《ARM系统硬件设计》课件

系统硬件设计ARM本课程介绍ARM体系结构、指令集和系统设计原理着重讲解ARM处理器核心，内存控制器，外设接口等关键组件体系结构概述ARM低功耗高性能ARM处理器设计注重低功耗，使ARM架构提供高效的指令集和流其适用于移动设备、嵌入式系统水线技术，能够实现高性能计等各种应用算可扩展性广泛应用ARM架构支持多种内核配置，可ARM处理器在智能手机、平板电根据应用需求定制处理器性能脑、物联网设备、汽车电子等领域应用广泛指令集体系ARM指令集架构ARM指令集体系结构是一种精简指令集计算机RISC架构指令集ThumbThumb指令集为16位指令，以提高代码密度和执行效率和ARMv7-A ARMv8-AARMv7-A和ARMv8-A指令集扩展了指令集，提升性能和功能内核功能概述ARM数据处理内存管理中断处理电源管理ARM内核支持各种数据类ARM内核提供内存管理单元ARM内核提供中断处理机ARM内核提供各种电源管理型，包括整数、浮点数和向MMU，可有效地管理内存制，允许处理器及时响应外功能，例如低功耗模式和动量数据，并提供丰富的指令空间，保护不同程序之间的部事件或错误情况，确保系态电压频率调节，降低功集，实现高效的数据处理和内存访问，提高系统的安全统稳定运行耗，提高电池寿命计算性处理器内部结构ARMARM处理器内部结构主要包括数据路径、控制路径和存储器子系统数据路径负责处理数据，控制路径负责控制处理器运行，存储器子系统负责存储数据和指令ARM处理器的内部结构复杂多样，不同型号的处理器会有不同的结构设计处理器实现流水线ARM指令获取从存储器中获取下一条指令，并将其放入指令缓存中指令解码解码指令，并确定指令类型和操作数执行执行指令，并更新处理器状态写回将结果写入寄存器或存储器处理器基本寄存器ARM通用寄存器程序计数器堆栈指针连接寄存器PC SPLRARM处理器包含一组通用寄存PC指向正在执行的指令的内存SP指向当前堆栈的顶部LR存储子程序返回地址器，用于存储程序数据和地地址址处理器状态标志位ARM状态标志位标志位描述12ARM处理器使用状态标志位N标志负数标志，Z标志来跟踪算术逻辑运算的结果零标志，C标志进位标志，V标志溢出标志标志位应用条件执行34程序员可以根据状态标志位来使用状态标志位，可以实现基进行条件分支，实现程序的流于条件的指令执行，提高程序程控制效率异常处理机制ARM异常检测1处理器检测到异常事件保存上下文2将当前处理器状态保存在堆栈中跳转异常向量3将程序控制转移到异常处理程序异常处理4执行相应的异常处理代码ARM处理器使用异常处理机制来处理各种异常事件，例如中断、错误和系统调用异常处理机制可以确保系统能够在发生异常事件时保持稳定，并提供一个机制来处理异常事件中断控制机制ARM中断源中断向量表

1.

2.12外部中断，内部中断，软件中存放中断服务程序的地址断中断优先级中断控制寄存器

3.

4.34确定中断处理顺序控制中断使能、屏蔽和优先级定时器模块ARM定时器模块应用场景配置选项ARM处理器包含一个或多个定时器模块，定时器广泛应用于各种任务，例如时间片定时器模块可配置为产生不同的计时周用于产生精确的时间间隔调度、中断处理、延迟计时期，并支持多种触发模式看门狗模块ARM看门狗定时器超时机制看门狗模块是一个定时器，用于监测系统是否正常运行看门狗模块有一个预设的超时时间当系统出现故障或死机时，看门狗定时器会产生一个中断信号，如果系统在超时时间内没有重置看门狗定时器，则看门狗定时器重启系统会触发预设的复位动作电源管理机制ARM低功耗模式电源管理单元ARM处理器支持多种低功耗模ARM处理器通常包含一个电源管式，例如睡眠模式、深度睡眠模理单元（PMU），用于控制电源式和停机模式，以减少功耗状态，监控电池电量并管理功耗动态电压和频率缩放电源管理策略动态电压和频率缩放（DVFS）ARM系统通常采用多种电源管理技术可根据负载情况调整处理器策略，例如休眠定时器、电源门电压和频率，从而降低功耗控和电源优化算法，以实现最佳功耗存储器接口ARMARM处理器通过存储器接口访问外部存储器，例如RAM和ROM接口规范定义了数据传输方式、地址范围、时序和控制信号ARM处理器支持多种存储器接口标准，例如AXI、APB和SPI片上总线架构ARMARM片上系统（SoC）通常采用总线架构，用于连接处理器、存储器、外设和其他组件常见的总线类型包括AMBA（高级微控制器总线架构）总线，如AXI、APB和AHBAXI总线用于高带宽数据传输，APB总线用于低带宽控制信号，AHB总线介于两者之间外设接口ARM定时器串行通信提供精确时间计时，用于延时、定时器中断等串行接口广泛用于与外部设备通信，支持多种功能标准协议传感器网络接口通过SPI、I2C等接口与传感器连接，采集环境支持以太网、WIFI、蓝牙等网络协议，实现数数据据传输调试接口ARM接口接口JTAG SWDJTAG接口是ARM处理器常用的SWD接口是一种更轻量级的调试调试接口它提供了一种标准化接口，在一些应用中可以替代的方式，用于访问处理器内部状JTAG接口它使用更少的引脚，态，设置断点和单步执行代码但功能与JTAG接口相似串行调试接口串行调试接口可以使用UART或其他串行通信方式来进行调试它通常用于嵌入式系统中，因为串行通信接口通常比JTAG接口更容易实现软件开发工具链ARM编译器链接器编译器将高级语言代码转换为ARM可执链接器将多个目标文件和库文件组合成行的机器代码GCC、Keil和IAR是常可执行文件ARM链接器负责解决符号用的编译器引用和地址分配汇编器调试器汇编器将汇编语言代码转换为机器代调试器用于在开发过程中识别和解决代码ARM汇编器通常与编译器集成码中的错误GDB、ARM仿真器和JTAG调试器是常用的调试工具开发板介绍ARMARM开发板是基于ARM处理器构建的硬件平台，包含ARM处理器核心、存储器、外设接口和其他必要组件开发人员可以使用开发板测试和验证ARM系统软件，学习ARM处理器架构，并开发应用程序常见的ARM开发板有树莓派、BeagleBone Black等传感器接口ARM传感器类型连接方式数据采集ARM处理器支持多种类型的传感器接口，传感器可以连接到ARM处理器的GPIO端ARM处理器可以读取传感器数据并进行处包括模拟传感器、数字传感器和串行传感口、SPI总线、I2C总线或UART接口理，例如滤波、校准和转换器网络通信接口ARM以太网接口接口Wi-FiARM系统通常集成以太网控制器，支持多种网ARM芯片可集成Wi-Fi模块，实现无线网络连络协议，例如TCP/IP接蓝牙接口蜂窝网络接口ARM支持蓝牙协议，用于短距离无线通信ARM芯片可支持蜂窝网络连接，实现更广范围的通信存储器控制器ARM内存管理数据传输12负责管理系统内存，分配和回控制CPU和内存之间的数据传收内存空间输，确保高效的内存访问错误检测安全控制34检测内存访问错误，例如地址实现内存保护机制，防止非法越界或数据错误访问或修改内存数据显示控制器ARM显示接口分辨率和色彩视频加速触摸屏控制ARM显示控制器支持多种显支持各种分辨率和色彩深度，提供硬件加速功能，支持视频集成触摸屏控制器，实现触摸示接口，例如，LCD、TFT、满足不同的显示需求解码和编码屏输入功能OLED等音频控制器ARM音频编解码数字音频接口支持多种音频编解码格式，例如MP

3、AAC和WAV提供数字音频接口，例如I2S和SPDIF，连接外部音频设备音频混音和处理音频输出支持音频混音、均衡和降噪等功能，提高音频质量通过内置的DAC模块，将数字音频信号转换为模拟音频信号图像处理单元ARM图像处理功能ARM处理器通常包含图像处理单元（GPU），用于加速图像和视频处理任务GPU能够快速处理大量的像素数据，例如图像渲染、视频解码和编码安全性和加密机制ARM硬件安全加密加速12ARM处理器包含安全特性，ARM体系结构提供加密引如安全启动和内存保护，防止擎，加速对称和非对称加密算恶意攻击法，提升性能安全协议可信执行环境34支持安全通信协议，如TLS和ARM TrustZone技术提供可SSL，确保数据传输安全信执行环境，保护敏感数据和关键代码多核和异构体系结构ARM多核处理器异构体系结构多个ARM处理器内核集成在一个芯片上，提高系统性能和吞吐将不同的处理器类型（如CPU、GPU、DSP）集成在一起，利用量适用于高性能计算、多任务处理等应用场景各自的优势，提高系统效率适用于图形处理、机器学习、信号处理等应用场景体系结构未来发展趋势ARM人工智能物联网AI应用对计算能力需求日益增长物联网设备需要低功耗、高效率ARM将重点发展AI芯片，提升性ARM将继续优化低功耗设计，提高能能源效率云计算网络5G云计算平台需要高性能、可扩展性5G网络需要高带宽、低延迟ARMARM将增强处理器核心数量，提高将改进网络接口，支持高速数据传性能输处理器在物联网中的应用ARM低功耗高性能ARM处理器功耗低，适合物联网设备，成本效益例如传感器和执行器，这些设备通常需ARM处理器性能强大，能够执行复杂的要电池供电，并具有长时间工作的能计算任务，例如数据处理和分析，支持ARM处理器价格低廉，适用于物联网应用中的大量部署，为物联网设备的广泛力物联网设备进行数据采集和处理应用提供了经济基础处理器在边缘计算中的应用ARM低延迟本地化数据处理高可靠性边缘计算将数据处理靠近数据源，减少延边缘设备能够在本地处理数据，减少数据边缘计算可以确保在网络断开的情况下，迟，实现实时响应传输，提高效率，降低成本设备仍能正常运行，提高系统可靠性处理器在汽车电子中的应用ARM仪表盘和信息娱乐系统自动驾驶系统ARM处理器可以处理仪表盘显示、信息高性能ARM处理器可以进行复杂的图像娱乐系统，以及车载导航功能识别和路径规划，用于实现自动驾驶功能发动机控制单元车联网ARM处理器可以优化发动机性能，减少ARM处理器可以连接各种传感器，实现燃油消耗，并提高排放标准车联网功能，提高驾驶安全性总结和展望ARM体系结构在嵌入式系统领域取得了巨大成功，未来将继续发展，并拓展到更多应用领域ARM处理器将继续朝着高性能、低功耗、高集成度方向发展，并不断完善生态系统，为开发者提供更加便捷高效的开发环境。