微处理器体系结构

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1、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主讲教师:主讲教师: 罗子波罗子波  副教授副教授2本节提要1 13 32 24 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33.1.1 嵌入式处理器简介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I96

2、0,Motorola公司的Coldfire,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)。 4嵌入式处理器评价指标(1)功耗。一般的嵌入式微处理器都有三种运行模式:运行模式( operational);待机模式(standby or power down);停机 模式(and clock-off)。功耗的评测指标是MIPS/W;代码存储密度。传统的CISC

3、指令集计算机具有较好的代码存储密 度。而RISC指令集计算机由于要求指令编码长度固定,虽然可以 简化和加速指令译码过程,但为了实现与CISC指令集计算机相同 的作业,往往需要更多的指令来完成,从而增加了代码长度。如 Hitachi的SuperH体系结构采用了定长的16位指令,对每条指令 按16位的格式存储。ARM则采用16位扩展的Thumb指令集,片 内的逻辑译码器将其等价为32位的ARM指令而实时解码。而 MIPS则采用MIPS16方法来解决这个问题。(影响代码密度的另 外一个主要因素是所采用的C编译器。ANSI C是当前嵌入式领域 的标准编程语言,随着嵌入式微处理器性能的提高,面向对象的

4、语言也将被采用并会逐渐成为主流,一些编译器供应商已经开始 着手解决代码密度问题。)5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

5、器和DSP集成在一个芯片上,如TI 的 OMAP。63.1.2 ARM微处理器概述ARMAdvanced RISC MachinesARM32位RISC结构IP核提供商7ARM 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8ARM微处理器的应用领域工业控制领域无线通讯领域网络

6、应用消费电子产品成像和安全产品9ARM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 10ARM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“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。

7、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 敦证券交易所和NASDAQ上市。ARM的发展历程-111ARM7TDMI 是ARM公司最成功的微处理器IP之一,至今在蜂窝电 话领域

8、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场。目前,Motorola、IBM、TI、Philips 、VLSI、Atmel和Samsung等几十家大的半

9、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-212ARM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

10、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。13ARM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。14ARM的发展历程-21991 - ARM 推出第一款RISC嵌入式微处理器核 ARM619

11、93 - 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15ARM的发展历程-316ARM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。

12、ARM处理器的特点17ARM授权费IPARM 创造和 设计IPPartner产品,例如:芯片Partner把ARM IP  和其他 IP 集成进 产品OEM  Customer版权费单价OEM 用来自 ARM Partner的 芯片设计制造最 终用户产品业务拓展 / 市场格局ARM的业务模型18ARM 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, etc19ARM处理器的使用量ARM 20032

13、0ARM体系结构版本 - 1Version 1 (obsolete)基本数据处理字节,字以及多字 load/store软件中断26 bit 地址总线Version 2 (obsolete)Multiply  ARM966E-S:针对要求高性能和 低功耗的可预测的指令执行时间 的硬实时应 用设计  ARM968E-S:最小、功耗最小的ARM9E系列处理器,针对嵌入式 实时应 用设计;ARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处 理器解决方案;  ARM Jazelle 技术提供 8倍的 Java 加速性能  (ARM926EJ-S) ; 5-级整数流水

14、线;  在0.13m工艺下最高性能可达到300MIPS( Dhrystone 2.1测试标 准); 可选择的 向量浮点单元VFP9 协处理器指令 优秀浮点性能,对于3D图形加速和实时控制可 达到 215MFLOPS。 高性能的AHB总线,带MMU 可在0.18m, 0.15m, 0.13m工艺的硅芯片上 实现。  ARM10EARM1020E:带DSP指令集,在片 调试功能,独立的32KB数据和指 令Cache,MMU支持; ARM1022E:与ARM1020E相同, 只是独立的数据和指令Cache变为 16KB; ARM1026EJ-S:同时具有MPU和 MMU,可综合版

15、本; 带分支预测的6级整数流水线; 在0.13m工艺下最高性能可达到430MIPS( Dhrystone 2.1测试标 准); 对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理 器,浮点运算性能最高可达650MFLOPS; 双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接 口; 优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储 器的性能; 可在0.18m, 0.15m, 0.13m工艺的硅芯片上 实现51ARM处理器结构综述(三)ARM 11ARM11 MPCore:可 综合的多处理器核,1 至4个处理器可配置; ARM1136J(F)-S:可配 置的数据和指令Cache ,可提供1.9位的 MPEG4编码加速功

16、能 ; ARM1156T2(F)-S:带 集成浮点协处理器, 带内存保护单元MPU  ; ARM1176JZ(F)-S:带 针对CPU和系统安全 架构扩展的TrustZone 技术。增强的Thumb、Jazelle、DSP 扩展支持;  带片上和系统安全TrustZone  技术支持 ; 在0.13m工艺下最高可达到 550MHz; MPCore在0.13m工艺下最高 性能可达到740MIPS( Dhrystone 2.1测试标 准); 支持多媒体指令SIMD; 采用三种电源模式:全速/待 命/休眠 集成DMA的TCM 低功耗、高性能。 Secur CoreSC100:第一个32位安 全处理器;、SC110: 在SC100上增加密钥 协处理器; SC200:带Jazelle技术 的高级安全处理器; SC210:在SC200上增 加密钥协处 理器SecurCore是专门为 智能卡、 安全IC提供的32位安全处理器 , 为电子商务、银行、网络、 移动多媒体、公共交通提供安 全解决方案

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