嵌入式系统概论以S3C2440核心为架构

也能相容8位元/16位元元件 3. 大量使用暫存器，指令執行速度更快 4. 大多數資料操作都在暫存器中完成 5. 定址方式靈活簡單，執行效率高 6. 指令長度固定
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1.2.3 ARM微處理器的特點
❖Thumb指令集（T變量）
➢ Thumb指令集是ARM指令集的子集。這個T變量對於 Ver4之前是無效的。而目前有兩種的Thumb指令集： Thumb 版本 v1（適用v4的T變量）與Thumb 版本 V1 （適用v5的T變量）
如手持式或可攜式型產品。 ➢ 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構。 ➢ 程式代碼密度高並相容的16位元Thumb指令集。 ➢ 廣泛地支援各種作業系統，其中，包括了Windows
CE、Linux或是Palm OS等作業系統。
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1.2.5 ARM9微處理器系列
❖ARM9系列微處理器在高性能和低消耗功率特性
❖長乘法指令（M變量）
➢ ARM指令集的M變量包含了4個附加的指令來實現32 x 32 → 64的乘法與32 x 32 + 64→64乘加運算。這些指 令意謂著乘法器是需要相當龐大的運算資源。因此， 在一些僅需小程式代碼以及不太需要乘法功能所實現 的晶片組中，有時是省略這些指令的。
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1.2.3 ARM微處理器的特點
處理能力。
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1.2.6 ARM9E微處理器系列
❖支援DSP指令集，適合於需要高速數位信號處理的場 合。
➢ 5級整數管線，指令執行效率更高。 ➢ 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 ➢ 支援32位元的高速AMBA匯流排界面。 ➢ 支援VFP9浮點處理輔助運算器。 ➢ 全功能的MMU，可支援Windows CE、Linux以及
中，v4及以上的版本都將M變量視為標準的配置，所 以不加以列出。 ➢ 若在v3以上的版本中，所描述的變量特性沒有出現的 話，則以x字母來排除這項代表這變量的字母。
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1.2.4 ARM7微處理器系列
❖ARM7微處理器系列具有如下特點：
➢ 具有嵌入式ICE－RT邏輯，除錯開發非常方便。 ➢ 極低的消耗功率，適合對消耗功率要求較高的應用，
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1.3.4 ARM微處理器的記憶體存取
❖ARM系列的微處理器是具備范紐曼（Von
Neumann）機器。
❖ARM系列包含了記憶體，邏輯運算單元，程式
控制單元，輸入/輸出設備等。
❖ARM系列的CPU可以經由匯流排對某個記憶體
區塊來做資料存取的工作，而整個系統的記憶體 僅能在同一時間回應一個要求而已。
第一顆四位元微處理器 Intel 4004
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1.3.1 RISC系列結構
❖ 傳統的CISC（Complex Instruction Set Computer，複雜
指令集電腦）結構有其固有的缺點。
❖ RISC體系結構也還沒有嚴格的定義，一般認為，RISC
體系結構應具有如下特點：
➢ 採用固定長度的指令格式，指令整齊、簡單、基本定址方式有2 ～3種。
Palm OS等多種主流嵌入式作業系統。 ➢ MPU支援即時操作系統。 ➢ 支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料
處理能力。 ➢ 主頻最高可達300MIPS。
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大綱 1.1嵌入式系統概念 1.2嵌入式處理器 1.3 ARM微處理器結構 1.4 ARM微處理器的應用類型選擇
方面提供了最佳的性能。其中，具有以下的特點 ：
➢ 5級整數管線，指令執行效率更高。 ➢ 提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。 ➢ 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 ➢ 支援32位元的高速AMBA匯流排界面。 ➢ 全功能的MMU，可支援Windows CE、Linux以及
Palm OS等多種主流的嵌入式作業系統。 ➢ MPU支援即時操作系統。 ➢ 支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料
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1.2.2 ARM架構處理器
目前ARM架構處理器已在高性能、低功率消 耗、低成本的嵌入式應用領域佔據領先地位。
目前普遍對於各種系統強調需低消耗功率，高 執行效率的要求之下，使得 ARM微處理器及相 關技術的應用幾乎已經深入到各種不同的領域中 。
其中，主要為以下八大領域：
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1.2.2 ARM架構處理器
➢ IEM動態地控制ARM處理器與其他晶片上元件，使之 執行在能量消耗效率最高的水平上，同時保證良好的 使用者體驗。
➢ IEM增加了電池壽命 ➢ IEM 在傳統的功率消耗控制方法上，增加性能比例控
制硬體，可以减少静態和動態功率消耗
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大綱 1.1嵌入式系統概念 1.2嵌入式處理器 1.3 ARM微處理器結構 1.4 ARM微處理器的應用類型選擇
➢ 由於大多數的ARM微處理器片內記憶體的容量都不太 大，因此需要使用者在設計系統時外部擴充記憶體。
❖晶片內週邊電通道的選擇
➢ 除ARM微處理器核心以外，幾乎所有的ARM晶片組 均可根據各自不同的應用領域，擴展了相關的功能模 組，並整合在晶片之中，我們稱之為晶片內週邊電通 道。
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第一顆四位元微處理器 Intel 4004
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1.4 ARM微處理器的應用類型選擇
❖ARM微處理器核心的選擇
➢ 從前面所介紹的內容可知，ARM微處理器包含一系列 的核心結構，以適應不同的應用領域 。
❖系統工作頻率
➢ 系統工作頻率的規格大幅地決定了ARM微處理器的處 理能力。
❖晶片組內的記憶體容量
80386EX則是最早用於SoC型的單晶微處理機 型的PC主機，它以80386微處理器為核心，在一 個晶片組上整合了PC主機常用的I/O、即時時脈 RTC、中斷控制器、DMA控制器、定時/計數器 、並行/串列埠以及VGA的LCD液晶顯示器(驅動 器)等，。
RISC(Reduced Instruction Set Computer)型處 理器具有結構簡單、處理速度快和處理功能強等 優點，所以新型的嵌入式系統大多數都採用 RISC型處理器作為核心。
❖增強型DSP指令（E變量）
➢ 為了實現一般的DSP運算法，提供了一些附加的指令 來增強ARM處器的功能。這些指令是意義在v5T版本 上，因此在之前的版本是無效的，同時，在不具T變 量與M變量的結構中，亦是無效的。
➢ 將個別的功能特性的字串加以連接起來，以表示完成 所支援的功能。
➢ ARM指令集版本號碼 ➢ 變量符號（除了M變量外），因為在這一系列的結構
嵌入式系统概论以 S3C2440核心为架构
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1.2.1嵌入式處理器簡介
任何微處理器MPU或微控制器MCU(即常稱的 單晶微處理機)都可以作為嵌入式系統的核心。
用X86微處理器架構作為嵌入式系統的核心， 具有開發方便和移植容易等優點，但是其體積大 、功率消耗高和和即時性差等不足也給其帶來應 用的局限。
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1.2.1嵌入式處理器簡介
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1.3.3 ARM微處理器的指令結構
❖ARM微處理器的在較新的體系結構中支援兩種
指令集：ARM指令集和Thumb指令集。
❖ARM指令為32位元的長度；Thumb指令為16位
元長度，為ARM指令集的功能子集。
❖Thumb代碼與相同效能的ARM代碼相比較，可
節省30％～40％以上的儲存空間，同時具備32位 元代碼的所有優點。
❖ARM微處理器以單一32-bit的資料匯流排同時攜
帶了指令與資料。而僅有載入與存回，以及切換 指令能夠從記憶體來存取資料。
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1.3.5 智慧型電能管理器
❖為了讓可攜式的手持設備具有最高的電池使用壽
命以及使用時間，就提出了智慧型電能管理器（ Intelligent Energy Manager (IEM)）功能。而其 特性如下所列：
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1.1嵌入式系統概念
❖嵌入式系統的三種架構
➢ IP (Intellectual Property)等級 ➢ 晶片組等級 ➢ 模組等級
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1.3.2 ARM微處理器的暫存器結構
❖ARM微處理器共有37個暫存器，被分為若干個
記憶體組（BANK），這些暫存器包括：
➢ 31個通用暫存器，包括程式計數器（PC指標器），均 為32位的暫存器。
➢ 6個狀態暫存器，用以標識CPU的工作狀態及程式的 運行狀態，均為32位元，目前只使用了其中的一部分 。
➢ 使用單週期指令，便於管線操作執行。 ➢ 大量使用暫存器，資料處理指令只對暫存器進行操作，只有載入
/ 存回（Load/Store）指令可以存取記憶體，以提高指令的執行 效率。 ➢ 除此以外，ARM系列結構還採用了一些特別的技術，在保證高 性能的前提下，儘量縮小晶片的面積，並降低消耗功率： ➢ 所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行，從而提高 指令的執行效率。 ➢ 可用載入/存回指令大量傳輸資料，以提高資料的傳輸效率。 ➢ 可在一條資料處理指令中，同時完成邏輯處理和移位元處理。 ➢ 在迴圈處理中，使用位址的自動遞增/遞減來提高執行效率。
第一顆四位元微處理器 Intel 4004
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