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1、Chapt 02 ARM微处理器体系结构,什么是处理器内核？ 处理器内核是一个设计，并不是一个芯片 内核的设计一般追求高速度、低功耗、易于集成.,嵌入式处理器内核,按照体系结构来分,嵌入式处理器内核不涉及具体的处理器芯片.嵌入式领域体系结构全部是RISC(精简指令集)指令集的处理器内核,尽管都是采用的RISC的结构,但各有各的优势. 目前世界四大流派的嵌入式处理器内核生产商： MIPS 公司的MIPS 处理器内核 ARM公司的ARM处理器内核 IBM,Apple及Motorola 联合开发的PowerPC Motorola公司的68K/COLDFIRE,MIPS核 MIPS技术公司是一家设计制
2、造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。1984年，MIPS计算机公司成立。1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司。 MIPS公司设计RISC处理器始于二十世纪八十年代初，1986年推出R2000处理器，1988年推R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处器R4000。之后又陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。 随后，MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIP
3、S64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。,ARM核 ARM 即Advanced RISC Machines的缩写,既可以认为是一个公司的名字，也可以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。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited(
4、后来简称为ARM Limited，ARM公司)。20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。 ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴,PowerPC核 二十世纪九十年代，IBM(国际商用机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是
5、可伸缩性好、方便灵活。 PowerPC 体系结构规范（PowerPC Architecture Specification）发布于 1993 年，它是一个 64 位规范 ( 也包含 32 位子集 )。几乎所有常规可用的 PowerPC（除了新型号 IBM RS/6000 和所有 IBM pSeries 高端服务器）都是 32 位的。 PowerPC 处理器有 32 个（32 位或 64 位）GPR（通用寄存器）以及诸如 PC（程序计数器，也称为 IAR指令地址寄存器或 NIP下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。有些 PowerPC CPU 还有 32 个 6
6、4 位 FPR（浮点寄存器）。,68KCOLDFIRE 68K内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核。其最著名的代表芯片是68360。Coldfire继承了68K的特点并继续兼容它。 最近，摩托罗拉已经发布了的第五版本V5的内核。 Coldfire内核被中上DSP模块、CAN总线模块以及一般嵌入式处理器所集成的外设模块，从而形成了一系列的嵌入式处理器，在工业控制、机器人研究、家电控制等领域被广泛采用。,各个内核的特点,MIPS core：高速，跨入了64位时代，多core集成； ARM core：低功耗，javabyte的支持； PowerPC core：高速与低功耗之间作了妥协，并集成极度丰富
7、的外围电路接口； 68K/COLDFIRE core：业界被最广泛应用的嵌入式处理器内核，目前还在不停更新 换代与发展。,ARM微处理器概述 ARM处理器系列 RISC体系结构 ARM和Thumb状态 寄存器 ARM指令集概述 Thumb指令集概述,ARM微处理器体系结构 数据类型 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 处理器模式 寄存器组织 异常,ARM微处理器体系结构,ARM微处理器概述,ARM简介：,ARM公司简介,将技术授权给其它芯片厂商,形成各具特色的ARM芯片,ARM处理器核简介,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了，而ARM6
8、核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：,1.1ARM处理器系列,ARM处理器核简介ARM7,该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。 ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。,1.1ARM处理器系列,ARM处理器核简介ARM9,该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有告诉缓存处理器宏单元的
9、ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。 ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。,1.1ARM处理器系列,微处器执行一个指令的过程 Step1 : 取指令(Fetch) 从内存或高速缓存器中读取指令 Step2 : 译码(Decode) 将指令翻译成更小的微指令 Step3 : 取操作数(Fetch Operands) 从内存或高速缓存器中读取指令所 需的数据 Step4 : 执行指令(Execute) Step5 : 写回(Write Back) 将执行的结果存入内存或高速缓存器或寄存器中,ARM处理器核简介ARM10,该系列包括ARM102
10、0E和ARM1020E处理器核，其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。,1.1ARM处理器系列,ARM处理器核简介SecurCore,该系列涵盖了SC100、SC110、SC200和SC210处理核。该系列处理器主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其它安全IC开发提供独特的32位系统设计，并具有特定反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。,1.1ARM处理器系列,ARM处理器核简介Xscale,Intel Xscale微控制器则提供全性能、高性价比
11、、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令并集成数字信号处理（DSP）指令。,1.1ARM处理器系列,1.3 ARM和Thumb状态,Thumb指令集的功能是32位ARM指令集的功能子集。Thumb在性能和代码大小之间提供了出色的折中。 正在执行Thumb指令集的处理器是工作在Thumb状态下。 正在执行ARM指令集的处理器是工作在ARM状态下。,1.4. 寄存器,ARM处理器有37(31+6)个物理寄存器,有18个可编程访问的寄存器。 寄存器被安排成部分重叠的组。每种处理器模式都有不同的寄存器组。 分组的寄存器在异常处理和特权操作时,可得到快速的上下文切换。,数据处理指令 加载和存储指令
12、分支指令 协处理器指令 杂项指令,ARM指令集,1.5 ARM指令集概述,ARM指令集可分为5大类指令，所有指令都可以条件执行，其中一些指令还可以根据执行结果更新CPSR寄存器的相关标志位：,Thumb指令集可分为4大类指令： 分支指令； 数据处理指令； 寄存器加载和存储指令； 异常产生指令。,Thumb指令集,1.6 Thumb指令集概述,1 ARM微处理器概述 ARM处理器系列 RISC体系结构 ARM和Thumb状态 寄存器 ARM指令集概述 Thumb指令集概述,2 ARM微处理器体系结构 数据类型 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 处理器模式 寄存器组织 异常,体
13、系结构直接支持的数据类型,ARM处理器支持下列数据类型： 字节 8位 半字 16位（必须分配为占用两个字节） 字 32位（必须分配为占用4各字节）,2.1 数据类型,1 ARM微处理器概述 ARM处理器系列 RISC体系结构 ARM和Thumb状态 寄存器 ARM指令集概述 Thumb指令集概述,2 ARM微处理器体系结构 数据类型 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 处理器模式 寄存器组织 异常,2.2 ARM微处理器的工作状态,ARM微处理器的工作状态一般有两种:,ARM状态处理器执行32位的字对齐的 ARM指令； Thumb状态处理器执行16位的、半字对齐的 Thumb
14、指令。,处理器状态切换,进入Thumb状态： 当操作数寄存器的状态位(位0)为1时，执行 BX指令进入Thumb状态。 如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常 处理返回时，自动转换到Thumb状态。,进入ARM状态。 当操作数寄存器的状态位(位0)为0时执行BX指令进入ARM状态。 当处理器进行异常处理是时，进入ARM状态从异常向量地址处开始执行。,处理器状态切换,使用BX指令将ARM7TDMI内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换，程序如下所示。,;从Arm状态切换到Thumb状态 LDR R0,=Lable+1 BX R0 ;从Thumb状态切换到ARM状态 LDR
15、R0,=Lable BX R0,地址最低位为1，表示切换到Thumb状态,地址最低位为0，表示切换到ARM状态,跳转地址标号,2.2 ARM微处理器的工作状态,第二章 目录,1 ARM微处理器概述 ARM处理器系列 RISC体系结构 ARM和Thumb状态 寄存器 ARM指令集概述 Thumb指令集概述,2 ARM微处理器体系结构 数据类型 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 处理器模式 寄存器组织 异常,ARM存储器格式,1 ARM微处理器概述 ARM处理器系列 RISC体系结构 ARM和Thumb状态 寄存器 ARM指令集概述 Thumb指令集概述,2 ARM微处理器体系
16、结构 数据类型 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 处理器模式 寄存器组织 异常,简介,ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好处是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。,2.2.4 处理器模式,状态寄存器,N, Z, C and V 条件码标志 可以在处理器中作为数学和逻辑操作改变 可以被所有的指令测试，以决定指令是否被执行 N : Negative. Z : Zero. C : Carry. V : Overflow I and F 位是中断禁止位 M0, M1, M2, M3 and M4 位是模式位,处理器模式,2.2.4 处理器模式,特权模式,除用户模式外，其它模式均为特权模
