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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2012.3,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Coldfire，Sun公司的Sparc，
2、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（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）。 代码存储密度。传统的CISC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
3、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。）,嵌入式处理器评价指标（2）,集成度。嵌入式微
4、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
5、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
6、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。,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 MachinesARM32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(I
7、ntelligence 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,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
8、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。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 Machi
9、nes”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-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
10、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的发展历程-3,1991 - ARM 推出第一款RISC嵌入式微处理器核 ARM61993 - 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-4,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
11、，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
12、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。,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
13、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。,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,Versi
14、on 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 & Multiply-accumulate 支持协处理器 支持线程同步 26 bit 地址总线,ARM体系结构版本 - 2,V3版本推出32位寻址能力,结构扩展变化为 T16位压缩指令集 M增强型乘法器,产生全64位结果(32X3264or32X32+64 64) V4版本增加了半字load和store指令 V5版本改进了ARM和Thumb之间的交互,结构扩展变化为: E-增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16位
15、乘法操作 J-支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能,ARM 体系结构更新,体系结构变化 1*,THUMB指令集 ( T) THUMB 指令集: 32位ARM指令集的子集，按16位指令重新编码代码尺寸小 ( up to 40 % compression) 简化设计,体系结构变化 - 2,长乘法指令 (M) 32x32 = 64 bit. 提供全64位结果增强DSP 指令集 (E) 可附加在ARM中的DSP指令 64 bit 转换 在 v5版本中第一次推出处理器内核的变化 D: 在片调试. 处理器可响应调试暂停请求 I: Embedded ICE. 支持片上断点调试,体系结构
16、变化 - 3,ARM DSP 指令集 对于音频DSP应用提供高达70%的处理速度Jazelle 提供比基于软件的JAVA虚拟机（JVM）更高的性能 与非JAVA加速核相比，提供8倍JAVA加速性能和降低80%的功耗 139 字节码直接在硬件上执行，88个字节码在软件上执行,ARM体系结构的发展,SA-110,ARM7TDMI,4T,1,Halfword and signed halfword / byte support System mode,Thumb instruction set,2,4,ARM9TDMI,SA-1110,ARM720T,ARM940T,Improved ARM/Thumb Interworking CLZ,5TE,Saturated maths DSP multiply-accumulate instructions,XScale,ARM1020E,ARM9E-S,ARM966E-S,3,Early ARM architectures,ARM9EJ-S,5TEJ,ARM7EJ-S,ARM926EJ-S,
