S3C2410X中斷處理流程

圖中的SUBSRCPND、SRCPND、SUBMASK、MASK和MODE都是與中斷相關(guān)的寄存器，其中SUBSRCPND和SRCPND寄存器用來(lái)表示有哪些中斷被觸發(fā)了和是否正在等待處理（pending）；SUBMASK（INTSUBMSK寄存器）和MASK（INTMSK寄存器）用于屏蔽某些中斷。

圖中的“Request?sources（with?sub?–register）”表示的是INT_RXD0、INT_TXD0等11個(gè)中斷源，它們不同于“Request?sources（without?sub?–register）”的操作如下：

（1）“Request?sources（without?sub?–register）”中的中斷源被觸發(fā)之后，SRCPND寄存器中相應(yīng)位被置1，如果此中斷沒(méi)有被INTMSK寄存器屏蔽、或者是快中斷（FIQ）的話，它將被進(jìn)一步處理。

（2）對(duì)于“Request?sources（with?sub?–register）”中的中斷源被觸發(fā)之后，SUBSRCPND寄存器中的相應(yīng)位被置1，如果此中斷沒(méi)有被SUBMSK寄存器屏蔽的話，它在SRCPND寄存器中的相應(yīng)位也被置1。在此之后的兩者的處理過(guò)程是一樣的。

接下來(lái)，在SRCPND寄存器中，被觸發(fā)的中斷的相應(yīng)位被置1，等待處理。

（1）如果被觸發(fā)的中斷中有快中斷（FIQ）——MODE（INTMOD寄存器）中為1的位對(duì)應(yīng)的中斷，則CPU的FIQ中斷函數(shù)被調(diào)用。注意：FIQ只能分配一個(gè)，即INTMOD中只能有一位被設(shè)為1。

（2）對(duì)于一般中斷IRQ，可能同時(shí)有幾個(gè)中斷被觸發(fā)，未被INTMSK寄存器屏蔽的中斷經(jīng)過(guò)比較后，選出優(yōu)先級(jí)最高的中斷，然后CPU調(diào)用IRQ中斷處理函數(shù)。中斷處理函數(shù)可以通過(guò)讀取INTPND（標(biāo)識(shí)最高優(yōu)先級(jí)的寄存器）寄存器來(lái)確定中斷源是哪個(gè)，也可以讀INTOFFSET寄存器來(lái)確定中斷源。