arm硬件结构概要

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1、任课教师：栗华,课号：0123305810-100,sdlh,嵌入式系统原理及应用教程,第二章 ARM技术及ARM处理器简介,本章将对ARM技术进行全面论述，通过本章的学习，使大家对ARM技术有个全面的了解和掌握，建立起以ARM技术为基础的嵌入式系统应用和以ARM核为基础的嵌入式SoC芯片设计的技术基础。,本章重点,1、计算机的两种体系架构是什么？各自有什么特点？ARM7和ARM9各自采用了什么架构？,2、计算机的两种指令架构是什么？ARM采用了哪种指令架构？为什么要采用这种指令架构？,3、ARM体系结构有哪些版本？ARM处理器核有哪些系列？,4、ARM有哪些工作状态？如何进行状态切换？,本章

2、重点,5、ARM有哪7种工作模式？各自的用途是什么？其中哪些是特权模式？哪些是异常模式？,6、ARM的三级流水和五级流水各有什么样的结构？ARM9为什么比ARM7具有更高的程序执行效率？,本章的主要内容为：,2.1 ARM体系结构的发展历史和技术特征,2.3 Thumb技术介绍,2.2 ARM体系结构不同版本的发展概述,2.4 ARM处理器工作状态,2.5 ARM处理器工作模式,2.6 ARM寄存器组成,2.7 ARM异常中断,本章的主要内容为：,2.8 ARM组织结构简介,2.9 ARM存储器接口及存储器层次,2.10 ARM协处理器,2.11 ARM片上总线AMBA,2.12 ARM的IO

3、结构,2.13 基于ARM核的芯片选择,2.1 ARM体系结构的发展历史和技术特征,ARM发展的历程 两种体系结构的技术特征 ARM体系结构的技术特征,1、ARM发展的历程,1983.101985.4,80年代后期,1990,1990.11,90年代至今,第一片ARM处理器诞生,ARM处理器已发展为可以支持Acorn公司的台式计算机产品,成立ARM Limited公司,Acorn Computers推出了世界上首个商用的单芯片RISC处理器ARM处理器。VLSI Technology公司制造了由Acorn Computers公司设计的第一个ARM芯片。,逐步发展成为世界上销量最大的32位微处理

4、器,1、ARM发展的历程,在ARM的发展历程中，ARM7将ARM体系结构扩展到32位。因此，从ARM7开始，ARM核被普遍认可和广泛使用。3级流水。40M主频。 1995年 StrongARM 问世 。5级流水，200M主频。 1997年，XScale是Intel公司生产的 第二代StrongARM芯片。7级流水，600M主频。 1997年，ARM9（ARM9TDMI,ARM9E,出现，5级流水，200M主频。 ARM10TDMI是ARM处理器核中的高端产品 ARM11是ARM家族中性能最强的一个系列,2、计算机的两种体系结构,冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,

5、控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,冯诺依曼体系的特点,1）数据与指令都存储在存储器中,程序执行效率不高 2）被大多数计算机所采用,简单 3）ARM7冯诺依曼体系,哈佛体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,哈佛体系结构的特点,1）程序存储器与数据存储器分开 2）提供了较大的数存储器带宽 3）适合于数字信号处理 4）大多数DSP都是哈佛结构 5）ARM9是哈佛结构,3、两种指令架构-

6、 CISC和RISC,ARM是最成功也是第一个商业化的RISC。也是目前使用最广的基于RISC的处理器。,（一）CISC体系结构,1980年以前，计算机设计的主要趋势是增加指令集的复杂程度，如：40年代的计算机只有7条指令，1973年的IBM370达到208种指令，1978年的VAX-11达到303条指令。 指令过于复杂，机器的设计周期会很长，资金耗费会更大，处理器的设计、验证和维护日益复杂，芯片的面积越来越大，这些表明CISC不适宜构成更高性能的计算机。 计算机大量的时间在进行数据搬移，而不是计算。,2、两种体系结构的技术特征,CISC体系结构的主要缺点：,20%与80%的问题：20%的简单

7、指令如取数、运算和转移等占用了CPU执行时间80%以上，而80%的复杂指令仅占了CPU执行时间的20%左右。 指令复杂度对处理器的VLSI实现性能的影响：在计算机体系结构的VLSI实现时，为了达到更高的实现性能，要求VLSI实现的规整性，而CISC中，指令长短不一，控制逻辑的实现非常不规整，致使执行速度的进一步提高比较困难。 软硬件协同设计问题：在CISC中，通过增加指令系统的功能，简化了目标软件的设计，增加了硬件的复杂程度，同时增加了指令的执行时间，从而整个程序执行的时间增加。因此CISC降低了编程的复杂性，并不意味着缩短程序的执行时间。这里有个软硬件协同设计问题。,（二）RISC体系结构,

8、1980年，Patterson和Ditzel提出了RISC的设计思想。 RISC的中心思想是：精简指令集的复杂度，简化指令实现的硬件设计，硬件只执行很有限的最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则由简单指令合成。 RISC思想大幅度提高了计算机的性能价格比,包括 ARM在内的商业化的RISC设计证明了这种思路的正确性。 一般来说，RISC处理器比同等的CISC处理器要快50%75%，同时，RISC处理器更容易设计和实现。,RISC体系结构的特点：,指令效率高：指令格式和长度固定，且指令类型少，指令功能简单，指令译码控制器采用硬布线逻辑，这样易于流水线的实现，进而获得高性能。大多数指令都是单周期指

9、令。 程序的优化编译效率高：由于RISC指令系统强调了对称、均匀、简单，使得程序的优化编译效率高。 分开的Load/Store结构的存取指令：也只有这两条指令访问存储器，而数据处理指令只访问寄存器。而CISC一般允许将存储器中的数据作为数据处理指令的操作数。 基于多个通用寄存器堆操作：RISC寄存器较多，并且不同的寄存器用于不同的用途。 RISC体系结构的这些特点简化了处理器的设计，在体系结构的VLSI实现时更加有利于性能的增强。,RISC技术的历史贡献：,流水线：流水线是处理器中实现指令并行操作的最简单的方式，而且可使速度大为提高。 高时钟频率和单周期执行：由于RISC指令系统强调了对称、均

10、匀、简单，使得程序的优化编译效率高。,RISC的缺点：,代码密度低：RISC比CISC代码密度低。 RISC不能执行x86代码。 给优化编译程序带来了困难。,RISC组织结构比CISC结构有着显著的优点，主要表现在体系结构及VLSI实现上：,硬连线的指令译码逻辑； RISC指令集的简单性使得指令译码可以采取规则的译码逻辑，CISC处理器使用大的微码ROM进行指令译码，硬布线控制逻辑可以加快指令执行速度，减少微程序码中的指令解释开销。,便于流水线执行； RISC指令集的简单性也使得流水线实现更加有效，CISC处理器即使有也只允许极少的连续指令间的重叠（尽管它们现在允许）。,单周期执行； CISC

11、处理器执行一条指令一般需要多个时钟周期。,2.2 ARM体系结构不同版本的发展概述,ARM体系结构的基本版本 ARM体系结构的演变 ARM体系结构的命名规则 ARM处理器系列,1、ARM体系结构基本版本,版本1，本版本包括下列指令： 该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间64MB，没有用于商业产品。 基于字节，字和多字的存储器访问操作指令（Load/Store）； 子程序调用指令BL在内的跳转指令； 完成系统调用的软件中断指令SWI。,ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。 为了清楚地表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的AR

12、M指令集体系结构版本，以版本号V1V7表示。,1、ARM体系结构基本版本,版本2 ，该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。 版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。 同样为26位寻址空间，寻址空间仍为：64MB。现在已经废弃不再使用。 V2版架构与版本V1相比，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;,1、ARM体系结构的基本版本,版本3较以前的版本发生了大的变化 地址空间扩展到了32位

13、(4GB)，但除了版本3G外的其他版本是向前兼容的，也支持26位的地址空间； 分开的当前程序状态寄存器CPSR（Current Program Status Register）和备份的程序状态寄存器SPSR（Saved Program Status Register），SPSR用于在程序异常中断时保存被中断的程序状态； 增加了三种异常模式，使操作系统代码可以方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常； 增加了MRS指令和MSR指令用于完成对CPSR和SPSR寄存器的读写。 修改了原来的从异常中返回的指令。,1、ARM体系结构的基本版本,版本4。与版本3相比，版本4增加了下列指

14、令 有符号、无符号的半字和有符号字节的load和store指令。 增加了T变种，处理器可以工作于Thumb状态，在该状态下的指令集是16位的Thumb指令集。 增加了处理器的特权模式。在该模式下，使用的是用户模式下的寄存器。 增加了T变种，处理器可工作在Thumb状态，增加了16位Thumb指令集； 完善了软件中断SWI指令的功能； 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令 V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构之一，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。,1、ARM体系结构的基本版本,版本5主要由两个变型版本5T、5TE组成 相比与版本4，版本5的指令集有了如下的变化

15、： 提高了T变种中ARM/Thumb混合使用的效率。 增加前导零记数（CLZ）指令，该指令可使整数除法和中断优先级排队操作更为有效； 带有链接和交换的转移BLX指令； BRK中断指令； 增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令； 改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率； E-增强型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作； J-支持新的JAVA，提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。,1、ARM体系结构的基本版本,V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。在降低耗电量地同时，还强化了图形处理性能。通过追加有效进行

16、多媒体处理的SIMD(Single Instruction, Multiple Data，单指令多数据 )功能，将语音及图像的处理功能提高到了原型机的4倍。 此架构在V5版基础上增加了以下功能： THUMBTM：35%代码压缩； DSP扩充：高性能定点DSP功能； JazelleTM：Java性能优化，可提高8倍； Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍,ARMv7定义了3种不同的处理器配置（processor profiles）: Profile A是面向复杂、基于虚拟内存的OS和应用的 Profile R是针对实时系统的 Profile M是针对低成本应用的优化的微控制器的。 所有ARMv7 profiles实现Thumb-2技术，Thumb-2技术比纯32位代码少使用31%的内存，降低了系统开销，同时却能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38%的性能表现。 同时还包括了NEON技术的扩展提高DSP和多媒体处理吞吐量400 ，并提供浮点支持以