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1、第二章嵌入式微处理器 主要内容 1ARMCPUISA的发展历史2典型ARMCPUCore体系结构3ARM编程模型本章部分内容可以参考 ARM公司 成立于1990年11月前身为Acorn计算机公司主要设计ARM系列RISC处理器内核授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴ARM公司不生产芯片另外也提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具 评估板 调试工具 应用软件 总线架构 外围设备单元 等等 ARMCPUCore概述 ARM内核是一种32 64位RISC微处理器 具有功耗低 性价比高 代码密度高等三大特色 ARM处理器具有RISC体系结构的典型特征 体积小 低功耗 低成本 高性能 支持Thu
2、mb 16位 ARM 32位 双指令集 能很好地兼容8位 16位器件 大量使用寄存器 指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成寻址方式灵活简单 执行效率高指令长度固定所有指令都可以条件执行 以增大执行吞吐量 2 1ARMCPUISA的发展历史 ARMCPU的指令集体系ISA 即ARMInstructionSetArchitecture 从最初的V1版本发展到现在 先后出现了V1 V2 V3 V4 V4T V5TE V5TEJ V6 V7 V8等主要的版本 ARMV1 V3版本的处理器未得到大量应用 ARM处理器的大量广泛应用是从其V4版本开始的V7系列CPU被称作CorTex系列到目前
3、V8是最新的版本 可以选择64或32执行状态 64执行状态针对64位处理技术 引入了一个全新指令集A64 可以存取大虚拟地址空间 DevelopmentoftheARMArchitecture ARMV4 ARMV4是目前支持的最老的架构 是基于32 bit地址空间的32 bit指令集 ARMv4除了支持ARMv3的指令外还扩展了 支持halfword的存取支持byte和halfword的符号扩展读支持Thumb指令提供Thumb和Normal状态的转换指令进一步的明确了会引起Undefined异常的指令对以前的26bits体系结构的CPU不再兼容 ARMv4T ARMv4T增加了16 bit
4、Thumb指令集 这样使得编译器能产生紧凑代码 相对于32 bit代码 内存能节省到35 以上 并保持32 bit系统的好处 Thumb在处理器中仍然要扩展为标准的32位ARM指令来运行 用户采用16位Thumb指令集最大的好处就是可以获得更高的代码密度和降低功耗 ARMV5TE 1999年推出ARMv5TE其增强了Thumb体系 增强的Thumb体系增加了一个新的指令同时改进了Thumb ARM相互作用 编译能力和混合及匹配ARM与Thumb例程 以更好地平衡代码空间和性能并在ARMISA上扩展了增强的DSP指令集 增强的DSP指令包括支持饱和算术 saturatedarithmetic 并
5、且针对AudioDSP应用提高了70 性能 E 扩展表示在通用的CPU上提供DSP能力 ARMv5TEJ 2000年推出ARMv5TEJ 增加了Jazelle扩展以支持Java加速技术 处理器指令层对JAVA加速 Jazelle技术比仅仅基于软件的JVM性能提高近8倍的性能减少了80 的功耗 ARMv6 2001年推出ARMv6 它在许多方面做了改进如内存系统 异常处理和较好地支持多处理器 SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和Audiocodec的性能提高了4倍 Thumb 2和TrustZone技术也用于ARMv6中 ARMv6第一个实现是2002年春推出的ARM1136J F ST
6、M处理器 2003年又推出了ARM1156T2 F S和ARM1176JZ F S处理器 ARMv7 ARMv7定义了3种不同的处理器配置 processorprofiles ProfileA是面向复杂 基于虚拟内存的OS和应用的ProfileR是针对实时系统的ProfileM是针对低成本应用的优化的微控制器的 所有ARMv7profiles实现Thumb 2技术 比纯32位代码少使用31 的内存 高出38 的性能 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 并提供浮点支持以满足下一代3D图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要 关于ARM架构发展可以参考 ARMv8 2
7、011年11月 ARM公司发布了新一代处理器架构ARMV8 ARM的首个64位架构 在继承了V7架构的基础上 可以选择64或32执行状态 64执行状态针对64位处理技术 引入了一个全新指令集A64 可以存取大虚拟地址空间 运用ARMv8指令集的产品 ARM12年十月发布了Cortex A53andCortex A57核心 13年苹果基于V8架构的Apple7使用在了iPhone5S上 ARM Thumb的命名规范 Classic命名 由于ARM的每个版本都有一系列的可变版本 其命名规范 Classic命名 如下 以ARMv开头ARM指令集的版本号 1 5 可变功能标识 T 表示支持Thumb指
8、令 M 表示支持乘法指令 E 增强型DSP指令 J Java加速器Jazelle SIMD ARM媒体功能扩展 但是ARMv4和其上的版本缺省都支持M功能 因此ARMv4和其上的版本的标识中可以不用标识M 如果3中描述的功能不存在 则在该功能标识符前加x ARM处理器命名 Classic命名 采用上述的架构 形成一系列的处理器 有时候还要区分处理器核和处理器系列 不过 在这里其实不用区分太细 毕竟这是功能的小部分的变化 核心是相同的 规则 ARM x y z T D M I E J F S x 处理器系列y 存储管理 保护单元z cacheT 支持Thumb指令集D 支持片上调试M 支持快速乘
9、法器I 支持EmbeddedICE 支持嵌入式跟踪调试E 支持增强型DSP指令J 支持JazelleF 具备向量浮点单元VFP S 可综合版本如ARM7TDMI ARM处理器的分类 现在常用命名 结构体系版本 Architecture ARMv4TARMv5TEARMv6ARMCortex v7 ProcessorFamilyARM7ARM9ARM10ARM11ARMCortex 按应用特征分类 定义3种不同的处理器配置 应用处理器ApplicationProcessor实时控制处理器Real timeController微控制器Micro controller 特征 MMU Cache最快频
10、率 最高性能 合理功耗 特征 MPU Cache实时响应 合理性能 较低功耗 特征 nosub memorysystem一般性能 最低成本 极低功耗 EmbeddedProcessors EmbeddedProcessors Whicharchitectureisyourprocessor 作业二 1 查找资料确定自己的手机的CPU型号 是哪个厂家生产的 CPU是ARM的哪种体系结构版本 CPU有何特别的技术 简要介绍各种技术 以及此CPU其它性能指标 10月28号晚20点之前交给学习委员 学习委员统一打包发给我 超过截止时间则没有本次作业成绩 作业文件命名规则 学号 姓名 作业X作业评分标准
11、大概是从格式排版 到内容完整度 深度等方面考核 还有要看是否是经过多个资料整理分析的 还是直接复制一段网上文字的 根据这些评分 作业二 作业二评分标准 1 型号 厂家 体系结构版本各10分 共30分2 特别的技术30分3 性能指标25分4 格式及排版10分5 作业命名规范5分其中2点 你的CPU中包含的特别的技术要有对应的解释 如Thumb NEON Jazelle ARMTrustZone 等 ARMFamily ARM7 Family ARM9 Family ARM10 Family ARM11 Family 150DMIPS 300DMIPS 500DMIPS 1000DMIPS ARM
12、Cortex Family ARMArchitecture 已广泛应用的ARM处理器 ARM7世界上最为广泛使用的CPU之一 100MHzARM9100 300MHz ARM11芯片 ARM11300 700 MHzSIMD指令扩展支持更丰富的多媒体应用40多家授权芯片公司 FOMAN902iFirstARM11basedphone OMAP2420 i MX31 i MX31L 高性能的ARM嵌入式处理器 处理器提供超过2DMIPS MHZ的性能运行于1GHz频率 90nmor65nm制造工艺 功耗小于300mW ARMCortexA8ApplicationProcessor Cortex系
13、列处理器 命名及 对比 ARMCortexA8ApplicationProcessor Cortex M3实现 1ARM芯片 ARMCortexArchitectureThumb 2ISA3StagePipeline1 22DMIPS MHz 30 overARM7TDMI33Kgates 30 smallerthanARM7TDMI LuminaryMicro的Stellaris系列MCU产品售价仅1美元 ARMCortex M3微控制器内核 专门针对MCU应用领域而设计 突出低成本 低功耗和高效率 生产ARM处理器的主要厂家 TI 德州仪器 Omap3430Cortex A8核600MHz
14、 诺基亚N96 Omap3530Cortex A8核600MHzARM DSP双核Samsung 三星 S5PC100Cortex A8核600MHz iPhone3GS和M9都应用此芯片 S5PC110 S5PV210Cortex A8核1GHZFreescale 飞思卡尔 i MX512 i MX513 i MX515Cortex A8核600MHz 1GHz 在多款上网本中得到应用 生产ARM处理器的主要厂家 Marvell 马维尔 PXA930800MHzCortex A8核ARMADA500 600 1000系列SheevaPJ4核心1GHz 1 2GHz 支持ARMv7指令集 架构
15、异同 Qualcomm 高通 QSD8650A QSD8672 Snapdragon系列 1 3G 1 5Gscorpion核心 支持ARMv7指令 架构异同 骁龙400系列 Cortex A7 MSM8928 红米NOTE4GNvidia 英伟达 TegraARM11核700MHzTegra2 下一代产品 CortexA8 或A9 核MTK 联发科MediaTek MTKMT6592八核 Cortex A71 4 2GHZ红米NOTE 主要内容 1ARMCPUISA的发展历史2典型ARMCPUCore体系结构3ARM编程模型 2 2典型ARMCPU体系结构 结构特征 ARM内核采用RISC体
16、系结构 ARM体系结构的主要特征如下 1 大量的寄存器 并可以用于多种用途 2 采用Load Store体系结构 3 每条指令都条件执行 4 采用多寄存器的Load Store指令 5 单周期指令内同时完成移位操作和ALU 6 通过协处理器指令集来扩展ARM指令集 7 体系支持Thumb指令集 2 2典型的ARMCPUCore ARM7TDMI结构 ARM7TDMI Thumb架构扩展 提供两个独立的指令集 ARM指令 均为32位Thumb指令 均为16位两种运行状态 用来选择哪个指令集被执行 内核具有Debug扩展结构 增强乘法器 32x8 支持64位结果 EmbeddedICE逻辑 3级流水线冯 诺依曼架构CPI CyclePerInstruction 约为1 9 乘法器 指令解码 地址自增器 nRESET nMREQ SEQ ABORT nIRQ nFIQ nRW MAS 1 0 LOCK nCPI CPA CPB nWAIT MCLK nOPC BIGEND ISYNC nTRANS nM 4 0 D 31 0 桶移位器 32位ALU DBE 写数据寄存器 读数据寄存器 地址寄
