嵌入式系统(第2章-arm微处理器硬件结构)概要

《嵌入式系统(第2章-arm微处理器硬件结构)概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统(第2章-arm微处理器硬件结构)概要（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 ARM微处理器硬件结构,计算机体系结构分类 ARM版本及系列 ARM处理器结构 存储系统机制,计算机体系结构分类,两种典型的结构 ： 冯诺依曼结构 哈佛体系结构,冯诺依曼结构,冯诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。 计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。,哈佛体系结构,哈佛机：为数据和程序提供了各自独立的存储器。 程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，这样做的后果是很难在哈佛机上编写出一个自修改的程序 。 独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。 ARM 7使用冯诺依曼体

2、系结构。 ARM 9使用哈佛体系结构。,ARM公司简介,ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处理器。 1985年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。 公司的特点是只设计芯片，而不生产。它提供ARM技术知识产权（IP）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。,ARM处理器的应用,到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75以上的市场份额。 全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系

3、的嵌入式处理器。 “掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。 主要应用：消费类电子，无线、图像应用开放平台、存储、自动化、智能卡、SIM卡等。 ARM处理器的三大特点：耗电少功能强、16位/32位双指令集、众多合作伙伴。,将技术授权给其它芯片厂商,形成各具特色的ARM芯片,各ARM体系结构版本,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ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V6表示。,ARM版本： V1版架构,该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。 其基本性能有:

4、 基本的数据处理指令（无乘法）； 基于字节、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； 供操作系统使用的软件中断指令SWI； 寻址空间：64MB（226）。,ARM版本： V2版架构,该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构，版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a。同样为26位寻址空间，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; 寻址空间：64MB。,ARM版本 ： V3版架构,V3版架构（ 目前

5、已废弃 ）对ARM体系结构作了较大的改动： 寻址空间增至32位（4GB）； 当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（Current Program Status Register）; 增加了程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）； 增加了中止（Abort）和未定义2种处理器模式； 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。,ARM版本 ： V4版架构,不在为了与以前的版本兼容而支持26位体系结构，并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发生，V4版架构在V3版上作

6、了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。 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。,ARM版本 ： V5版架构,V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。 这些新增命令有： 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； 增加了数字信号处理指令（V5TE版）；

7、 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。,ARM版本 ： V6版架构,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。 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。,ARM处理器系列,ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列

8、已经是ARM11。 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列。 每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM,ARM7微处理器系列,低功耗的32位RISC处理器，冯诺依曼结构。 具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便。 3级流水线结构。 代码密度高，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

9、容，便于用户的产品升级换代。 主频最高可达130MIPS。 主要应用领域：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。,ARM7TDMI微处理器,4种类型： ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。 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。 注：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。,ARM7TDMI内部结构,组成：处理器核、用于边界扫描的TAP控制器、在线仿真器ICE。 双向数据总线D31：0被分割成单向输入和输出总

10、线，以便于与外部存储器兼容。,ARM7TDMI的模块和内核框图,ARM7TDMI功能信号图,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。 5级整数流水线， 哈佛体系结构。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 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。 主要应用：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。 3种类型：ARM920T、ARM922T和ARM940T。,ARM9E微处理器系列,单一处

11、理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案。 支持DSP指令集。 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， 主频最高可达300MIPS。 主要应用：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。 3种类型：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。,ARM10E微处理器系列,与同等的ARM9比较，在同

12、样的时钟频率下，性能提高了近50%，功耗极低。 支持DSP指令集。 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。 主频最高可达400MIPS。 内嵌并行读/写操作部件。 主要应用：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。 3种类型：ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。,SecurCore微处理器系列,专为安全需要而设计，提供了完善的32

13、位RISC技术的安全解决方案。 灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 主要应用：对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 4种类型：SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210。,Xscale处理器,基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。 支持16位的Thumb指令和DSP指令集。 已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络

14、产品等场合。 Xscale处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。,ARM系列流水线比较,ARM系列性能比较,ARM系列参数比较1,ARM系列参数比较2,ARM系列参数比较3,ARM系列参数比较4,ARM处理器结构,ARM和Thumb状态 RISC技术 流水线技术 超标量技术,ARM和Thumb状态,V4版以后有： （1）32位ARM指令集 （2）16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。 ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处理器有两种工作状态： （1）ARM状态 （2）Thumb状态。 当ARM微处理器执行32位的ARM指令集时，工作在ARM状态； 当ARM微处

15、理器执行16位的Thumb指令集时，工作在Thumb状态。,ARM与Thumb状态转换,在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。 进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为1时，执行BX指令。 进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为0时，执行BX指令。,RISC技术,ARM处理器采用加载/存储（Load/Store）体系结构是典型的RISC处理器，即只有Load/Store的存/取指令可以访问存储器，其余指令都不允许进行存储器操作。 RISC体系结构基本特点： （1）大多数指令只需要执行简单和基本的功

16、能，其执行过程在一个机器周期内完成。 （2）只保留加载/存储指令。操作数由加载/存储指令从存储器取出放寄存器内操作。 （3）芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而采用硬布线逻辑。 （4）减少指令数和寻址方式。 （5）指令格式固定，指令译码简化。 （6）优化编译。,RISC技术,ARM体系结构还采用了一些特别的技术： 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，提高了指令的执行效率。 可用Load/Store指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 RISC和CISC各有优势，界限并不那么明显。 现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超常指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一。,流水线技术,开发和设计嵌入式系统的过程中，CPU的性能是一个非常重要的考虑因素。 流水线技术是在本质上影响程序执行速度的因素。 由于计算机中一条指令的各个执行阶段相对独立，因此，现代CPU大多设计成流水线型的机器，在这种类型机器