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1、第三章 ARM微处理器体系结构与指令集,3.1 ARM嵌入式微处理器概述 3.2 ARM微处理器体系结构 3.3 ARM处理器的指令系统 3.4 ARM处理器编程简介 3.5 ARM处理器初始化分析,3.1 ARM嵌入式微处理器概述,3.1.1 嵌入式微处理器概述,嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。目前32位嵌入式微处理器是市场的主流。 32位嵌入式微处理器市场有超过100家的芯片供应商和近30种指令体系结构。 1996年以前，最成功的是Motorola公司的68000系列。此外还包括其它体系结构，如Intel公司的I960，Motorola公司的Coldfire，Sun公司的Sparc，以及
2、嵌入式X86系列平台。 最引人注目的还是ARM公司的ARM系列、MIPS公司的MIPS系列，以及Hitachi公司的SuperH系列。,3.1.1 嵌入式微处理器概述,1嵌入式处理器评价指标,（1）功耗。,（2）代码存储密度。,（3）集成度。,（4）多媒体加速。,2评估嵌入式系统处理器的主要指标,（1）MIPS测试基准。,（2）Dhrystone。,（3）EEMBC。,1. ARM处理器的特点,（1）体积小、功耗低、成本低、性能高；,（2）16位/32位双指令集；,（3）指令长度固定（32位/16位）,（4）大量使用寄存器，指令执行速度更快,（5）寻址方式简单灵活、执行效率高,2. ARM微处
3、理器的应用领域,（1）工业控制领域,占据高端微处理器的大部分市场份额，同时也向低端微控制器应用领域扩展,（2）无线通信领域,目前已有超过85%的无线通信设备采用了ARM技术,（3）消费类电子产品,在音频播放器、机顶盒和游戏机中得到广泛应用,（4）图像处理产品,数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。,3.1.3 ARM架构版本与产品系列,1ARM微处理器目前包括下面几个系列,（1）通用系列,ARM7系列 ARM9系列、ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 Cortex系列,（2）安全系列,SecurCore系列,2ARM7 系列,3.1.3 ARM架构版本与产品系列,（1）ARM
4、7微处理器系列特点, 极低的功耗(0.28mW/MHz)，适合对功耗要求较高的应用, 具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便, 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构, 支持的操作系统：C/OS-II、Clinux等, 性能最高可达130MIPS,（2）ARM7系列微处理器的主要应用领域,2ARM7 系列, 工业控制、网络和调制解调器, 移动电话、消费电子等,（3）ARM7系列类型,ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T,TDMI的基本含义,T：支持16位压缩指令集Thumb,D：支持片上Debug,M：内嵌硬件乘法器,I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点,3ARM
5、9系列,（1）ARM9系列微处理器的特点, 5级流水线，指令执行效率更高, 提供1.1MIPS/MHz的加速能力, 全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux等, 支持数据Cache和指令Cache, 性能最高可达300MIPS,3ARM9系列,（2）ARM9 系列微处理器主要应用, 无线设备, 机顶盒, 高端打印机、数字照相机和数字摄像机, 汽车电子,（3）ARM9系列微处理器类型,ARM920T、 ARM922T,4ARM9E系列,（1）ARM9E系列微处理器的主要特点, 支持DSP指令集, 5级整数流水线，指令执行效率更高, 支持VFP9浮点处理协处理器, 全
6、性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux等, 支持数据Cache和指令Cache, 性能最高可达300MIPS,4ARM9E系列,（2）ARM9E系列微处理器的主要应用, 工业控制, 无线设备和网络设备, 数字消费品、图像处理设备、存储设备,（3）ARM9E系列微处理器类型,ARM926EJ-S；ARM046E-S；ARM966E-S、ARM968E-S；ARM996HS,5ARM10E系列,（1）ARM10E系列微处理器的主要特点, 支持DSP指令集, 6级整数流水线，指令执行效率更高, 支持VF10浮点处理协处理器, 全性能的MMU，支持Windows CE、E
7、mbedded Linux等, 支持数据Cache和指令Cache, 性能最高可达400MIPS,5ARM10E系列,（2）ARM10E系列微处理器的主要应用, 手持设备, 工业控制, 数字消费品、汽车电子, 图像处理设备,（3）ARM10E系列系列微处理器类型,ARM1020E；ARM1022E；ARM1026EJ-S,6ARM11系列,（1）ARM11系列微处理器的主要特点, 高性能,8级流水 增强的ARMv6体系结构 与同等的ARM10相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50% 时钟频率达到500750MHz, 低功耗,ARM系列微处理器采用先进的节能方式，使其功耗极低 0.6mW/
8、MHz (0.13微米，1.2V),6ARM11系列,（2）ARM11系列微处理器的主要应用, 消费电子、汽车电子 数据存储、图像处理设备 网络基础、无线设备,（3）ARM11系列微处理器类型,ARM11 MPCCore（多核处理器）；ARM1136J(F)-S；ARM1156T2(F)-S；ARM1176JZ (F)-S,7Cortex系列,（1）ARM Cortex-A Series高性能应用, 支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集 带MMU，运行Linux、Windows CE等操作系统 TI OMAP35xx、ST）,（2）ARM Cortex-R Series实时性应用, E
9、mbedded processors for real-time systems 支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集 不带MMU，运行Vxworks等实时操作系统,7Cortex系列,（3）ARM Cortex-M Series低成本应用, 只支持Thumb-2指令集, 不带MMU，不加载或者加载简单嵌入式操作系统, 典型芯片,TI-Stellaris LM3Sxxxx系列 NXP LPC1000系列 ATMEL-SAM3系列,8SecurCore系列,（1）SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计, 具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点 提供了完善的32位RISC技术的
10、安全解决方案,（2）SecurCore系列微处理器在系统安全方面的特点, 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全 采用软处理器内核技术，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,8SecurCore系列,（3）SecurCore系列微处理器的应用领域, 电子商务 电子银行 电子政务 网络和认证系统,（4）SecurCore系列微处理器类型,SecurCore SC100；SecurCore SC110； SecurCore SC200；SecurCore SC210； SecurCore SC300,3.1.4 ARM微处理器的应用选型,1ARM微处理器内核
11、结构的选择,（1）带有MMU功能的ARM内核,ARM720T、ARM92Xt、Cortex-A8,支持WinCE、嵌入式Linux、嵌入式Windows Xp等,（2）不带MMU功能的ARM内核,ARM7TDMI、Cortex-M3、Cortex-R4,支持CLinux操作系统,不支持WinCE、嵌入式Linux等操作系统,3.1.4 ARM微处理器的应用选型,2系统的工作频率,（1）ARM7系列的典型处理速度为0.9MIPS/MHz 系统主时钟频率为20MHz133MHz （2）ARM9系列的典型处理速度为1.1 MIPS/MHz 系统主时钟频率为100MHz233MHz （3）ARM10系
12、统的主时钟频率高达400MHz （4）ARM11系统的主时钟频率高达750MHz，加速度比1.5 MIPS/MHz （5）Cortex-M31.25MIPS/MHz，频率高达100MHz （6）Cortex-R41.6MIPS/MHz，频率高达400MHz （7）Cortex-A82.0MIPS/MHz，频率高达1GHz,3芯片内存储器的容量,3.1.4 ARM微处理器的应用选型,（1）大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器,（2）有部分芯片具有相对较大的片内存储空间,4片内外围电路的选择,（1）几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功
13、能模块，并集成在芯片中 （2）片内外围电路：USB接口、IIS（音频）接口、LCD控制器、键盘接口、RTC（实时时钟）、ADC和DAC、DSP协处理器等 （3）设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能,3.1.4 ARM微处理器的应用选型,3.2 ARM微处理器体系结构,3.2.1 ARM微处理器体系结构概述,ARM7采用冯诺依曼体系结构 ARM9以后版本都采用哈佛结构,ARM体系结构对数据类型支持如下： 字：字长32位。 半字：16位。 字节：8位。,3.2.1 ARM微处理器体系结构概述,word a=0 x f6 73 4b cd,大端的数据存放格式 小端的数据存放格
14、式,ARM体系结构,3.2.1 ARM微处理器体系结构概述,1ALU逻辑结构,ARM的ALU与常用ALU逻辑结构基本相同，由两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及零检测逻辑构成。ALU的最小数据通路周期包含寄存器读时间、移位器延迟、ALU延迟、寄存器写建立时间、双相时钟间非重叠时间等几部分。,2桶形移位寄存器,ARM采用了3232位桶形移位寄存器，左移右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成，可以有效的减少移位的延迟时间。在桶形移位寄存器中，所有的输入端通过交叉开关与所有的输出端相连。交叉开关采用NMOS晶体管来实现。,1ALU逻辑结构,2桶形移位寄存器,3.2.1 ARM微处理器
15、体系结构概述,3高速乘法器,ARM为了提高运算速度，采用两位乘法的方法，2位乘法可根据乘数的2位来实现“加移位”运算。,两位乘法器是指把乘数每两位分成一段，根据该段值，通过硬件实现被乘数与该段值的相乘。规则如下：,被乘数(B) 10110110 乘数 10110101,4浮点部件,3.2.1 ARM微处理器体系结构概述,在ARM体系结构中，浮点部件作为选件可根据需要选用，FPA10浮点加速器以协处理器方式与ARM相连，并通过协处理器指令的解释来执行。 浮点的Load/Store指令使用频度要达到67，故FPA10内部也采用Load/Store结构，有8个80位浮点寄存器组，指令执行也采用流水线
16、结构。,3.2.1 ARM微处理器体系结构概述,5控制器,ARM的控制器采用硬接线的可编程逻辑阵列PLA，其输入端有14根、输出端有40根，分散控制Load/Store多路、乘法器、协处理器以及地址、寄存器ALU和移位器。,6寄存器,ARM内含37个寄存器，包括31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。,3.2.2 ARM流水线,流水线（pipeline）是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器核的效率和吞吐率，从而成为微处理器设计中最为重要的技术之一。,1ARM流水线的设计,1）缩短程序执行时间,3.2.2 ARM流水线,（1）提高时钟频率fclk,（2）减少每条指令的平均时钟周期数CPI,2）流水线设计中的结构、数据和控制相关,1ARM流水线的设计,（1）流水线的结构相关, 如果某些指令在流水线中重叠执行时，产生资源冲突，则称该流水线有结构相关。, 解决结构相关的基本方法：资源充分重复设置。 特殊的，对存储器争用冲突，有如下解决方法：,如果指令和数据放在同一个存储器，
