arm体系结构与内核

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1、第02章 ARM技术与ARM体系结构,1.ARM体系结构版本 2.ARM内核 3.ARM流水线技术,1. ARM体系结构版本,计算机体系结构分类 ARM版本及系列,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

2、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

3、机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。 “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7种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V7表示。,ARM体系结构的基本版本,ARM体系结构的基本版本命名

4、规则,ARMxyzTDMIEJF-S 大括号内的字母是可选的，各个字母的含义如下： x 号，例如ARM7中的“7”、ARM9中的“9”； y 内部存储管理/保护单元，例如ARM72中的“2”、ARM94中的“4”； z 内含有高速缓存Cache； T 技持16位的Thumb指令集； D 支持JTAG片上调试； M 支持用于长乘法操作（64位结果）的ARM指令，包含快速乘法器； I 带有嵌入式追踪宏单元ETM（Embedded Trace Macro），用来设置断点和观察点的调试硬件；,E 增强型DSP指令（基于TDMI）； J 含有Java加速器Jazelle，与Java虚拟机相比，Java加

5、速器Jazelle使Java代码运行速度提高了8倍，功耗降低到原来的80%； F 向量浮点单元； S可综合版本，意味着处理器内核是以源代码形式提供的。这种源代码形式又可以被编译成一种易于EDA工具使用的形式。,ARM体系结构的基本版本命名规则,ARM命名规则举例,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。,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: 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

6、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

7、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

8、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）； 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

9、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。,ARMv7架构采用了 Thumb-2技术 Thumb-2技术是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。 Thumb-2技术比纯32位代码少使用 3

10、1的内存，减小了系统开销。同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38的性能。 ARMv7架构还采用了NEON技术 将DSP和媒体处理能力提高了近4倍，并支持改良的浮点运算，满足下一代3D图形、游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。 ARMv7还支持改良的运行环境 迎合不断增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptive Compilation)技术的使用。另外，ARMv7架构对于早期的ARM处理器软件也提供很好的兼容性。,ARM版本VII ： V7版架构,ARM版本VII ： V7版架构,ARM Cortex处理器系列都是基于ARMv7架构的产

11、品 ARM Cortex-A系列是针对日益增长的，运行包括Linux、Windows，CE和Symbian操作系统在内的消费娱乐和无线产品设计的； ARM Cortex-R系列针对的是需要运行实时操作系统来进行控制应用的系统，包括汽车电子、网络和影像系统； ARM Cortex-M系列则面向微控制器领域，为那些对开发费用非常敏感同时对性能要求不断增加的嵌入式应用所设计的。,常用ARM核简介,ARM处理器核简介,ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是： 注：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它

12、部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。,常用ARM核简介,ARM处理器核简介ARM7,该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。 ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。,常用ARM核简介,ARM处理器核简介ARM9,该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有告诉缓存处理器宏单元的ARM9

13、40T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。 ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒、无线设备、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。 。,常用ARM核简介,ARM处理器核简介ARM10,该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核，其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。 ARM10系列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、视频游戏机和高性能打印机等场合。,常用ARM核简介,ARM处理器核简介SecurCore,专为安全需要而设计，提供了完善的32

14、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。,常用ARM核简介,ARM处理器核简介Xscale,Xscale是ARM体系结构的一种内核，基于ARM v5TE，由Intel公司开发。相比于ARM处理器，XScale功耗更低，系统伸缩

15、性更好，同时核心频率也得到提高，达到了400Mhz甚至更高。增加MMX指令。 XScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式处理器，分通用处理器、网络处理器和I/O处理器三类。 其中通用处理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三个系列，被广泛应用于智能手机、PDA领域。,2. ARM内核,1.ARM7TDMI内核结构 2.ARM9内核结构,ARM7TDMI内核结构,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和内部框图 4.体系结构直接支持的数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器,9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储

16、器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,1简介,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内核结构,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和内部框图 4.体系结构直接支持的数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器,9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.