разработки с интегрированным Си-компилятором: µVision фирмы Keil и Embedded Workbench фирмы IAR. Внутрисхемная отладка обеспечивается такими средствами, как U-Link2 (фирмы Keil), J-Link (фирмы Segger), а также их многочисленными дешевые аналогами.

В дальнейшем будем рассматривать микроконтроллер LPC2148 фирмы NXP (старший из серии LPC214x), который можно назвать типичным представителем семейства ARM7. Приведем основные параметры и перечислим наиболее важные встроенные аппаратные средства этой микросхемы.

а) Максимальная тактовая частота 60 МГц. б) ПЗУ (FLASH-память) объемом 512 кбайт. в) ОЗУ объемом 40 кбайт.

г) Два 32-разрядных таймера-счетчика, модуль ШИМ с отдельным таймером, сторожевой таймер, часы реального времени с автономным питанием и тактированием.

д) Два десятиразрядных АЦП с временем преобразования 2,44 мкс. е) Десятиразрядный ЦАП с временем установления 1 мкс.

ж) Приемопередатчики интерфейсов: два UART, два I2C, SPI, SSP, USB 2.0 в режиме Full Speed (12 МГц) с прямым доступом к памяти.

и) Гибкая система управления энергопотреблением.

Следующие разделы первой части настоящего учебного пособия посвящены описанию архитектуры ARM7TDMI и аппаратных узлов микроконтроллера LPC2148.

1.2 Программистская модель процессорного ядра ARM7TDMI

Составляя программу, программист в основном абстрагируется от устройства аппаратных средств микропроцессора и имеет дело лишь с регистрами общего назначения, регистрами специальных функций и набором ячеек памяти. Эти ресурсы будем называть программистской моделью микропроцессора или микроконтроллера. Схема программистской модели и организации памяти приведена на рисунке 1.2.1.

1.2.1 Режимы работы ядра ARM7

Процессорное ядро ARM7 имеет шесть режимов работы. От выбранного режима зависит доступный набор регистров общего назначения. Смена режима может происходить аппаратно или выполняться программно путем записи кода в регистр состояния программы СPSR (раздел 1.2.2) командой MSR. Ниже перечислены все режимы и даны краткие пояснения по поводу назначения каждого из них (см. также раздел 1.6).

а) Режимы User и System предназначены для выполнения программы пользователя или операционной системы; это основной режим работы ядра.

б) Supervisor — режим программного прерывания. Приход в этот режим происходит при сбросе, выполнении инструкции SWI или переполнении счетчика команды.

в) Переход в режим Abort происходит при обращении к недопустимому адресу памяти (исключительные ситуации PAbort и DAbort).

9

г) Переход в режим Undefined производится в случае попытки выполнения неопределенной команды (исключительная ситуация Undefined).

д) IRQ — режим прерывания, классифицированного как IRQ.

е) FIQ — режим прерывания, классифицированного как FIQ (быстрое прерывание).

Все режимы кроме User называются привилегированными. В этих режимах доступны некоторые функции управления ядром, которые не доступны в режиме User.

1.2.2 Система регистров

Арифметико-логическое устройство МК взаимодействует с 16 регистрами общего назначения, обозначаемыми R0–R15 (рисунок 1.2.1). Регистры R0–R12 доступны для размещения данных. Регистр R13 (SP) служит указателем стека; в нем хранится адрес вершины стека, организованного в памяти данных. R14 (LR) — регистр связи, предназначенный для хранения адреса возврата при вызове прерываний и подпрограмм. R15 (PC) — счетчик команд, содержащий адрес следующей команды.

В каждом привилегированном (то есть кроме User/System) режиме имеется своя пара регистров R13, R14. На схеме (рисунок 1.2.1) они обозначены R13_xxx, R14_xxx, где xxx — идентификатор режима. При смене режима используются эти копии, а оригинальное содержимое R13, R14 основного режима User/System сохраняется неизменным. Это необходимо для полного восстановления состояния ядра при возврате в режим User/System. Вполне очевидно, что счетчик команд R15 не должен ни сохраняться, ни восстанавливаться при смене режима, поэтому он не имеет копий. Для режима быстрого прерывания FIQ предусмотрен второй набор регистров R8–R12. Эти «дублеры» R8–R12 можно использовать в процедуре обработки быстрого прерывания, не затрачивая времени на сохранение в стек оригинальных регистров режима User/System и на последующее их восстановление.

Регистр состояния программы CPSR содержит флаги результатов арифметических операций и биты управления режимом ядра (раздел 1.2.3). Изменение регистра CPSR программным путем возможно только в привилегированных режимах. Для сохранения слова состояния программы имеются регистры SPSR_xxx, где xxx — идентификатор режима.

1.2.3 Слово состояния программы

Схема флагов и управляющих битов слова состояния программы CPSR показана на рисунке 1.2.1 (внизу).

Флаги результата арифметических операций, устанавливаются автоматически при обработке данных в АЛУ инструкциями, вызванными с модификатором {S} (раздел 1.4 и таблица 1.4.2). В таблице 1.2.1 даны примеры влияния на флаги операции сложения. Рассмотрим назначение флагов слова состояния программы CPSR.

● Бит 31 (N) — флаг устанавливается в единицу, если результат вычислений в АЛУ отрицательный, то есть если старший (31-ый) разряд результата равен единице.

10

Таблица 1.2.1 – Примеры влияния операции сложения на флаги результата

●Бит 30 (Z) — флаг устанавливается в единицу, если результат вычислений в АЛУ равен нулю.

●Бит 29 (С) — флаг переноса, инверсный влаг заема. При сложении беззнаковых чисел флаг устанавливается в единицу, если произошел перенос из 31-го разряда, то есть если результат вычислений в АЛУ больше . При вычитании беззнаковых чисел флаг сбрасывается в ноль, если произошел заем из несуществующего 32-го разряда, то есть если результат вычислений в АЛУ меньше нуля.

●Бит 28 (V) — флаг арифметического переполнения. При сложении и вычитании чисел со знаком флаг устанавливается в единицу, если результат вычислений в АЛУ больше или меньше . Такой результат приводит к потере знака. Иными словами, флаг устанавливается в единицу, если знаковый (31-ый) разряд обоих операндов одинаков и отличается от знакового разряда результата.

●Бит 7 (I) — бит запрета прерываний IRQ. Устанавливается аппаратно в единицу в исключительных ситуациях Reset, SWI, IRQ, FIQ. Равенство единице запрещает прерывания IRQ при сбросе и в одноименных режимах.

●Бит 6 (F) — бит запрета прерываний FIQ. Устанавливается в единицу аппаратно в исключительных ситуациях Reset, FIQ. Равенство единицы запрещает прерывания FIQ при сбросе и в режиме FIQ.

●Бит 5 (T) — бит перевода ядра в 16-разрядный режим Thumb ().

Врежиме Thumb меняется программистская модель и система команд микроконтроллера. Производительность в режиме Thumb снижается, но благодаря коротким 16-разрядным командам сокращается расход памяти программ. Режим Thumb в настоящем учебном пособии не рассматривается.

Таблица 1.2.2 – Управление режимом работы ядра через регистр CPSR

12