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單片機基礎(chǔ)知識

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單片微型計算機(Single-chip Microcmputer)簡稱單片機,它是把中央處理單元CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、定時器/計數(shù)器以及I/O接口電路等主要的幾個計算機部件集中在一塊集成電路芯片上的微型計算機。


51芯片
51芯片是微型處理器,也叫MCS-51單片機。為什么叫51呢?主要是當年INTEL出了很多芯片,就像其他廠家一樣,自然要給個編號,所以在出第一款單片機時就給了8031的編號,具體的分為 “80”“31”,80所指不清,極可能是INTEL的業(yè)界代號,就像145開頭的芯片是摩托羅拉的一樣,但是INTEL也有其他82XX、87XX芯片,所以這也可能是一個大分類編號;31是一個順序編號,3是一類,后期在此基礎(chǔ)上小改就叫32、33、34,大改(基本就是另一個種類的芯片了),就叫41、51、61……,今天大家長見的51,自然就是8031單片機后第3個類型的單片機了(其實51和41、31都是相似結(jié)構(gòu),但還是有一定不同的,自然就分開命名了)。 再后來,INTEL覺得51這么好的東西,應(yīng)該大家分享于是就把51單片機的詳細資料給了世界的個大芯片廠家,于是大家一起做,就有了今天51單片機鋪天蓋地的局面。后來大家都很給INTEL面子,在出單片機時都保留了51的編號,甚至保留8051的名稱,自己再在后面加后綴。51單片機的特點:
1 、具有優(yōu)異的性能價格比
2 、集成度高、體積小、可靠性高
3 、控制功能強
4 、低電壓、低功耗


51單片機的應(yīng)用
1 、在智能儀器儀表中的應(yīng)用:在各類儀器儀表中引入單片機,使儀器儀表智能化,提高測試的自動化程度和精度,簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu),提高其性能價格比。


2 、在機電一體化中的應(yīng)用:機電一體化產(chǎn)品是指集機械、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)于一本,具有智能化特征的電子產(chǎn)品。


3 、在實時過程控制中的應(yīng)用:用單片機實時進行數(shù)據(jù)處理和控制,使系統(tǒng)保持最佳工作狀態(tài),提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。


4 、在人類生活中的應(yīng)用:目前國外各種家用電器已普通采用單片機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路。

 
5 、在其它方面的應(yīng)用:單片機除以上各方面的應(yīng)用,它還廣泛應(yīng)用于辦公自動化領(lǐng)域、商業(yè)營銷領(lǐng)域、汽車及通信、計算機外部設(shè)備、模糊控制等各領(lǐng)域中。


51單片機的基本組成
它由 CPU 、存儲器(包括 RAM 和 ROM )、 I/O 接口、定時 / 計數(shù)器、中斷控制功能等均集成在一塊芯片上,片內(nèi)各功能通過內(nèi)部總線相互連接起來。

 
輸入 / 輸出引腳 P0 、 P1 、 P2 、 P3 的功能 :P0.0~P0 。 7 : P0 口是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口。在訪問片外存儲器時,它分時作低 8 位地址和 8 位雙向數(shù)據(jù)總線用。在EPROM 編程時,由 P0 輸入指令字節(jié),而在驗證程序時,則輸出指令字節(jié)。驗證程序時,要求外接上拉電阻。 P0 能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL 負載。

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P1. 0 ~P1. 7 ( 1~8 腳): P1 是一上帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在 EPROM 編程和驗證程序時,由它輸入低 8 位地址。 P1 能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。


在 8032/8052 中, P1. 0 還相當于專用功能端 T2 ,即定時器的計數(shù)觸發(fā)輸入端; P1. 1 還相當于專用功能端T2EX ,即定時器 T2 的外部控制端。P2.0~P2.7 ( 21~28 腳): P2 也是一上帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時,由它輸出高 8 位地址。在對 EPROM 編程和程序驗證時,由它輸入高 8 位地址。 P2 可以驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。P3. 0 ~P3. 7 ( 10~17 腳): P3 也是一上帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口。在 MCS-51 中,這 8 個引腳還用于專門的第二功能。 P3 能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。

 
P3. 0 RXD (串行口輸入)
P3. 1 TXD (串行口輸出)
P3. 2 INT0 (外部中斷 0 輸入)
P3. 3 INT1 (外部中斷 1 輸入)
P3. 4 T0 (定時器 0 的外部輸入)
P3. 5 T1 (定時器 1 的外部輸入)
P3. 6 WR (片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通)
P3. 7 RD (片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通)


MCS-51 的尋址方式
1 、立即尋址 如: MOV A , #40H
2 、直接尋址 如: MOV A , 3AH
3 、寄存器尋址 如: MOV A , Rn
4 、寄存器間接尋址 如: MOV A , @Rn
5 、基址加變址尋址 如: MOVC A , @A+DPTR
6 、相對尋址 如: SJMP 08H
7 、位尋址 MOV 20H , C


指令
MOV : 片內(nèi) RAM 傳送
MOVX : 片外 RAM 傳送
MOVC : ROM 傳送
XCH : 交換(和 A 交換)
SWAP : A 內(nèi)半字節(jié)交換
ADD :不帶進位加
ADDC :帶進位加
SUBB :帶進位減
INC :加 1
DEC :減 1
MUL :乘法
DIV :除法
DAA :調(diào)整

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計數(shù)初值的計算
定時或計數(shù)方式下計數(shù)初值如何確定,定時器選擇不同的工作方式,不同的操作模式其計數(shù)值均不相同。若設(shè)最大計數(shù)值為 M ,各操作模式下的 M 值為:
模式 0 : M=2 13 =8192
模式 1 : M=2 16 =65536
模式 2 : M=2 8 =256
模式 3 : M=256 ,定時器 T0 分成 2 個獨立的 8 位計數(shù)器,所以 TH0 、 TL0 的 M 均為 256 。


因為 MCS-51 的兩個定時器均為加 1 計數(shù)器,當初到最大值( 00H 或 0000H )時產(chǎn)生溢出,將 TF 位置 1 ,可發(fā)出溢出中斷,因此計數(shù)器初值 X 的計算式為: X=M- 計數(shù)值式中的 M 由操作模式確定,不同的操作模式計數(shù)器的長不相同,故M值也不相同。而式中的計數(shù)值與定時器的工作方式有關(guān)。


1、計數(shù)工作方式時
計數(shù)工作方式時,計數(shù)脈沖由外部引入,是對外部沖進行計數(shù),因此計數(shù)值根據(jù)要求確定。其計數(shù)初值: X=M- 計數(shù)值
例如:某工序要求對外部脈沖信號計 100 次, X=M-100


2、定時工作方式時
定時工作方式時,因為計數(shù)脈沖由內(nèi)部供給,是對機器周期進行計數(shù),故計數(shù)脈沖頻率為 f cont =f osc × 1/12 、計數(shù)周期 T=1/f cont =12/f osc 定時工作方式的計數(shù)初值 X 等于:
X=M- 計數(shù)值 =M-t/T=M- ( f osc × t ) /12
式中:f osc 為振蕩器的振蕩頻率, t 為要求定時的時間。

 
定時器有兩種工作方式 :即定時和計數(shù)工作方式。由 TMOD 的 D6 位和 D2 位選擇,其中 D6 位選擇 T1 的工作方式, D2 位選擇 T0 的工作方式。 =0 工作在定時方式, =1 工作在計數(shù)方式。并有四種操作模式:
1 、模式 0 : 13 位計數(shù)器, TLi 只用低 5 位。
2 、模式 1 : 16 位計數(shù)器。
3 、模式 2 : 8 位自動重裝計數(shù)器, THi 的值在計數(shù)中不變, TLi 溢出時, THi 中的值自動裝入 TLi 中。
4 、模式 3 : T0 分成 2 個獨立的 8 位計數(shù)器, T1 停止計數(shù)。


MCS-51 有 5 個中斷源,可分為 2 個中斷優(yōu)先級,即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級,中斷自然優(yōu)先級:
外部中斷 0 ;定時器 0 中斷; 外部中斷 1 ;定時器 1 中斷 ;
串行口中斷 ;定時器 2 中斷
( 1 )同級或高優(yōu)先級的中斷正在進行中;
( 2 )現(xiàn)在的機器周期還不是執(zhí)行指令的最后一上機器周期,即正在執(zhí)行的指令還沒完成前不響應(yīng)任何中斷;
( 3 )正在執(zhí)行的是中斷返回指令 RET1 或是訪問專用寄存器 IE 或 IP 的指令,換而言之,在 RETI 或者讀寫 IE 或 IP 之后,不會馬上響應(yīng)中斷請求,至少要在執(zhí)行其它一要指令之扣才會響應(yīng)。

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串行口工作方式及幀格式
MCS-51 單片機串行口可以通過軟件設(shè)置四種工作方式:
方式 0 :這種工作方式比較特殊,與常見的微型計算機的串行口不同,它又叫同步移位寄存器輸出方式。在這種方式下,數(shù)據(jù)從 RXD 端串行輸出或輸入,同步信號從 TXD 端輸出,波特率固定不變,為振蕩率的 1/12 。該方式是以 8 位數(shù)據(jù)為一幀,沒有起始位和停止位,先發(fā)送或接收最低位。


方式 2 :采用這種方式可接收或發(fā)送 11 位數(shù)據(jù),以 11 位為一幀,比方式 1 增加了一個數(shù)據(jù)位,其余相同。第 9 個數(shù)據(jù)即 D8 位具有特別的用途,可以通過軟件摟控制它,再加特殊功能寄存器 SCON 中的 SM2 位的配合,可使 MCS-51 單片機串行口適用于多機通信。方式 2 的波特率固定,只有兩種選擇,為振蕩率的 1/64 或 1/32 ,可由 PCON 的最高位選擇。


方式 3 :方式 3 與方式 2 完全類似,唯一的區(qū)別是方式 3 的小組特率是可變的。而幀格式與方式 2- 樣為 11 位一幀。所以方式 3 也適合于多機通信。

 
隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展,將計算機的CPU 、RAM 、 ROM 、定時/數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片級的計算機,因此單片機早期的含義稱為單片微型計算機,直譯為單片機 。


ARM-Advanced RISC Machines
ARM(Advanced RISC Machines),既可以認為是一個公司的名字,也可以認為是對一類微處理器的通稱,還可以認為是一種技術(shù)的名字。


1991年ARM公司成立于英國劍橋,主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前,采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器,即我們通常所說的ARM微處理器,已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場,基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額,ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。


ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司,作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商,本身不直接從事芯片生產(chǎn),靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片,世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核,根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域,加入適當?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進入市場。目前,全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán),因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持,又使整個系統(tǒng)成本降低,使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受,更具有競爭力。


ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點
到目前為止,ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域:
1、工業(yè)控制領(lǐng)域:作為32的RISC架構(gòu),基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額,同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴展,ARM微控制器的低功耗、高性價比,向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。


2、無線通訊領(lǐng)域:目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù), ARM以其高性能和低成本,在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

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3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用:隨著寬帶技術(shù)的推廣,采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外,ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化,并獲得廣泛支持,也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。


4、消費類電子產(chǎn)品:ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。


5、成像和安全產(chǎn)品:現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。


除此以外,ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域,并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。


ARM微處理器的特點
采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點:
1、體積小、低功耗、低成本、高性能;
2、支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集,能很好的兼容8位/16位器件;
3、大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快;
4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;
5、尋址方式靈活簡單,執(zhí)行效率高;
6、指令長度固定。

 
ARM微處理器系列
ARM微處理器目前包括下面幾個系列,以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器,除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外,每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。
- ARM7系列
- ARM9系列
- ARM9E系列
- ARM10E系列
- SecurCore系列
- Inter的Xscale
- Inter的StrongARM


其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個通用處理器系列,每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。以下我們來詳細了解一下各種處理器的特點及應(yīng)用領(lǐng)域。


ARM7微處理器系列
ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器,最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應(yīng)用。ARM7微處理器系列具有如下特點:
- 具有嵌入式ICE-RT邏輯,調(diào)試開發(fā)方便。
- 極低的功耗,適合對功耗要求較高的應(yīng)用,如便攜式產(chǎn)品。
- 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。
- 代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。
- 對操作系統(tǒng)的支持廣泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
- 指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用戶的產(chǎn)品升級換代。
- 主頻最高可達130MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。

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ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域為:工業(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。


ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核:ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、
ARM720T、ARM7EJ。其中,ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器,屬低端ARM處理器核。TDMI的基本含義為:
T: 支持16為壓縮指令集Thumb;
D: 支持片上Debug;
M:內(nèi)嵌硬件乘法器(Multiplier);
I: 嵌入式ICE,支持片上斷點和調(diào)試點。


ARM9微處理器系列
ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特點:
- 5級整數(shù)流水線,指令執(zhí)行效率更高。
- 提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。
- 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
- 支持32位的高速AMBA總線接口。
- 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。
- MPU支持實時操作系統(tǒng)。
- 支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。


ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。


ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型,以適用于不同的應(yīng)用場合。


ARM9E微處理器系列
ARM9E系列微處理器為可綜合處理器,使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案,極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強的DSP處理能力,很適合于那些需要同時使用DSP和微控制器的應(yīng)用場合。ARM9E系列微處理器的主要特點如下:
- 支持DSP指令集,適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。
- 5級整數(shù)流水線,指令執(zhí)行效率更高。
- 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
- 支持32位的高速AMBA總線接口。
- 支持VFP9浮點處理協(xié)處理器。
- 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。
- MPU支持實時操作系統(tǒng)。
- 支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。
- 主頻最高可達300MIPS。

 
ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。


ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型,以適用于不同的應(yīng)用場合。

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ARM10E微處理器系列
ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點,由于采用了新的體系結(jié)構(gòu),與同等的ARM9器件相比較,在同樣的時鐘頻率下,性能提高了近50%,同時,ARM10E系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式,使其功耗極低。ARM10E系列微處理器的主要特點如下:
- 支持DSP指令集,適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。
- 6級整數(shù)流水線,指令執(zhí)行效率更高。
- 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
- 支持32位的高速AMBA總線接口。
- 支持VFP10浮點處理協(xié)處理器。
- 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。
- 支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力
- 主頻最高可達400MIPS。
- 內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。


ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。


ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型,以適用于不同的應(yīng)用場合。


SecurCore微處理器系列
SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計,提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案,因此,SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點外,還具有其獨特的優(yōu)勢,即提供了對安全解決方案的支持。SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點外,還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點:
- 帶有靈活的保護單元,以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。
- 采用軟內(nèi)核技術(shù),防止外部對其進行掃描探測。
- 可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器。


SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于一些對安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng),如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認證系統(tǒng)等領(lǐng)域。


SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類型,以適用于不同的應(yīng)用場合。

 
StrongARM微處理器系列
Inter StrongARM SA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設(shè)計和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率,采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。

 
Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇,已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。


Xscale處理器
Xscale 處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案,是一款全性能、高性價比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集,已使用在數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場合。


Xscale 處理器是Inter目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。

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ARM微處理器結(jié)構(gòu)
RISC體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的CISC(Complex Instruction Set Computer,復(fù)雜指令集計算機)結(jié)構(gòu)有其固有的缺點,即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集,為支持這些新增的指令,計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜,然而,在CISC指令集的各種指令中,其使用頻率卻相差懸殊,大約有20%的指令會被反復(fù)使用,占整個程序代碼的80%。而余下的80%的指令卻不經(jīng)常使用,在程序設(shè)計中只占20%,顯然,這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。


基于以上的不合理性,1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機)的概念,RISC并非只是簡單地去減少指令,而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡單指令,避免復(fù)雜指令;將指令長度固定,指令格式和尋地方式種類減少;以控制邏輯為主,不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。


到目前為止,RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點:
- 采用固定長度的指令格式,指令歸整、簡單、基本尋址方式有2~3種。
- 使用單周期指令,便于流水線操作執(zhí)行。
- 大量使用寄存器,數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作,只有加載/ 存儲指令可以訪問存儲器,以提高指令的執(zhí)行效率。


除此以外,ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù),在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積,并降低功耗:
- 所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行,從而提高指令的執(zhí)行效率。
- 可用加載/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。
- 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。
- 在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。


當然,和CISC架構(gòu)相比較,盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點,但決不能認為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu),事實上,RISC和CISC各有優(yōu)勢,而且界限并不那么明顯。現(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍,內(nèi)部加入了RISC的特性,如超長指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢,成為未來的CPU發(fā)展方向之一。
ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)


ARM處理器共有37個寄存器,被分為若干個組(BANK),這些寄存器包括:
- 31個通用寄存器,包括程序計數(shù)器(PC指針),均為32位的寄存器。
- 6個狀態(tài)寄存器,用以標識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài),均為32位,目前只使用了其中的一部分。


同時,ARM處理器又有7種不同的處理器模式,在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。即在任意一種處理器模式下,可訪問的寄存器包括15個通用寄存器(R0~R14)、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器。在所有的寄存器中,有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器,而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。

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關(guān)于ARM處理器的寄存器結(jié)構(gòu),在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細描述。


ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)
ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集:ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令為32位的長度,Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集,但與等價的ARM代碼相比較,可節(jié)省30%~40%以上的存儲空間,同時具備32位代碼的所有優(yōu)點。


關(guān)于ARM處理器的指令結(jié)構(gòu),在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細描述。


ARM微處理器的應(yīng)用選型
鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點,隨著國內(nèi)外嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的逐步發(fā)展,ARM微處理器必然會獲得廣泛的重視和應(yīng)用。但是,由于ARM微處理器有多達十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu),幾十個芯片生產(chǎn)廠家,以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合,給開發(fā)人員在選擇方案時帶來一定的困難,所以,對ARM芯片做一些對比研究是十分必要的。


以下從應(yīng)用的角度出發(fā),對在選擇ARM微處理器時所應(yīng)考慮的主要問題做一些簡要的探討。


ARM微處理器內(nèi)核的選擇
從前面所介紹的內(nèi)容可知,ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu),以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,用戶如果希望使用WinCE或標準Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間,就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片,ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。而ARM7TDMI則沒有MMU,不支持Windows CE和標準Linux,但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)可運行于ARM7TDMI硬件平臺之上。事實上,uCLinux已經(jīng)成功移植到多種不帶MMU的微處理器平臺上,并在穩(wěn)定性和其他方面都有上佳表現(xiàn)。


系統(tǒng)的工作頻率
系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz,常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHz,ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz,常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘頻率為100MHz-233MHz,ARM10最高可以達到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同,有的芯片只需要一個主時鐘頻率,有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。


芯片內(nèi)存儲器的容量
大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大,需要用戶在設(shè)計系統(tǒng)時外擴存儲器,但也有部分芯片具有相對較大的片內(nèi)存儲空間,如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的片內(nèi)程序存儲空間,用戶在設(shè)計時可考慮選用這種類型,以簡化系統(tǒng)的設(shè)計。


片內(nèi)外圍電路的選擇
除ARM微處理器核以外,幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域,擴展了相關(guān)功能模塊,并集成在芯片之中,我們稱之為片內(nèi)外圍電路,如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等,設(shè)計者應(yīng)分析系統(tǒng)的需求,盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能,這樣既可簡化系統(tǒng)的設(shè)計,同時提高系統(tǒng)的可靠性。

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