《ARM微处理器体系结构幻灯片资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ARM微处理器体系结构幻灯片资料（131页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、嵌入式系统设计与实例开发 基于32位微处理器与实时操作系统 第三讲 ARM嵌入式微处理器体系结构 北京航空航天大学 机器人研究所 王田苗魏洪兴,本节提要,1,3,2,4,嵌入式微处理器概述,ARM体系结构概览,ARM编程模型,ARM 异常处理,嵌入式处理器概述,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，我们可以发现超过100家的芯片供应商和近30种指令体系结构。 在1996年以前，最成功的嵌入式微处理器是Motorola公司的68000系列。此外嵌入式微处理器市场还包括其它体系结构，如Intel公司的I960，Motorola公司的Co
2、ldfire，Sun公司的Sparc，以及嵌入式X86系列平台。 当然，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（其中ARM和MIPS都知识产权公司，把他们的微处理器IP技术授权给半导体厂商，由他们生产形态各异的微处理器芯片）。,嵌入式处理器评价指标（2）,集成度。嵌入式微处理器一般都为专用市场设计的，需要较高的集成度。但把所有的外围设备都集成到一个芯片上也不是一种好的解决方案。这是因为高集成度使芯片变得复杂，芯片引脚变密，增加了系统设计和测试的复杂性。因此，集成外围设备时必须要考虑简化系统设计，并缩短整个系统的开发周期。 多
3、媒体加速。为实现多媒体加速功能，嵌入式微处理器的设计者在传统的微处理器指令集的基础上增加JPEG和MPEG解压缩的离散余弦变换指令。还有一些半导体厂商针对智能手机和移动通讯市场的需求，将RISC微处理器和DSP集成在一个芯片上，如TI 的OMAP。,嵌入式处理器的基本结构（1）,微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。,嵌入式处理器的基本结构（2）,控制单元：主要负责取指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的寄存器：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器用于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到正
4、确的内存位置取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的指令，通过译码，产生必要的控制信号送到算术逻辑单元进行相关的数据处理工作。 算术逻辑单元：算术逻辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据，进行数学运算，如加、减、乘、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元，主要处理逻辑运算工作，如AND、OR、XOR或NOT等运算。 寄存器：用于存储暂时性的数据。主要是从存储器中所得到的数据（这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理）和算术逻辑单元中处理好的数据（再进行算术逻辑运行或存入到存储器中。,评估嵌入式系统处理器的主要指标,要先明确预期最终应用程序在待选平台上的运行情况和测试目的，然后
5、再挑选符合要求的特定测试向量。 MIPS测试基准。测试方法是计算在单位时间内各类指令的平均执行条数，单位：MIPS。 Dhrystone。Dhrystone(整数和逻辑运算性能测试)还有Whetstone(测试浮点运算性能)。Dhrystone的计量单位是MIPS(每秒处理100万条指令)而Whetstone的是MFLOPS(每秒执行100万次浮点运算)。测试基准是一个简单的C语言程序。EEMBC验证实验室研究指出，Dhrystone不适于作为嵌入式系统的测试向量。虽然它是市面上最普遍适用的测试向量，但它有许多漏洞。 EEMBC。基于每秒钟算法执行的次数和编译代码大小的统计结果 。 一次详尽的
6、分析需要仔细衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、开发工具支持以及价格,本节提要,1,3,2,4,嵌入式微处理器概述,ARM体系结构概览,ARM编程模型,ARM 异常处理,ARM简介,ARMAdvanced RISC Machines ARM32位RISC结构IP核提供商,ARM Ltd,成立于1990年11月 前身为 Acorn计算机公司 Advance RISC Machine(ARM) 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 IP(Intelligence Property) 另外也提供基于ARM架构的开发设计技术 软
7、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,ARM微处理器的应用领域,工业控制领域 无线通讯领域 网络应用 消费电子产品 成像和安全产品,ARM微处理器系列,ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 SecurCore系列 Cortex系列 Inter的StrongARM和Xscale系列,ARM公司成立于1981年，最初与英国广播公司合作为英国教育界设计小型机，当时采用的是美国的6502芯片。取得成功后，他们开始设计自己的芯片，受当时美国加洲大学伯克利分校提出的RISC思想的影响，他们设计的芯片也采用RISC体系结构，并命名为
8、“Acorn RISC Machine”。 ARM公司的第一款芯片ARM1在1985年被设计出来，次年又设计了真正实用的ARM2。ARM2具有32位数据总线和24位地址总线，带有16个寄存器。ARM2可能是当时最简化的32位微处理器，上面仅有30000个晶体管（4年前Motorola公司的68000则有68000个晶体管）。这种精简的结构使ARM2具有优异的低功耗特性，而性能则超过了同期Intel公司的286（134K个晶体管）。 1990年ARM公司另外组建了一个名为“Advanced RISC Machines”的公司，专门从事ARM系列微处理器的开发。1998年ARM公司在伦敦证券交易所
9、和NASDAQ上市。,ARM的发展历程-1,ARM7TDMI 是ARM公司最成功的微处理器IP之一，至今在蜂窝电话领域已销售了数亿个微处理器。 DEC公司获得ARM公司授权设计并生产了StrongARM系列微处理器，这款CPU的主频达到了233MHz，而功率不到1瓦。后来DEC公司StrongARM部门被Intel公司并购，Intel公司用StrongARM取代了他们境况不佳的i860和 i960体系，并在此基础上开发了新的体系结构XScale系列。 世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市
10、场。目前，Motorola、IBM、TI、Philips、VLSI、Atmel和Samsung等几十家大的半导体公司都获得了ARM公司的授权，生产形态各异的ARM芯片,ARM的发展历程-2,ARM处理器的技术优势,低能耗：当初刚刚起步的嵌入式应用对运算性能并不苛求，但对芯片的功耗却相当敏感。而相对同时期的其他解决方案， ARM架构的能效比优势非常明显。 应用方案非常灵活：由于ARM公司只是提供了一个高效精简的核心，各半导体厂商可根据自身需求进行应用设计，架构灵活简便、扩展力很强。如厂商可为多媒体信号处理加入相关的指令集，或为Java相关的应用加入高效执行单元，或增加3D图形协处理器等等。 得到
11、大量的软件支持：包括Windows CE、Symbian和Palm OS在内的手持设备三种主要操作系统系统都是基于ARM架构所设计。目前，ARM已经牢牢占领手机、PDA以及其他的掌上电子产品市场，这些领域都非常注重软件兼容和设计延续性，ARM在这些领域会继续保持优势。,ARM处理器的应用,当前主要应用于消费类电子领域； 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体系的嵌入式处理器， “掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。 ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面
12、。,ARM的发展历程-2,1991 - ARM 推出第一款RISC嵌入式微处理器核 ARM6 1993 - ARM 推出 ARM7 核 1995 ARM的 Thumb扩展指令集结构为16位系统增加了32位的性能,提供业界领先的代码密度,ARM的发展历程-3,ARM处理器的3大特点如下： 小体积、低功耗、成本低、高性能； 16位/32位双指令集； 全球众多的合作伙伴。 当前ARM体系结构的扩充包括： Thumb:16位指令集，用以改善代码密度； DSP：用于DSP应用的算术运算指令集； Jazeller：允许直接执行Java代码的扩充。 ARM处理器系列提供的解决方案包括： 在无线、消费电子和图
13、像应用方面的开放平台； 存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统； 智能卡和SIM卡的安全应用。,ARM处理器的特点,ARM,Partner,OEM Customer,ARM的业务模型,ARM 微处理器,微处理器核: ARM6, ARM7, ARM9, ARM10, ARM11 扩展: Thumb, DSP, SIMD, Jazelle etc. 其它IP核: UART, GPIO, memory controllers, etc,ARM处理器的使用量,ARM 2003,ARM体系结构版本 - 1,Version 1 (obsolete) 基本数据处理 字节,字以及多字 load/stor
14、e 软件中断 26 bit 地址总线 Version 2 (obsolete) Multiply 当运行于ARM状态时 IF=Reset or FIQ then ;当响应FIQ异常时，禁止新的FIQ异常 CPSR6=1； CPSR7=1； PC=Exception Vector Address,当异常结束时，异常处理程序必须： 1.将LR（ R14 ）中的值减去偏移量后存入PC，偏移量根据异常的类型而有所不同； 2.将SPSR的值复制回CPSR； 3.清零在入口置位的中断禁止标志。 注：恢复CPSR的动作会将T、F和I位自动恢复为异常发生前的值。,退出异常,例子: 用户模式到 FIQ模式*,r
15、14_fiq,r13_fiq,r12_fiq,r10_fiq,r11_fiq,r9_fiq,r8_fiq,用户模式 CPSR 复制到 FIQ 模式 SPSR,返回一个从用户模式计算的地址,PC值存储在FIQ模式,用户模式,FIQ 模式,进入/退出异常概述,图示进入异常过程,1. 程序在系统模式下运行用户程序，假定当前处理器状态为Thumb状态、允许IRQ中断；,2. 用户程序运行时发生IRQ中断，硬件完成以下动作：,置位I位（禁止IRQ中断） 清零T位（进入ARM状态） 设置MOD位，切换处理器模式至IRQ模式,将下一条指令的地址存入IRQ模式的LR寄存器,将CPSR寄存器内容存入IRQ模式的
16、SPSR寄存器,将跳转地址存入PC，实现跳转,BackAddr,JumpAddr,“?”表示对该位不关心,在异常处理结束后，异常处理程序完成以下动作：,图示退出异常过程,将SPSR寄存器的值复制回CPSR寄存器；,将LR寄存的值减去一个常量后复制到PC寄存器，跳转到被中断的用户程序。,BackAddr,JumpAddr,return,BackAddr-4,“?”表示对该位不关心,ARM的中断,ARM微处理器有两种中断类型：硬件中断（IRQ或FIQ）和软件中断（SWI）； 软件中断SWI用于用户模式下的程序切换到特权模式； IRQ中断用于通用中断，优先级低，中断延迟长； FIQ中断通常为要求快速响应的个别中断源保留，如DMA传输等；,中断延迟,中断延迟是指从外部中断请求信号发出到取出对应的中断服务程序（ISR）的第一条指令，期间的间隔时间； 软件可采用两种方法减小中断延迟：嵌套中断和中断优先级。,3级嵌套中断,中断优先级,中断优先级是对中断进行分级，高优先级的中断可以打断正在执行的中断服务； 这种工作
