嵌入式chapter31-8教学幻灯片

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1、第2章 ARM7体系结构,第2章 目录,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,第2章 目录,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

2、11.复位 12.存储器及存储器映射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,2.1 ARM简介,ARM公司简介,将技术授权给其它芯片厂商,形成各具特色的ARM芯片,2.1 ARM简介,ARM体系结构,ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典RISC的特点：,2.1 ARM简介,ARM体系结构,ARM体系结构的特点：,2.1 ARM简介,各ARM体系结构版本,ARM体系结构从最初开发到现在有了巨大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集

3、，ARM公司定义了5种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V5表示。,2.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V1,该版本的ARM体系结构，只有26位的寻址空间，没有商业化，其特点为： 基本的数据处理指令（不包括乘法）； 字节、字和半字加载/存储指令； 具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分支和链接指令； 在操作系统调用中使用的软件中断指令。,2.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V2,同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用，它相对V1版本有以下改进： 具有乘法和乘加指令； 支持协处理器； 快速中断模式中的两个以上的分组寄存器； 具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。,2.

4、1 ARM简介,各ARM体系结构版本V3,寻址范围扩展到32位（事实上也基本废弃），具有独立的程序： 具有乘法和乘加指令； 支持协处理器； 快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器； 具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。,2.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V4,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，它相对V3版本作了以下的改进： 半字加载/存储指令； 字节和半字的加载和符号扩展指令； 具有可以转换到Thumb状态的指令； 用户模式寄存器的新的特权处理器模式。,2.1 ARM简介,各ARM体系结构版本V5,在V4版本的基础上，对现在指

5、令的定义进行了必要的修正，对V4版本的体系结构进行了扩展并并增加了指令，具体如下： 改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率； 允许非T变量和T变量一样，使用相同的代码生成技术； 增加计数前导零指令和软件断点指令； 对乘法指令如何设置标志作了严格的定义。,2.1 ARM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ARM12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：,2.1 ARM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Jazell

6、e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。,2.1 ARM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ARM940T。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、安全系统和机顶盒等领域。,2.1 ARM简介,ARM处理器核简介ARM10,该系列包括ARM1020E和ARM1020

7、E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。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。,2.1 ARM简介,ARM处理器核简介SecurCore,该系列涵盖了SC100、SC110、SC200和SC210处理核。该系列处理器主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其它安全IC开发提供独特的32位系统设计，并具有特定反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。,2.1 ARM简介,ARM处理器核简介Xscale,Intel Xscale微控制器则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16

8、位Thumb指令并集成数字信号处理（DSP）指令。,第2章 目录,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,2.2 ARM7TDMI,简介,ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目前低端的ARM核。具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。,注意：“ARM核”并不是芯片，ARM核与

9、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。,2.2 ARM7TDMI,简介,ARM7TDMI支持32位寻址范围，并弥补了ARM6不能在低于5V电源电压下工作的不足。ARM7TDMI的后缀意义为：,2.2 ARM7TDMI,简介,ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机（RISC），比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多。这样的简化实现了：,高的指令吞吐量； 出色的实时中断响应； 小的、高性价比的处理器宏单元。,2.2 ARM7TDMI,三级流水线,ARM7TDMI处理器使用

10、流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。 ARM7TDMI的流水线分3级，分别为： 取指译码执行,2.2 ARM7TDMI,三级流水线,正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。这三条指令之间的位置关系如下表所示：,2.2 ARM7TDMI,存储器访问,ARM7TDMI处理器使用了冯诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。 数据可以是字节（ 8位）、半字（ 16位）或者字（32

11、位）。,2.2 ARM7TDMI,存储器访问,计算机结构说明： “冯诺依曼” 结构：把代码作为一种特殊的数据来操作，指令总线和数据总线及其存储区域是统一的； “哈佛”结构：指令总线和数据总线及其存储区是分开、独立的。,2.2 ARM7TDMI,存储器访问,ARM7TDMI处理器的存储器接口可以使潜在的性能得以实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线，这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。ARM7TDMI处理器的存储器周期有4个基本类型： 内部周期； 非连续的周期； 连续 的周期； 协处理器寄存器的传输周期。,第2章 目录,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM

12、7TDMI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,第2章 目录,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.存储器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7指令

13、简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,2.4 体系结构直接支持的数据类型,体系结构直接支持的数据类型,ARM处理器支持下列数据类型： 字节 8位 半字 16位（必须分配为占用两个字节） 字 32为（必须分配为占用4各字节）,体系结构直接支持的数据类型,注意： V4版本之后的ARM结构都支持这3种结构（包括V4版本），而以前的版本只支持字节和字； 当数据类型定义为无符号型时，N位数据值使用正常的二进制格式表示范围为02N-1的非负整数； 当数据类型定义为有符号型时，N位数据值使用2的补码格式表示范围为-2N-1+2N-1-1的整数；,2.4 体系结构直接支持的数据类

14、型,体系结构直接支持的数据类型,注意： 所有数据操作，例如ADD，都以字为单位； 装载和保存指令可以对字节、半字和字进行操作，当装载字节或半字时自动实现零扩展或符号扩展； ARM指令的长度刚好是1个字（分配为占用4个字节），Thumb指令的长度刚好是半字（占用2个字节）。,2.4 体系结构直接支持的数据类型,第3章 目录,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.存储器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7

15、指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,2.5 处理器状态,处理器状态,ARM7TDMI处理器内核使用V4T版本的ARM结构，该结构包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集。因此ARM7TDMI处理器有两种操作状态： ARM状态：32位，这种状态下执行的是字方式的ARM指令； Thumb状态：16位，这种状态下执行半字方式的Thumb指令。,注意：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。,2.5 处理器状态,处理器状态,使用BX指令将ARM7TDMI内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换（详见第4章） ，程序如下所示。,;从Arm

16、状态切换到Thumb状态 LDR R0,=Lable+1 BX R0 ;从Thumb状态切换到ARM状态 LDR R0,=Lable BX R0,地址最低位为1，表示切换到Thumb状态,地址最低位为0，表示切换到ARM状态,跳转地址标号,第2章 目录,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,2.6 处理器模式,简介,ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式，如下表所示。这样的好处是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。ARM7TDMI完全支持这七种模式。,2.6 处理器模式,处理器模式,2.6 处理器模式,特权模式,除用户模式外，其它模式均为特权模式。