第2章 ARM体系结构

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1、第2章 ARM体系结构2.1 ARM体系结构简介nARM（Advanced RISC Machines）公司1991年成立于英国剑桥 ，是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，主要出售芯 片设计技术的授权，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯 片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，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场。目前，全世界有几十家大的半导 体公司都使用ARM公司的授权，使得ARM技术获得了更多的第 三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产 品更容

2、易进入市场，更具有竞争力。目前，ARM微处理器几乎 已经深入到工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电子产品 、成像和安全产品各个领域n采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：n 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼 容8位/16位器件。Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC 处理器具有更好的代码密度；n 指令执行采用3级流水线/5级流水线技术；n 带有指令Cache和数据Cache，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（在ARM状态下是32位，在Thumb状态下是16

3、位 ）；n 支持大端格式和小端格式两种方法存储字数据；n 支持Byte（字节，8位）、Halfword（半字，16位）和Word（字， 32位）三种数据类型。n 支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7种处理 器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式；n 处理器芯片上都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于通过JTAG来仿 真调试ARM体系结构芯片，可以避免使用昂贵的在线仿真器。另外， 在处理器核中还可以嵌入跟踪宏单元ETM，用于监控内部总线，实时 跟踪指令和数据的执行；n 具有片上总线AMBA（Advanced Micro-controller Bus Architecture）

4、 。 nAMBA定义了3组总线：先进高性能总线AHB（Advanced High performance Bus）；先进系统总线ASB（Advanced System Bus）；先进外围总线APB（Advanced Peripheral Bus）。通过 AMBA可以方便地扩充各种处理器及I/O，可以把DSP、其他处 理器和I/O（如UART、定时器和接口等）都集成在一块芯片中 ；n 采用存储器映像I/O的方式，即把I/O端口地址作为特殊的存 储器地址；n 具有协处理器接口。ARM允许接16个协处理器，如CP15用 于系统控制，CP14用于调试控制器；n 采用了降低电源电压，可工作在3.0V以下

5、；减少门的翻转次 数，当某个功能电路不需要时禁止门翻转；减少门的数目，即 降低芯片的集成度；降低时钟频率等一些措施降低功耗；n 体积小、低成本、高性能。nARM微处理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、 SecurCore、以及Intel的StrongARM、XScale和其它厂商基于 ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列 的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。 n一个典型的ARM体系结构方框图如图2.1.1所示，包含有32位 ALU、31个32位通用寄存器及6位状态寄存器、328位乘法器 3232位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指

6、令流水线 和数据地址寄存器等。图2.1.1 ARM体系结构方框图n1ALUnARM体系结构的ALU与常用的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。n2桶形移位寄存器nARM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 （Crossbar）与所有的输出端相连。交叉开关采用NMOS晶体 管来实现。n3高速乘法器nAR

7、M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。ARM的高速乘法器采用 328位的结构，完成322位乘法也只需5个时钟周期。n4浮点部件n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。n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 用流水线结构。n5控制器nARM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、

8、乘法器、协 处理器以及地址、寄存器ALU和移位器。n6寄存器nARM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。2.2 ARM微处理器结构n2.2.1 ARM7微处理器 nARM7系列微处理器包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、 ARM720T、ARM7EJ几种类型。其中，ARM7TMDI是目前使用 最广泛的32位嵌入式RISC处理器，主频最高可达130MIPS，采 用能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构，内嵌硬件乘法器 （Multiplier），支持16为压缩指令集Thumb，嵌入式ICE，支 持片上Debug，支持片上断点和调试点。指令系统与ARM9系

9、列 、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，支持Windows CE、Linux 、Palm OS等操作系统。典型产品如Samsung公司的S3C4510B 。n1ARM7TDMI处理器内核nARM7TDMI处理器的内核如图2.2.1所示。图2.2.1 ARM7TDMI内核结构 nARM7TDMI还提供了存储器接口、MMU接口、协处理器接口和 调试接口，以及时钟与总线等控制信号，如图2.2.2所示。n存储器接口包括了32位地址A31:0、双向32位数据总线 D31:0、单向32位数据总线DIN31:0与DOUT31:0、以及存 储器访问请求MREQ、地址顺序SEQ、存储器访问控制MAS1:0

10、和数据锁存控制BL3:0等控制信号。nARM7TDMI处理器内核也可以ARM7TDMI-S软核（Softcore）形 式向用户提供。同时，提供多种组合选择，例如可以省去嵌入 式ICE单元等。图2.2.2 ARM7TDMI的接口n2ARM720T/ARM740T处理器内核nARM720T处理器内核是在ARM7TDMI处理器内核基础上，增加 8KB的数据与指令Cache，支持段式和页式存储的MMU（ Memory Management Unit）、写缓冲器及AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）接口而构成，如图2.2.3所示 。nARM740

11、T处理器内核与ARM720T处理器内核相比，结构基本相 同，ARM740T处理器核没有存储器管理单元MMU，不支持虚拟 存储器寻址，而是用存储器保护单元来提供基本保护和Cache 的控制。合适低价格低功耗的嵌入式应用。图2.2.3 ARM720T内核结构 n2.2.2 ARM9微处理器 nARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T几种 类型，可以在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。采用 5级整数流水线，指令执行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛 结构。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处 理能力。 支持32位ARM指令集和16位Th

12、umb指令集。支持32 位的高速AMBA总线接口。全性能的MMU，支持Windows CE、 Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操 作系统。nARM920T处理器核在ARM9TDMI处理器内核基础上，增加了分 离式的指令Cache和数据Cache，并带有相应的存储器管理单元 I-MMU和D-MMU、写缓冲器及AMBA接口等，如图2.2.4所示。图2.2.4 ARM920T内核结构nARM940T处理器核采用了ARM9TDMI处理器内核， 是ARM920T处理器核的简化版本，没有存储器管理 单元MMU，不支持虚拟存储器寻址，而是用存储器 保护单元来提供存储保护和C

13、ache控制。nARM9系列微处理器主要应用于无线通信设备、仪器 仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相 机和数字摄像机等。典型产品如Samsung公司的 S3C2410A。n2.2.3 ARM9E微处理器 nARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和 ARM966E-S几种类型，使用单一的处理器内核提供了微控制器 、DSP、Java应用系统的解决方案。ARM9E系列微处理器提供 了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微 控制器的应用场合。nARM9E系列微处理器支持DSP指令集，适合于需要高速数字信 号处理的场合。ARM9E系列微处理器采用5

14、级整数流水线，支 持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速 AMBA总线接口，支持VFP9浮点处理协处理器，MMU支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统， MPU支持实时操作系统，支持数据Cache和指令Cache，主频最 高可达300MIPS。nARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品 、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 n2.2.4 ARM10E微处理器 nARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和 ARM1026EJ-S几种类型，由于采用了新的体系结构，与同等的 ARM9器件

15、相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50 。同时采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 nARM10E系列微处理器支持DSP指令集，适合于需要高速数字信 号处理的场合。 采用6级整数流水线，支持32位ARM指令集和 16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA总线接口，支持 VFP10浮点处理协处理器，MMU支持Windows CE、Linux、 Palm OS等多种主流嵌入式操作系统，支持数据Cache和指令 Cache，内嵌并行读/写操作部件，主频最高可达400MIPS。 nARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费 品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。

16、n2.2.5 SecurCore微处理器 nSecurCore系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210几种类型，提供 了完善的32位RISC技术的安全解决方案。nSecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点 外，在系统安全方面： 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。 nSecurCore系列微处理器主要应用于如电子商务、电子政务、 电子银行业务、网络和认证系统等一些对安全性要求较高的应 用产品及应用系统。n2.2.6 StrongARM微处理器 nIntel StrongARM处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位 RISC微处理器，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用 具有Intel技术优点的体系结构。典型产品如