SOC系統晶片：ARM軟硬體原理（附展示光碟片）

第1章　SoC的時代1-1
1.1　SoC時代的簡介1-1
1.1.1　系統晶片(SoC)關鍵技術-IP矽智產1-3
1.1.2　SoC好處1-5
1.1.3　SoC的技術挑戰1-5
1.1.4　系統晶片圖示1-6
1.1.5　全球SoC IP市場佔有圖表1-7
1.2　ARM Core沿革介紹1-7
1.2.1　ARM歷史沿革1-8
1.3　ARM處理器系列核心架構1-10
1.3.1　ARM7系列核心1-14
1.3.2　ARM91-16
1.3.3　StrongARM處理器及XScale微處理器1-18
1.3.4　ARM10 Thumb系列1-20
1.3.5　SecurCore系列1-20
1.3.6　Jazelle技術功能核心1-21
1.3.7　架構延伸方案1-22
1.4　ARM應用系統1-23
1.4.1　汽車電子1-23
1.4.2　消費性娛樂產品1-23
1.4.3　工　業1-24
1.4.4　網　路1-24
1.4.5　影像處理1-25
1.4.6　高容量儲存系統1-25
1.4.7　安全系統1-26
1.4.8　無線通訊1-26
第2章　ARM7TDMI微控制器核心2-1
2.1　ARM7TDMI簡介2-1
2.1.1　ARM7TDMI方塊圖示2-4
2.1.2　ARM7TDMI核心圖示2-5
2.1.3　ARM7TDMI信號機能圖示2-6
2.2　信號描述2-7
2.3　模組規劃2-13
2.3.1　硬體規劃信號2-14
2.3.2　操作模式的選擇2-15
2.3.3　暫存器2-16
2.3.4　例外事件(Exception)2-19
2.3.5　重置(Reset)2-25
2.4　記憶體介面2-25
2.4.1　週期型態2-25
2.4.2　位元組(Byte)的定址2-28
2.4.3　位址時序2-29
2.4.4　記憶體管理2-32
2.4.5　被鎖住的操作2-33
2.4.6　延伸存取的時間2-34
第3章　ARM/Thumb指令集3-1
3.1　ARM指令集3-1
3.1.1　ARM指令集摘要3-1
3.1.2　條件欄3-5
3.1.3　分支與轉換(BX：Branch and Exchange)3-6
3.1.4　分支和帶連結的分支(B, BL)3-8
3.1.5　資料處理3-10
3.1.6　PSR轉換(MRS、MSR)3-20
3.1.7　乘法和乘積(MUL、MLA)3-25
3.1.8　長乘法和長乘積(MULL、MLAL)3-28
3.1.9　單筆資料轉換(LDR、STR)3-31
3.1.10 　半字元組和單筆資料轉換
　 (LDRH/STRH/LDRSB/LDRSH)3-38
3.1.11 　區塊資料轉換(LDM、STM)3-46
3.1.12 　單筆資料互換(SWP)3-55
3.1.13 　軟體中斷(SWI)3-57
3.1.14 　輔助處理器資料操作(CDP)3-59
3.1.15 　輔助處理器資料傳輸(LDC、STC)3-61
3.1.16 　輔助處理器之暫存器傳輸(MRC、MCR)3-65
3.1.17 　未定義指令3-68
3.1.18 　指令集範例3-69
3.2　Thumb指令集3-75
3.2.1　格式1：暫存器搬移/移位
　 (move shifted register)3-78
3.2.2　格式：加法/減法(add/subtract)3-80
3.2.3　格式3：立即值之搬移/比較/加法/減法
　(move/compare/add/subtract immediate)3-82
3.2.4　格式4：ALU的操作3-83
3.2.5　格式5：高位暫存器的操作/分支改變
　(Hi register operations/branch exchange)3-85
3.2.6　格式6：PC相對的載入(PC relative load)3-87
3.2.7　格式7：帶暫存器偏移量之載入/儲存
　(load/store with register offset)3-89
3.2.8　格式8：帶符號延伸之位元組/半字元之載入
　/儲存(load/store sign extended byte/halfword)3-90
3.2.9　格式9：帶立即值偏移之載入/儲存
　(load/store with immediate offset)3-92
3.2.10 　格式10：半字元組之載入/儲存
　 (load/store halfword)3-94
3.2.11 　格式11：SP相對的載入/儲存
　 (SP relative load/store)3-96
3.2.12 　格式12：載入地址(load address)3-97
3.2.13 　格式13：加入偏移量的堆疊指標
　 (add offset to Stack Pointer)3-98
3.2.14 　格式14：堆入/彈出暫存器
　 (push/pop registers)3-100
3.2.15 　格式15：多重載入/儲存(multiple load/store)3-101
3.2.16 　格式16：附有條件的分支(conditional branch)3-102
3.2.17 　格式17：軟體中斷(software interrupt)3-104
3.2.18 　格式18：無條件分支(unconditional branch)3-105
3.2.19 　格式19：帶連結的之長分支
　 (long branch with link)3-106
3.2.20 　指令集範例3-108
第4章　AT91 ARM/Thumb微控制器特性簡介4-1
4.1　AT91特點4-1
4.1.0　AT91X40系列微電腦控制器的特點4-1
4.1.1　AT91X40描述4-3
4.1.2　接腳佈局4-4
4.1.3　AT91X40系列接腳描述4-5
4.1.4　功能方塊圖4-6
4.2　AT91X40架構敘述4-7
4.2.1　AT91X40架構概要4-7
4.2.2　記憶體4-7
4.2.3　週邊(Peripherals)4-8
4.2.4　相關文件4-10
4.3　AT91X40系列產品概要4-11
4.3.1　電源供應4-11
4.3.2　輸入/輸出考量4-11
4.3.3　主要時脈(Master Clock)4-11
4.3.4　重置(Reset)4-12
4.3.5　模擬(Emulation)功能4-12
4.3.6　記憶體控制器4-13
4.3.7　外部的匯流排界面(External Bus Interface；EBI)4-16
4.3.8　週邊(Peripherals)4-17
4.3.9　系統週邊(System Peripherals)4-19
4.3.10 　使用者週邊(User Peripherals)4-21
4.3.11 　記憶體圖對映(Memory Map)4-21
4.4　EBI︰外部匯流排界面4-25
4.4.1　外部匯流排界面(External Bus Interface；EBI)4-25
4.4.2　外部記憶體對映(External Memory Mapping)4-26
4.4.3　晶片選擇線(Chip Select Lines)4-28
4.4.4　資料匯流排寬度(Data Bus Width)4-29
4.4.5　位元組寫入或位元組選擇存取4-30
4.4.6　由NCS0開機(Boot on NCS0)4-33
4.4.7　讀取協定(Read Protocols)4-33
4.4.8　寫入資料維持時間(Write Data Hold Time)4-36
4.4.9　等待狀態(Wait States)4-36
4.4.10 　外部等待4-39
4.4.11 　晶片選擇變更等待狀態(Chip Select Change
Wait States)4-40
4.4.12 　記憶體存取波形(Memory Access Waveforms)4-40
4.4.13 　AT91X40系列各種讀取和寫入存取外部記憶
　體裝置的時序週期和等待狀態4-43
4.4.14 　EBI使用者界面4-50
4.4.15 　EBI晶片選擇暫存器(Chip Select Register)4-52
4.4.16 　EBI位址重新定位控制暫存器(Remap Control
　Register)4-55
4.4.17 　EBI記憶體控制暫存器(Memory Control
　Register)4-55
4.5　PS︰電力節省模式(Power-saving)4-56
4.5.1　週邊時脈(Peripheral Clocks)4-57
4.5.2　PS︰電力節省模式(PS)使用者介面4-57
4.5.3　PS控制暫存器(PS Control Register)4-58
4.5.4　PS週邊時脈致能暫存器4-58
4.5.5　PS週邊時脈除能暫存器4-59
4.5.6　PS週邊時脈狀態暫存器4-61
4.6　先進中斷控制器(AIC)4-62
4.6.1　硬體中斷向量4-65
4.6.2　優先等級控制器(Priority Controller)4-65
4.6.3　中斷處理(Interrupt Handling)4-66
4.6.4　中斷遮罩(Interrupt Masking)4-66
4.6.5　中斷清除與設定(Interrupt Clearing and Setting)4-67
4.6.6　快速中斷要求(Fast Interrupt Request)4-67
4.6.7　軟體中斷(Software Interrupt)4-67
4.6.8　假的中斷(Spurious Interrupt)4-68
4.6.9　保護模式(Protect Mode)4-68
4.6.10 　AIC使用者界面4-70
4.6.11 　AIC來源模式暫存器(AIC Source Mode
　Register)4-71
4.6.12 　AIC來源向量暫存器(AIC Source Vector
　Register)4-72
4.6.13 　AIC中斷向量暫存器(AIC Interrupt Vector
　Register)4-73
4.6.14 　AIC快速中斷向量暫存器(AIC FIQ Vector
　Register)4-74
4.6.15 　AIC中斷狀態暫存器(Interrupt Status
　Register)4-74
4.6.16 　AIC中斷等待暫存器(Interrupt Pending
　 Register)4-75
4.6.17 　AIC中斷遮罩暫存器(Interrupt Mask Register)4-76
4.6.18 　AIC中斷狀態暫存器(Interrupt Status Register)4-76
4.6.19 　AIC中斷致能命令暫存器(Interrupt Enable
　Command Register)4-77
4.6.20 　AIC中斷禁止命令暫存器(Interrupt Disable
　Command Register)4-78
4.6.21 　　AIC中斷清除命令暫存器(Interrupt Clear
　Command Register)4-79
4.6.22 　AIC中斷設定暫存器(Interrupt Set Command
　Register)4-79
4.6.23 　AIC中斷結束命令暫存器(End of Interrupt
　Command Register)4-80
4.6.24 　AIC假的向量暫存器(Spurious Vector Register)4-81
4.6.25 　標準中斷程序4-81
4.6.27 　快速中斷步驟4-83
4.7　並列I/O控制器
(PIO︰Parallel I/O Controller)4-85
4.7.1　多工使用的I/O線(Multiplexed I/O Lines)4-85
4.7.2　輸出選擇4-86
4.7.3　I/O準位4-86
4.7.4　濾波器(Filters)4-87
4.7.5　中　斷4-87
4.7.6　使用者界面4-87
4.7.7　PIO使用者界面4-91
4.7.8　PIO致能暫存器4-92
4.7.9　PIO除能暫存器4-92
4.7.10 　PIO狀態暫存器4-93
4.7.11 　PIO輸出致能暫存器4-94
4.7.12 　PIO輸出除能暫存器4-94
4.7.13 　PIO輸出狀態暫存器4-95
4.7.14 　PIO輸入過濾致能暫存器(Input Filter Enable
　 Register)4-96
4.7.15 　PIO輸入濾波除能暫存器(Input Filter Disable
　Register)4-97
4.7.16 　PIO輸入濾波狀態暫存器(Input Filter Status
　 Register)4-97
4.7.17 　PIO設定輸出資料暫存器(PIO Set Output Data
　Register)4-98
4.7.18 　PIO清除輸出資料暫存器(PIO Clear Output
　Data Register)4-99
4.7.19 　PIO輸出資料狀態暫存器(PIO Output Data
　Status Register)4-100
4.7.20 　PIO接腳資料狀態暫存器(PIO Pin Data Status
　 Register)4-100
4.7.21 　PIO中斷致能暫存器(Interrupt Enable
　Register)4-101
4.7.22 　PIO中斷除能暫存器(Interrupt Disable Register)4-102
4.7.23 　PIO中斷遮罩暫存器(PIO Interrupt Mask
　Register)4-103
4.7.24 　PIO中斷狀態暫存器(PIO Interrupt Status
　Register)4-103
4.8　看門狗計時器 (WDT︰Watchdog Timer)4-104
4.8.1　看門狗計時器結構4-104
4.8.2　看門狗使用者界面4-106
4.8.3　看門狗溢位模式暫存器 (WD Overflow Mode
　Register)4-106
4.8.4 　看門狗時脈模式暫存器(WD Clock Mode
　Register)4-107
4.8.5　看門狗控制暫存器(WD Control Register)4-109
4.8.6　看門狗狀態暫存器(WD Status Register)4-109
4.8.7　看門狗計時器致能程序4-110
4.9　SF︰特殊功能暫存器4-111
4.9.1　晶片識別4-111
4.9.2　SF使用者界面4-111
4.9.3　晶片識別暫存器(Chip ID Register)4-112
4.9.4　晶片識別(ID)延伸暫存器4-114
4.9.5　重置狀態暫存器4-114
4.9.6　SF記憶體模式暫存器4-115
4.9.7　SF保護模式暫存器(Protect Mode Register)4-116
4.10　USART通用同步非同步接收傳送器4-117
4.10.1　USART︰通用同步/非同步接收/傳送器
　(Universal Synchronous/Asynchronous
　Receiver/Transmitter)4-117
4.10.2　USART接腳敘述4-118
4.10.3　鮑率產生器(Baud Rate Generator)4-119
4.10.4　接收器4-120
4.10.5　傳送器(Transmitter)4-123
4.10.6　Break4-125
4.10.7　週邊資料控制器(Peripheral Data Controller)4-127
4.10.8　產生中斷4-128
4.10.9　通道模式4-128
4.10.10 　USART使用者界面4-129
4.10.11 　USART 控制暫存器(USART Control Register)4-130
4.10.12 　USART模式暫存器(USART Mode Register)4-132
4.10.13 　USART中斷致能暫存器 (USART Interrupt
　Enable Register)4-135
4.10.14 　USART中斷禁止暫存器(USART Interrupt
　Disable Register)4-137
4.10.15 　USART中斷遮罩暫存器(USART Interrupt
　Mask Register)4-139
4.10.16 　USART通道狀態暫存器(USART Channel
　Status Register)4-141
4.10.17 　USART接收保持暫存器(USART Receiver
　Holding Register)4-143
4.10.18 　USART傳送保持暫存器(USART Transmitter
　Holding Register)4-144
4.10.19 　USART鮑率產生暫存器(USART Baud Rate
　Generator Register)4-145
4.10.20 　USART接收超時暫存器(USART Receiver
　Time-out Register)4-146
4.10.21 　USART傳送Time-guard暫存器4-147
4.10.22 　USART接收指標暫存器(USART Receive
　Pointer Register)4-148
4.10.23 　USART接收計數暫存器(USART Receive
　Counter Register)4-148
4.10.24 　USART傳送指標暫存器(USART Transmit
　Pointer Register)4-149
4.10.25 　USART傳送計數暫存器(USART Transmit
　Counter Register)4-150
4.11　計時計數器(Timer Counter)4-151
4.11.1　計時計數器4-151
4.11.2　信號名稱描述4-152
4.11.3　計時計數器描述4-153
4.11.4　捕捉工作模式4-157
4.11.5　波形工作模式4-159
4.11.6　TC使用者界面4-163
4.11.7　TC區塊控制暫存器(Block Control Register)4-164
4.11.8　TC區塊模式暫存器(Block Mode Register)4-165
4.11.9　TC通道控制暫存器(Channel Control
　Register)4-167
4.11.10 　TC通道模式暫存器︰捕捉模式4-168
4.11.11 　TC通道模式暫存器︰波形模式4-171
4.11.12 　TC計數值暫存器4-176
4.11.13 　TC暫存器A4-177
4.11.14 　TC暫存器B4-178
4.11.15 　TC暫存器C4-178
4.11.16 　TC狀態暫存器4-179
4.11.17 　TC中斷致能暫存器4-181
4.11.18 　TC中斷禁止暫存器4-183
4.11.19 　TC中斷遮罩暫存器4-184
第5章　ARM軟硬體工具介紹5-1
5.1　除錯工具5-1
5.1.1　線上模擬器-ICE5-3
5.2　軟　體5-6
5.2.1　Green Hills Inc.--MULTI 2000 IDE5-6
5.2.2　Hitool for ARM發展系統5-7
5.2.3　ARM Developer Suite5-8
5.2.4　ARM SDT5-11
5.3　硬　體5-12
5.4　Firmware(韌體)5-14
5.4.1　模型工具5-14
5.5　EDA夥伴計劃5-15
5.6　模型工具5-15
5.7　IP解決方案5-16
5.7.1　PrimeCells5-16
5.7.2　AMBA5-17
5.8　協力廠商IP開發5-18
第6章　ARM EV40實驗評估板6-1
6.0　概　述6-1
6.0.1　功能列表6-1
6.1　功能敘述6-3
6.1.1　串列埠(serial ports)6-3
6.1.2　電源開啟自我測試6-3
6.1.3　SRAM空間6-4
6.1.4　評估板上的快閃記憶體(Flash ROM)6-4
6.1.5　20針腳JTAG插座6-4
6.1.6　乙太網絡(Ethernet)界面連結器(J18)6-4
6.1.7　USB界面連結器(J1)6-5
6.1.8　PC104界面連結器(JP6、JP7)6-5
6.1.9　I/O擴充(JP1)6-5
6.1.10 　外部匯流排界面擴充連結器(JP8)6-6
6.1.11 　七段顯示器LED6-6
6.1.12 　觸控面板(Touch Panel)和繪圖式LCD連結器6-6
6.1.13 　晶片選擇信號(Chip's select signal)設定6-7
6.2　在EV40評估板上設定(Jumper)選擇6-7
6.2.1　時脈(Clock)設定(JP2)選擇6-7
6.2.2　I/O模式設定(Jumper)選擇6-8
6.2.3　蜂鳴器(Buzzer)致能設定(Jumper)選擇6-9
6.2.4　乙太網絡(Ethernet)模式設定(Jumper)選擇6-9
6.2.5　預設設定(Jumper)選擇6-9
6.2.6　位址空間分派6-10
6.3　EV40實驗評估板電路圖6-12
6.4　EBI MEM記憶卡6-21
6.4.0　概　要6-21
6.4.1　如何使用記憶體擴充卡片6-21
6.4.1　Jumper設定選擇6-22
6.4.2　EBI MEM記憶卡片連接到EV40評估板6-24
6.5　記憶體設定對應圖(Memory Map Setup)6-25
6.5.1　規劃EV40評估板上的EBI6-26
6.5.2　MCU晶片選擇6-26
6.6　EBI MEM記憶卡電路圖6-27
第7章　初始設定7-1
7.1　關於編寫啟動程式7-2
7.2　介紹ARM重置時安排的考慮7-14
7.2.1　重置來源(Reset Sources)7-15
7.2.2　輸入/輸出的考量
(Input/Output Considerations)7-16
7.2.3　系統重置(System Reset)7-16
7.2.4　三態模式(Tri-state Mode)7-16
7.2.5　開機程序(Boot Sequence)7-17
7.2.6　記憶體重新配置命令(Remap Command)7-18
7.2.7　外部匯流排界面(External Bus Interface)7-19
7.2.8　電力儲存(Power-saving)(也稱：省電模式)
(僅在AT91x40族系才有)7-20
7.2.9 　先進的中斷控制器
　 　 (Advanced Interrupt Controller)7-21
7.2.10 　週邊輸入/輸出控制器
　 　 (Peripheral Input/Output Controller)7-23
7.2.11 　看門狗計時器(Watchdog Timer)7-25
7.2.12 　特殊功能(Special Function)7-25
7.2.13 　萬用同步/非同步的接收器/發射器
　 (Universal Synchronous/Asynchronous
　 Receiver/Transmitter)7-26
7.2.14 　計時器/計數器(Timer/Counter)7-27
7.3　撰寫AT91 C語言之起動階段組合語言程式碼
　的程序7-29
7.3.0　引　言7-29
7.3.1　C語言初始化程序(C Startup Sequence)7-29
7.3.2　C語言程式啟動範例(C Startup Example)7-32
7.3.3　為初始化的程式碼中的範圍和進入點的定義7-33
7.3.4　設定例外事件向量(Setup Exception Vectors)7-33
7.3.5　外部匯流排界面初始化表格7-36
7.3.6　重置管理者(Reset Handler)7-37
7.3.7　快速啟動的程序
(Speed Up the Boot Sequence)7-37
7.3.8　低階初始化(Low Level Initialization)7-38
7.3.9　先進中斷控制器(Advanced Interrupt
Controller)的規劃7-39
7.3.10 　複製例外事件中斷向量到內部RAM
　 　(Copy Exception Vectors in Internal RAM)7-41
7.3.11 　記憶體控制器初始化和重新配置(remap)命
　 　令(Memory Controller Initialization and
　 Remap Command)7-44
7.3.12 　堆疊暫存器初始化堆
(Initialize Stack Registers)7-46
7.3.13 　改變處理機模式和致能中斷(Change Processor
　Mode and Enable Interrupts)7-49
7.3.14 　初始化軟體變數和跳躍(分支)到Main函式
　(Initialize Software Variable and Branch
　　to Main Function)7-49
7.4　重置(Reset)建議電路7-51
7.4.1　建議電路17-51
7.4.2　建議電路27-52
附錄A　Hitool在EV-7T Board編寫Gun C程式A-1
附錄A.0A-1
附錄A.1　安裝Hitool for ARMA-3
附錄A.2　進入Hitool for ARM之前需要設定A-6
附錄A.3　第一次下載Hitool for ARM程式A-7
附錄A.4　Hitool for ARM程式建立全新專案A-11
附錄A.5　建立C程式GNU C Compiler設定A-20
附錄A.6　Hitool for ARM除錯操作A-39
附錄A.7　Evaluator 7TA-69
附錄A.8　Evaluator 7T之7段顯示器GNU C程式A-73
附錄A.9　建立GNU C＋Evaluator 7T專案A-82
附錄B　Green Hill V3.5 (Multi-2000)之安裝使用B-1
附錄B.1　本附錄說明B-1
附錄B.2　Part 1：安裝Green Hills之" Multi-2000 "B-2
附錄B.3　MAJIC安裝設定使用B-12
附錄B.4　JEENI安裝使用B-27
附錄B.5　Macraigor OCD安裝使用B-36
附錄C　ADS v1.2 + ICE安裝使用C-1
附錄C.1　安裝ARM Developer Suite Version 1.2
(ADS v1.2)C-2
附錄C.2　Part 2：ADS v1.2註冊C-5
附錄C.3　Part 3：下載一個Atmel 91EB40 Board
　之範例程式C-7
附錄C.4　MAJIC安裝設定使用C-10
附錄C.5　JEENI安裝使用C-24

第1章　SoC的時代1-1
1.1　SoC時代的簡介1-1
1.1.1　系統晶片(SoC)關鍵技術-IP矽智產1-3
1.1.2　SoC好處1-5
1.1.3　SoC的技術挑戰1-5
1.1.4　系統晶片圖示1-6
1.1.5　全球SoC IP市場佔有圖表1-7
1.2　ARM Core沿革介紹1-7
1.2.1　ARM歷史沿革1-8
1.3　ARM處理器系列核心架構1-10
1.3.1　ARM7系列核心1-14
1.3.2　ARM91-16
1.3.3　StrongARM處理器及XScale微處理器1-18
1.3.4　ARM10 Thumb系列1-20
1.3.5　SecurCore系列1-20
1.3.6　Jazelle技術功能核心1-21
1.3.7　架構延伸方案1-22
1.4　ARM應用系統1-23
1.4.1　汽車電...