1、第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 2.1 嵌入式微处理器的结构和类型嵌入式微处理器的结构和类型2.2 ARM9微处理器简介微处理器简介 第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 2.1.1 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器是指应用在嵌入式计算机系统中的微处理器。如图2-1所示，嵌入式硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入/输出部分组成。其中嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，通常由三大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。2.1 嵌入式微处理器的结构和类型嵌入式微处理器的结构和类型第第2章章 嵌
2、入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 图2-1 嵌入式硬件系统的基本结构第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 各部分的主要功能如下：控制单元：主要负责取指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。算术逻辑单元：算术逻辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据。寄存器：用于存储暂时性的数据。主要是指从存储器中所得到的数据(这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理)和算术逻辑单元中处理好的数据，再进行算术逻辑运算或存入到存储器中。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 如果根据嵌入式微处理器
3、用途，可分为以下几类：(1)嵌入式微控制器(MCU)，又称为单片机。(2)嵌入式微处理器(EMPU)。(3)嵌入式DSP处理器。(4)嵌入式片上系统(SOC)。它是追求产品系统最大包容的集成器件。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 2.1.2 典型典型32位位ARM微处理器的结构和特点微处理器的结构和特点1ARM处理器处理器1)ARM概述(1)ARM7系列处理器。(2)ARM9系列处理器。(3)ARM9E系列处理器。(4)ARM10E系列处理器。(5)ARM11系列处理器。(6)SecurCore系列处理器。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C
4、2440处理器处理器(7)OptimoDE。OptimoDE数据引擎内核采用VLIW体系结构，拥有一个完整的用户自定义数据通道。(8)MPCore。MPCore支持多达四路缓存的协同式对称多任务处理(Four-way Cache Coherent Synuntric Multiprocessing，SMP)、多达四路的非对称多任务处理(Four-Way Asymmetric Multinrocessing，AMP)，或以上两种模式的混合。(9)StrongARM/Xscale系列处理器。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 Xscale是基于ARMv5TE体系
5、结构的解决方案，是一款性能全、性价比高、功耗低的处理器，支持32位的Thumb指令和DSP指令集，主要应用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。2)ARM的数据类型的数据类型 字字(Word)半字半字(Half-word)字节字节(Byte)第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 3)ARM的运行模式的运行模式ARM处理器有7种运行模式，如表2-1所示。大多数应用程序在User模式下执行，当出现特定的异常时，进入相应的6种异常模式之一。每种模式都有某些附加的寄存器保存相应的状态。除User模式外，其他模式都被称为特权模式，可以存取系统中的任何资源。第第2
6、章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 表表2-1 ARM处理器的处理器的7种运行模式种运行模式处理器模式 说 明 用户模式(User)正常程序执行模式，用于应用程序 快速中断模式(FIQ)快速中断处理，用于高速数据传输或通道处理 外部中断模式(IRQ)用于通用的中断处理 管理模式(Supervisor)特权模式，操作系统使用的保护模式 数据访问终止模式(Abort)存储器保护异常处理 未定义指令终止模式(Undefined)未定义指令异常处理 系统模式(System)运行特权操作系统任务(ARM v4 以上版本)第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C24
7、40处理器处理器 4)寄存器结构寄存器结构ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决于微处理器的工作状态及具体的运行模式。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器(1)通用寄存器R0R15。未分组的寄存器R0R7。分组的寄存器R8R14。程序计数器R15(或者PC)。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器(2)当前程序状态寄存器CPSR。CPSR(当前程序状态寄存器)在所有的模式下都是可以读/写的。它主要包含条件标志、中断标志、当前
8、处理器的模式、其他的一些状态和控制标志。CPSR的格式如下：第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 条件标志包括N，Z，C，V。中断标志包括I，F。ARM/Thumb控制标志T。模式控制位M0M4，见表2-2。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 表表2-2 模式控制位模式控制位M0M4M4:0 模式 可用寄存器 0b10000 User PC，R14R0，CPSR 0b10001 FIQ PC，R14_fiqR8_fiq，R7R0，CPSR，SPSR_fiq 0b10010 IRQ PC，R14_irq，R13_irq，R12
9、R0，CPSR SPSR_irq 0b10011 Supervisor PC，R14_svc，R13_ svc，R12R0，CPSR SPSR_ svc 0b10111 Abort PC，R14_ abt，R13_ abt，R12R0，CPSR SPSR_ abt 0b11011 Undefined PC，R14_und，R13_ und，R12R0，CPSR SPSR_ und 0b11111 System PC，R14R0，CPSR 第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 5)指令集指令集一个CPU的指令集是硬件和软件之间的一个重要的分水岭。根据分层的思想，
10、指令集向上要支持编译器，向下要方便硬件的设计实现。它有以下特点：所有ARM指令都是32位定长，在内存中以4字节边界保存(地址最后两位为0)，这样方便译码电路和流水线的实现。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 Load-Store体系结构。由于硬件上有桶形(barrel)移位器，所以ARM可以在一条指令中用一个指令周期完成一个移位操作和一个ALU(算术逻辑)操作。任何指令的高4位都是条件指示位，根据CPSR中的N，Z，C，V决定该指令是否执行。具有功能很强的加载和存储(Load-Store)多个寄存器的指令：LDM和STM。当发生过程调用或中断处理时，只用一条
11、指令就能把当前多个寄存器的内容保护到内存堆栈中。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 6)异常异常异常是由内部或外部原因引起。对X86 CPU，当有异常发生时，CPU首先到指定的向量地址读取要执行的程序的地址，然后跳转到相应的地址并执行程序；而对于 ARM CPU，当有异常发生时CPU是到向量地址的地方读取指令并执行，也就是ARM的向量地址处存放的是一条指令(一般是一条跳转指令)。ARM将引起异常的类型分为7种，如表2-3所列。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 表表2-3 ARM的异常类型的异常类型异常种类 模式 优先级
12、一般向量地址 高向量地址 Reset Supervisor 1 0 x00000000 0 xFFFF0000 UndefinedInstruction Undefined 6 0 x00000004 0 xFFFF0004 Software Interrupt Supervisor 6 0 x00000008 0 xFFFF0008 Ptefetch Abort Abort 5 0 x0000000C 0 xFFFF000C Data Abort Abort 2 0 x00000010 0 xFFFF0010 IRQ(interrupt)IRQ 4 0 x00000018 0 xFFFF00
13、18 FIQ(fast interrupt)FIQ 3 0 x0000001C 0 xFFFF001C 第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 7)内存和内存和I/O地址地址ARM的寻址空间是线性地址空间，最大为4GB。I/O端口的编址方法即地址安排方式有两种：I/O映射编址和存储器映射编址。(1)I/O映射编址。如图2-2所示，I/O映射编址采用I/O端口与内存单元分开编址，互不影响。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 (2)存储器映射编址。如图2-3所示，存储器映射编址采用I/O端口的地址与内存地址统一编址方式，I/O单元
14、与内存单元在共享同一地址空间。这种编址方式不区分存储器地址空间和I/O端口地址空间，把所有的I/O端口都当做是存储器的一个单元对待，每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 图2-2 I/O映射编址方式 第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 图2-3 存储器映射编址方式 第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 2Intel XScale PXA270处理器处理器Intel XScale PXA270微处理器提供了一种全新的、高性价比、低功耗且基于
15、ARMv5TE体系结构的解决方案，支持16位Thumb指令和DSP扩充，是Intel公司的StRongARM系列处理器的升级换代产品。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 其特点如下：Intel 78级超流水线结构带来的高性能和超低功耗；Intel动态电压管理，可以动态管理芯片电压和时钟频率，让使用者可以在功耗和性能上取得平衡；Intel媒体处理技术，可有效处理多媒体指令；第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 128个跳转指令目的地址缓存可存储跳转指令的目的地，让指令预取和指令流水线获得更高效率；32 KB数据缓存和指令缓存；
16、调试单元拥有硬件中断功能，可存储256个断点位置；64位内核内存数据宽度，可以让内核在600MHz时钟频率下获得4.8GB/s的高速数流。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 Intel PXA270处理器是针对高端便携式手持设备及工业设备推出的一款高性能、低功 耗、功能强大的嵌入式SOC微处理器产品；PXA270的Quick Capture技术使其能够拍摄高达400万像素的图像和视频，并支持低功耗、实时的回放处理；支持24位色的LCD显示，具有256KB的片上SRAM帧缓冲，和Quick Capture一起加速了图像的回放；支持Intel专用的无线加Spee
17、dstep动态电源管理技术，使处理器根据系统运行的不同电源状况，自动切换工作频率和电压，从而实现嵌入的、智能的电源管理。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 PXA270处理器加入了wirelessMMX技术和 Speedstep动态电源管理技术，不但增强了PXA270的媒体处理能力，而且极大地降低了系统功耗，延长便携产品的电池寿命。PXA270的 Quick Capture技术最大可支持 400万像素的 CCD摄像头，数码摄像功能强大；且具备3D加速功能，满足了游戏应用；支持LAN接口，可以扩展网络应用。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C24
18、40处理器处理器 Wireless MMX。Quick Capture。SpeedStep。SpeedStep技术原用于Intel移动处理器。PXA270处理器支持专用的无线SpeedStep技术，这种技术可以使处理器根据系统运行的不同电源状况，自动切换工作频率和电压。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 2.2.1 ARM9与与ARM7处理器的比较处理器的比较与ARM7TDMI相比，ARM9TDMI核将处理器的功能显著提高到更高、更强的水平。ARM9TDMI也支持Thumb指令集，并支持片上调试。流水线操作如图2-4所示。2.2 ARM9微处理器简介微处理器
19、简介第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 图2-4 ARM7的流水线操作第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 到ARM7为止，上述的3级流水线性价比很高，随着对性能要求不断提高，使用原有的3级流水线无法满足要求，因此ARM9处理器使用了5级流水线。5级流水线具体如下：取指：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。译码：对指令进行译码。执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 缓冲/数据：如果需要，则访问数据存储器；否则ALU的结果只是简单地缓冲一个时钟周
20、期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括任何从存储器中读取的数据。图2-5比较了ARM7的3级流水线和ARM9的5级流水线。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 图2-5 ARM7和ARM9流水线操作对比第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 2.2.2 三星三星S3C2440X ARM9处理器基础处理器基础EY-2440-S的CPU为ARM920T内核的三星S3C2440芯片，由于有MMU可以运行标准的ARM-LINUX内核。EY-2440-S及相关产品的资料可以访问博创公司的网站获得
21、。EY-2440-S开发箱的硬件配置如表2-4所示。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 表表2-4 UP-NetARM2440-S的硬件配置的硬件配置配置名称 型 号 说 明 CPU ARM920T 结构芯片三星 S3C2440X 工作频率 400 MHz Flash SAMSUNG K9F1208 64 M NAND SDRAM HY57V561620ATH 32 MB 2=64 MB EtherNet 网卡 CS8900A 10 MB LCD A043FL01 4.3 英寸 TFT 触摸屏 利用 S3C2410 芯片内部集成接口 四线电阻 USB 接口
22、2 个 HOST/1 个 DEVICE 其中一个 HOST 可以用跳线转换成 DEVICE UART/IrDA 3 个 RS232，1 个 IrDA 一个五线制串口，两个三线制串口 SD 卡 一个 SD 卡接口 按键 六个独立的按键 可以组合成上、下、左、右、确认、取消等，一个复位按键 LED 4 个独立的 LED AUDIO IIS 总线，UDA1341 芯片 44.1 kHz 音频 CAN BUS 由 MCP2510 和 TJA1050 构成 由扩展接口外接 VGA 接口 由 ADV7120 组成 由液晶接口转换 调试接口 JTAG 20 针 第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S
23、3C2440处理器处理器 ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。在时钟方面，该芯片集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到400MHz。这个工作频率能够使处理器轻松运行于Wndows CE、Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。UPLL产生实现主从USB功能的时钟。第第2章章 嵌入式微处理器及嵌入式微处理器及S3C2440处理器处理器 S3C2440X对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式：内核采用1.2V供电；存储单元采用3.3 V独立供电，对于一般SDRAM可以采用3.3V，对于移动SDRAM可以采用UDD=1.8/2.5 V；UDDQ=3.0/3.3V；I/O采用独立3.3V供电。
