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1、中国矿业大学信息与电气工程学院,第2章 ARM微处理器硬件结构,中国矿业大学信息与电气工程学院,嵌入式处理器体系结构,按体系结构的不同可分为五大类 ARM POWER PC MIPS X86 SH系列,中国矿业大学信息与电气工程学院,第2章 ARM微处理器硬件结构,2.0 什么是ARM 2.0 CISC和RISC技术 2.1 计算机体系结构分类 冯诺依曼结构 哈佛结构 2.2 ARM的版本及系列 2.3 ARM处理器结构 2.4 存储系统机制 2.5 嵌入式系统的开发,中国矿业大学信息与电气工程学院,掌握冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构两种计算机体系结构及其区别。 了解RISC技术。 了解ARM
2、定义、版本及处理器版本。 了解ARM处理器结构。 了解存储系统机制。,本章要求：,第2章 ARM微处理器硬件结构,中国矿业大学信息与电气工程学院,中国矿业大学信息与电气工程学院,2.0 什么是ARM,ARM是Advanced RISC Machine的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计大量高性能、廉价、耗能低的RISC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，不生产芯片。 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、软体和OEM厂商，并提供服务。,2.0 什么是ARM,有多个版本，除了一些Unix图形工作站之外，大多数
3、ARM核心的处理器都是用在嵌入式领域。,ARM既可以认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。,中国矿业大学信息与电气工程学院,中国矿业大学信息与电气工程学院,ARM Partnership Model,中国矿业大学信息与电气工程学院,CISC：复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。,RISC：精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer） 在通道中只包含最有用的
4、指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单,2.0 CISC和RISC技术,RISC体系结构特点：,指令集中的大多数指令只需要执行简单和基本的功能； 减少存储器访问指令； 芯片逻辑采用硬布线逻辑； 减少指令数和寻址方式 指令译码简化。,典型的高性能RISC处理器,MIPS公司的SGI:MIPS(1986) SUN公司的SPARC(1987) HP公司的PA-RISC, IBM, Motorola公司的PowerPC DEC、Compac公司的Alpha AXP IBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机,中国矿业大学信息与电气工程学院,
5、CISC与RISC的对比,中国矿业大学信息与电气工程学院,中国矿业大学信息与电气工程学院,冯诺依曼体系结构,2.1 计算机体系结构分类,哈佛体系结构,中国矿业大学信息与电气工程学院,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,2.1 计算机体系结构分类,1）取指令（Instruction Fetch)：TF 2）指令译码（Instruction Decode）：TD 3）执行指令（Instruction Execute）：TE 4）存储（Storage）：TS,冯诺依曼体系结构指
6、令的执行周期T,2.1 计算机体系结构分类,每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS,中国矿业大学信息与电气工程学院,1）数据与指令都存储在存储器中 2）被大多数计算机所采用,冯诺依曼体系结构的特点,2.1 计算机体系结构分类,ARM7冯诺依曼体系结构,中国矿业大学信息与电气工程学院,中国矿业大学信息与电气工程学院,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,哈佛体系结构,2.1 计算机体系结构分类,1）程序存储器与数据存储器分开 2）提供了较大的存储器带宽 3）适合于数字信号处理
7、 4）大多数DSP都是哈佛结构,ARM9哈佛体系结构,哈佛体系结构的特点,2.1 计算机体系结构分类,中国矿业大学信息与电气工程学院,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。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本,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6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V6表示。,中国矿业大学信息与电气工程学院,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
8、及链接指令； 供操作系统使用的软件中断指令SWI； 寻址空间：64MB。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本I,中国矿业大学信息与电气工程学院,该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a架构）。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。 版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。同样为26位寻址空间，现已废弃不再使用。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本II,中国矿业大学信息与电气工程学院,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/S
9、WPB的最基本存储器与寄存器交换指令； 寻址空间：64MB,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本II,中国矿业大学信息与电气工程学院,ARM作为独立的公司，在1990年设计的第一个微处理器采用的版本3的ARM6。它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。 变种版本有3G和3M。版本3G是不与版本2a向前兼容的版本3，版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部64位结果。 V3架构对ARM体系结构做了较大的改动。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本III,中国矿业大学信息与电气工程学院,寻址空间增至32位（4GB） 当前程
10、序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（Current Program Status Register）； 增加程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）； 增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常； 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。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本III,中国矿业大学信息与电气工程学院,V4版架构在V3版上做了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7
11、、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。 V4不再强制要求与26位地址空间兼容，而且明确了哪些指令会引起未定义指令异常。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本IV,中国矿业大学信息与电气工程学院,符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令； 增加了T变种，处理器可工作在Thumb状态，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。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本IV,中国矿业大学信息与电气工程学院,ARM和Thumb指令,简介,ARM处理器是基
12、于精简指令集计算机(RISC)原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单。,ARM体系结构在V4版中增加了16位Thumb指令集。 ARM指令集效率高，但是代码密度低; Thumb指令集具有较高的代码密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，它是ARM指令集的子集。,ARM7TDMI(-S)指令系统,ARM指令集与Thumb指令集的关系,Thumb指令集具有灵活、小巧的特点,ARM指令集支持ARM核所有的特性，具有高效、快速的特点,ARM和Thumb状态切换,所有的ARM指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有一条指令具备条件执行功能。 ARM程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状
13、态切换开销几乎为零。,进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态态位为1 进入ARM状态：当操作数寄存器的状态态位为0,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。 新增命令包括： 带链接和交换的转移BLX指令； 计数前导零CLZ指令； BRK中断指令；,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本V,中国矿业大学信息与电气工程学院,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位乘法操作； J支持新的JAVA，提供字节代码执行的硬件和
14、优化软件加速功能。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本V,中国矿业大学信息与电气工程学院,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。在降低耗电量的同时，还强化了图形处理性能。 通过追加有效进行多媒体处理的SIMD（Single Instruction，Multiple Data，单指令多数据）功能，将语音及图像的处理功能提高到原型机的4倍。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本VI,中国矿业大学信息与电气工程学院,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； Jazelle
15、TM：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。,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本VI,中国矿业大学信息与电气工程学院,2.2 ARM的版本及系列,ARM体系结构版本,中国矿业大学信息与电气工程学院,ARM I ARM II ARM III ARM IV ARM V ARM VI,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。 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列。 每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。,2.2 ARM的版本及系列,ARM处理器系列,中国矿业大学信息与电气
16、工程学院,ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 SecurCore系列 Intel Xscale系列 Intel StrongARM系列,2.2 ARM的版本及系列,ARM处理器系列,中国矿业大学信息与电气工程学院,低功耗的32bitRISC处理器，冯诺依曼体系结构。极低的功耗，适合便携式产品。 具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便。 能提供0.9MIPS的三级流水线结构； 代码密度高，兼容16位的Thumb指令集； 广泛支持操作系统，包括Windows CE、Linux、Palm OS、VxWorks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。,2.2 ARM的版本及系列,ARM处理器ARM7系列,主要应用于：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。,中国矿业大学信息与电气工程学院,包括六种类型：ARM7TDMI、AR
