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1、1,第3章 基于ARM的处理器体系结构1,主讲 丁男,章节介绍,3.1 基于ARM架构的嵌入式微处理器3.2 ARM微处理器的指令系统3.3 通用的ARM微处理器介绍,2,3,3.1 基于ARM架构的嵌入式微处理器,在多媒体技术、网络互连和开放操作系统等方面的应用，是8位机体系结构所难以逾越的障碍，也就正好成为选择32位嵌入式系统的主要理由。 所有的ARM芯片在内核上保持高度的兼容性，这样在学习和开发嵌入式系统中就可以使用通用的开发、调试工具。,4,32位体系结构的性能优势,(1)寻址空间大,(2)运算和数据处理强,(3)操作系统的支持,5,3.1.1 基于指令集体系结构的分类版本,ARM架构
2、处理器6种版本,基本的数据处理指令；字节、半字和字的Load/Store指令；转移指令，包括子程序调用及链接指令；软件中断指令；寻址空间64MB。,在V1版上进行了扩充，并增加了以下功能：乘法好乘加指令；支持协处理器操作指令；快速中断模式；SWP/SWPB的基本存储器与寄存器交换指令；寻址空间64MB。,V3架构对ARM体系结构做了较大的改动，把寻址空间增至32位，增加了当前程序状态寄存器CPSR和存储程序状态寄存器SPSR。增加了终止好未定义两种处理器。,在V3版架构上做了进一步扩充，使ARM使用更灵活。ARM7、ARM8、ARM9都采用该版本结构。增加功能有符号化和半符号化半字及符号化字节
3、的存取指令；16位的Thumb指令集；完善软件中断SWI指令的功能等。,ARM10和XScale都采用该版本架构。新增指令有：带有连接和交换的转移BLX指令；计数前导零CLZ指令；BBK中断指令；增建了数字信号处理指令。,在低功耗的同时还强化了图形处理性能，追加有效进行多媒体处理的SIMD功能。ARM11采用该架构，增加了以下功能：THUMB-35%代码压缩；DSP扩充-高性能定点DSP功能；Jazelle-Jova性能优化；支持多微处理器内核。,6,3.1.2 ARM微处理器系列产品及性能简介,1 ）系列产品分类 ARM处理器当前有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和A
4、RM11。进一步的产品来自于合作伙伴，例如Intel Xscale微体系结构和产品。 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10是4个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能、和体积的需求。 ARM11是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计。,7,2）ARM嵌入式微处理器性能简介,ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，它为ARM架构处理器提供了ARM处理器内核和ARM处理器核。 处理器内核只保持了最基本的组织架构。 处理器核是在最基本的处理器内核基础上增加了Cache、存储器管理单元MMU、协处理器C15、先进微控制器总线架构AMBA接口以及EMT宏
5、单元等部件，这样就构成了ARM处理器核。,8,基于ARM的MPU生产厂家简介,由集成电路厂商在处理器内核和处理器核基础上设计，嵌入各种外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理器MPU。,3）ARM处理器内核/处理器核的分类1,（1） ARM7T和ARM7E Family,乘法器,桶移位器,写数据 寄存器,读数据 寄存器,地址寄存器,ARM7TDMI内核,内核,地址自增器,寄存器 Bank,11,ARM7微处理器系列主要特点,ARM7微处理器系列为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。其具有如下特点：,ARM7TDMI,控制逻辑,带Cache的ARM7TDMI,A
6、RM710T8K 统一的 cache 完整的内存管理单元（MMU），支持虚拟地址和存储器保护写缓冲,ARM720T同ARM710T，但支持 WinCEARM740T8K 统一的 cache内存管理单元写缓冲,3）ARM处理器内核/处理器核的分类2,（2） ARM9 Family,ARM9TDMI,ARM940T2x 4K caches MPU写缓冲,ARM920T2x 16K caches MMU支持虚拟地址和内存保护 写缓冲,带Cache的ARM9TDMI,ARM920T体系结构框图,3）ARM处理器内核/处理器核的分类,ARM9E Family,3）ARM处理器内核/处理器核的分类3,（3
7、） ARM10E和ARM10T Family,ARM10E 系列概述,v5TE架构,CPI 1.3,6 级流水线,静态分支预测,32kB 指令cache和32kB数据cache支持“Hit under miss”非阻塞的执行单元,每周期64 位的 LDM / STM操作,EmbeddedICE逻辑 - RT-II,支持新的 VFPv1 结构,同ARM1020E，除了cache大小为16kB,对SUDL(single user design license )有效,ARM1020E,ARM1022E,3）ARM处理器内核/处理器核的分类4,（4） ARM11 Family,20,（5）XScal
8、e结构,Intel公司发展了新一代代微处理器体系结构就是XScale处理器。 XScale处理器是基于ARM v5TE体系结构所设计的，具有协处理器接口，可以直接扩展DSP处理器。 目前已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 XScale处理器是目前主要推广的一款ARM处理器。,3）ARM处理器内核/处理器核的分类5,21,（6）ARM和DSP双核微处理器,TI公司的OMAP5910处理器是一款具有DSP+RISC的双核定点数字信号运算的微处理器。 其具有高速度、低功耗，并提高了编程的灵活性，有利于对产品的软硬件升级，用于实现就有特殊功能的产品。,3）ARM处理器内核/处理器核的
9、分类6,22,（7）Power PC架构微处理器简介,Power PC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。 Power PC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。,3）ARM处理器内核/处理器核的分类7,23,（8）MIPS:简介,MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无互锁流水级的微处理器” (Microprocessor without interlocked piped stages)。其机制尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。MIPS处理
10、器是由斯坦福（Stanford）大学John Hennery教授领导的研究小组研制出来的。President of Stanford University, USAComputer architecture book use MIPS as foundation,3）ARM处理器内核/处理器核的分类8,24,（9）典型的嵌入式处理器（中国）,ARM已经与中兴、华为、东南大学、上海集成电路设计中心、中芯国际和大唐电信签订了技术授权协议。国内的微处理器系列有方舟系列。,龙芯系列是神州龙芯公司推出的兼顾通用和嵌入式微处理器特点的新一代32微处理器。采用0.18微米CMOS工艺制造，平均功耗0.4W。
11、,3）ARM处理器内核/处理器核的分类9,25,3.1.3 ARM微处理器体系结构,1）ARM微处理器结构特征 （1）ARM微处理器的工作状态 从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态有两种， 在两种状态之间切换：第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。,26,处理器工作状态,27,（2）ARM体系结构的存储器格式,28,（3）处理器运行模式,ARM微处理器：CPU模式,User模式,程序不能访问有些受保护的资源，只能通过异常的形式来改变CPU的当前运行模式,特权模式可以存取系统中的任何资源,Sys
12、tem模式,可以不受任何限制的访问任何资源该模式主要用于运行系统中的一些特权任务,FIQ模式,IRQ模式,Supervisor模式,Abort模式,Undefined模式,异常模式：主要是在外部中断或者程序执行非法操作时会触发,30,2） ARM处理器的寄存器,如ARM处理器共有37个寄存器被分为若干个组：30个通用寄存器；6个状态寄存器；1个程序计数器PC。 ARM处理器有7种不同的处理器模式，在每一种模式下都有一组相应的寄存器与之对应。 即在每一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器、1至2个状态寄存器和程序计数器。在使用的寄存器中，有些是公用的、有些是独立使用的。,31,AR
13、M微处理器：程序状态寄存器,置0表示执行32bit的ARM指令置1表示执行16bit的Thumb指令,Negative,Zero,Carry,Overflow,IRQ中断的响应:置1：禁止响应置0：允许响应,FIQ中断的响应:置1：禁止响应置0：允许响应,32,3) ARM处理器对异常的响应,（1）将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR(R14)，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。（2）将CPSR复制到相应的SPSR中,工作模式不同使用的SPSR也不同。（3）根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。（4）强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常
14、处理程序处。,33,4）异常返回后的处理操作,34,3.2 ARM微处理器的指令系统,名词解释：,35,1） ARM指令系统概述,（1）指令系统概念 指令：是规定计算机进行某种操作的命令。 指令系统：计算机能够执行的各种指令的集合。（2）ARM指令的特点所有指令都是32位的。大多数指令都在单周期内完成。所有指令都可以条件执行。ARM指令为load/store类型。基本指令仅36条，分成五类。有7种寻址方式。指令集可以通过协处理器扩展。,36,1） ARM指令系统概述,（3）ARM指令的格式 ARM指令基本的语法格式为： s , , ARM指令典型的编码格式为：（数据处理指令类）,37,1） A
15、RM指令系统概述,（4）指令的条件码 条件码的位数和位置：每条ARM指令包含4位条件码域,它占用指令编码的最高四位31：28。 条件码的表示：条件编码共 24 16 种，其中，15种用于指令的条件码。每种条件码用2个英文缩写字符表示。（见P47 表2-6） 带条件指令的执行：ARM处理器根据指令的执行条件是否满足，决定当前指令是否执行。 条件码的书写方法：条件码的位置在指令助记符的后面。,38,2）ARM 指令总体介绍,ARM体系结构支持ARM的汇编语言与C与C+的混合编程。一般的在一个完整的程序设计的中，除了初始化部分用汇编语言完成外，其大部分的编程任务一般都用C或C+完成。寻址方式：立即数寻址、寄存器寻址、寄存器移位寻址、寄存器间接寻址、基址变址寻址、相对寻址、多寄存器寻址、块拷贝寻址、堆栈寻址。,39,3）ARM指令集,40,3.2.1 ARM 指令的寻址方式,目前ARM指令集支持如下几种常见的寻址方式。1、立即寻址（立即数寻址） 例如ADD R0，R0，#1 ；R0R0+12、寄存器寻址 例如ADD R0，R1，R2 ；R0R1+R23、寄存器间接寻址 例如ADD R0，R1，R2 ；R0R1+R24、基址变址寻址 例如LDR R0，R1，#4 ；R0R1+45、多寄存器寻址 一次可以传送几个寄存器的值。允许一条指令传送16个寄存器的任何子集。,
