嵌入式系统应用与开发之arm架构培训课件.ppt

第二章 ARM体系结构,ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商,它为ARM架构处理器提供了ARM处理器内核(如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等)和ARM处理器核(ARM710T/720T/740T、ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E及ARM1020E等)2.1 ARM架构的发展,ARM公司(Advanced RISC Machines Limited)正式成立于1990年目前,ARM架构处理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域占据领先地位，已占有75%左右的市场 ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义5种不同的版本：,,1. V1版架构 该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能： ·基本的数据处理指令(无乘法) ·字节、半字和字的LOAD/STORE指令 ·转移指令,包括子程序调用及链接指令 ·软件中断指令 ·寻址空间：64M字节(226),,2. V2版架构 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2与ARM3(V2a版)架构,增加了以下功能： ·乘法和乘加指令 ·支持协处理器操作指令 ·快速中断模式 ·SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令 ·寻址空间：64M字节,,3. V3版架构 V3版架构对ARM体系结构作为较大的改动,把寻址空间增至32位(4G字节),增加了当前程序状态寄存器CPSR(Current Program Status Register)和程序状态保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register)以便于异常(Exception)的处理。

增加了中止(Abort)和未定义二种处理器模式ARM6就采用该版架构指令集变化如下： ·增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器 ·增加了从异常处理返回的指令功能4. V4版架构 V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加灵活ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构指令集中增加了以下功能： ·符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令 ·增加了16位Thumb指令集 ·完善了软件中断SWI指令的功能 ·处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作 ·把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令,,5. V5版架构 这是最近推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有： ·带有链接和交换的转移BLX指令 ·计数前导零CLZ指令 ·BRK中断指令 ·增加了信号处理指令(V5TE版) ·为协处理器增加更多可选择的指令,2.2 ARM架构的特点,RISC(Reduced Instruction Set Computer) 型处理器结构 尽量减少复杂功能指令 每条指令在单机器周期内执行 每条指令都是32bit，具有多种操作功能 访问存储空间指令采用LOAD/STORE结构 采用cache来提高存/取速度 多寄存器结构,小知识：RISC体系结构,传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构越来越复杂。

在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用，占整个程序代码的80％而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然，这种结构是不太合理的表2.1 典型指令使用频度,小知识：RISC体系结构（续二）,1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）的概念，RISC并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的小知识：RISC体系结构（续三）,RISC体系结构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种 使用单周期指令，便于流水线操作执行 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率 现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一。

小知识：RISC体系结构（续四）,,2. Thumb指令集 由于RISC型处理器的指令功能相对比较弱，ARM为了弥补此不足，在新型ARM架构（V4T版以上）定义了16位的Thumb指令集Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加6%可以使程序存储器更加小 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点3.多处理器状态模式 ARM可以支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等七种处理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式这也是ARM的特色之一，可以大大提高ARM处理器的效率表2.2 ARM version4 processor modes,,4.嵌入式仿真调试 ARM架构的处理器芯片都嵌入了仿真ICE—RT逻辑，便于通过了JTAG来仿真调试ARM架构芯片另外，在处理器核中还可以嵌入跟踪宏单元ETM（Embedded Trace Macrocell），用于监控内部总线，实时跟踪指令和数据的执行5.灵活和方便的接口 ARM架构具有协处理器接口，允许接16个协处理器。

ARM处理器核还具有片上总线OCB的AMBAAMBA定义了三组总线：先进高性能总线AHB、先进系统总线ASB和先进外围总线APB通过AMBA来方便扩充各种处理器及I/O，可以把DSP、其他处理器和I/O（如VART、定时器和接口等）都集成在一块芯片中6.低电压低功耗的设计 ARM架构的设计采用了以下一些措施： 降低电源电压，可工作在3.0V以下 减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时禁止门翻转 减少门的数目，即降低芯片的集成度 降低时钟频率,2.3 ARM的分类,ARM微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器， － ARM7系列 － ARM9系列 － ARM9E系列 － ARM10E系列 － SecurCore系列 － Intel的Xscale － Intel的StrongARM,1. ARM7微处理器系列,ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用ARM7微处理器系列特点： 具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。

代码密度高并兼容16位的Thumb指令集对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动等多种多媒体和嵌入式应用 ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 其中ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核内核后缀TDMI的基本含义为： T： 支持16为压缩指令集Thumb； D： 支持片上Debug； M：内嵌硬件乘法器（Multiplier） I： 嵌入式ICE，支持片上断点和调 试点； 处理器后缀的含义 S：可综合的软核Softcore E：具有DSP的功能 J：Jazeller,允许直接执行Java字节码,2. ARM9微处理器系列,ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。

具有以下特点： 5级整数流水线，指令执行效率更高 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集 支持32位的高速AMBA总线接口 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统 MPU支持实时操作系统 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等 ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合3. ARM9E微处理器系列,ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合 ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型。

ARM9E系列微处理器的主要特点如下： 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合 5级整数流水线，指令执行效率更高 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集 支持32位的高速AMBA总线接口,支持VFP9浮点处理协处理器 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统 MPU支持实时操作系统 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力 主频最高可达300MIPS4. ARM10E微处理器系列,ARM10E系列具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50％，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低 ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型ARM10E系列微处理器的主要特点如下： 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合 6级整数流水线，指令执行效率更高 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

支持32位的高速AMBA总线接口 支持VFP10浮点处理协处理器 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力 主频最高可达400MIPS 内嵌并行读/写操作部件2.4 ARM架构,ARM架构由32位ALU、31个32位通用寄存器及6位状态寄存器、32×8位乘法器、32×32位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成图2.1 ARM架构图,1. ALU算术逻辑运算单元,ALU是处理器核心的中心处理部分，实现对数据进行运算处理由二个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及零检测逻辑构成图2.2 ALU逻辑框图,2. Barrel shifter 桶形移位寄存器,为了减少移位的延迟时间，ARM采用了32×32位的桶形移位寄存器这样，可以使左移/右移n位、环移n位和算术右移。