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1、嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构第第2 2章章 ARM ARM体系结构体系结构1精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构ARMARM：Advanced RISC MachineAdvanced RISC Machine1、CISC体系结构体系结构Complex Instruction Set Computer复杂指令集计算机复杂指令集计算机 传统计算机性能的提高表达在两个方面：传统计算机性能的提高表达在两个方面：提高集成度增加芯片的晶体管数量；增提高集成度增加芯片的晶体管数量；增加指令集的复杂程度。加指令集的复杂程度。带来的问题：指令越来越多，越来越长，带来的问题：指令越来越多，越来越
2、长，从从1字节开展到近字节开展到近30字节。字节。实现复杂指令占用了大量的实现复杂指令占用了大量的芯片面积和容量。芯片面积和容量。20%与与80%的问题的问题 20%的简单指令使用率占的简单指令使用率占80%，而，而80%的的复杂指令使用率只占复杂指令使用率只占20%复杂指令影响复杂指令影响VLSI处理器的实现处理器的实现 指令长度不一致，复杂指令的存在使控制逻指令长度不一致，复杂指令的存在使控制逻辑的设计实现不规整，执行速度无法提高，辑的设计实现不规整，执行速度无法提高，实现高性能实现高性能VLSI芯片很困难。芯片很困难。软硬件设计的抵消问题软硬件设计的抵消问题 增加的指令降低软件复杂度，但
3、使用复杂增加的指令降低软件复杂度，但使用复杂指令执行时间长，程序总体执行时间未必减指令执行时间长，程序总体执行时间未必减少。少。2.1 ARM2.1 ARM体系结构简介体系结构简介2精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构2、RISC体系结构体系结构Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机精简指令集计算机)设计思想：精简指令集的复杂度，简化指令的硬件设计思想：精简指令集的复杂度，简化指令的硬件设计，硬件只执行很有限的最常用的指令，复杂设计，硬件只执行很有限的最常用的指令，复杂的操作由简单指令合成。的操作由简单指令合成。效果：效果：RISC处理器比同等
4、规模的处理器比同等规模的CISC处理器快处理器快50%75%，更易设计实现，本钱大幅度降低。，更易设计实现，本钱大幅度降低。RISC体系结构特点：体系结构特点：指令格式和长度固定，容易设计实现；代码优化指令格式和长度固定，容易设计实现；代码优化编译效率更高；指令单周期完成；便于流水线操编译效率更高；指令单周期完成；便于流水线操作；芯片面积显著减小，易于集成更多功能。作；芯片面积显著减小，易于集成更多功能。最成功的代表：最成功的代表：ARM系列处理器系列处理器3精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构3、ARMARM处理器系列处理器系列ARM处理器目前包括以下几个系列：处理器目前包括以下几个
5、系列：ARM7系列系列ARM9系列系列ARM9E系列系列ARM10E系列系列ARM11系列最近已推出系列最近已推出Intel的的StrongARM和和Xscale4精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构(1)(1)、ARM7TDMIARM7TDMI系列介绍系列介绍 TThumb16TThumb16位压缩指令集位压缩指令集 D D支持片上支持片上DebugDebug调试，使处理器能够响应调试请求调试，使处理器能够响应调试请求 M M增强型增强型MultiplierMultiplier，产生，产生6464位结果位结果 IEmbeddedICE IEmbeddedICE硬件，支持片上断点和观察
6、点硬件，支持片上断点和观察点特点：特点：具有协处理器具有协处理器MMU接口接口8K的的CacheJTAG接口接口三级流水线三级流水线主频到主频到100MHz性能超过性能超过4865精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构(2)(2)、ARM9TDMIARM9TDMI系列介绍系列介绍特点：特点：32K的的Cache五级流水线五级流水线支持更高时钟速率支持更高时钟速率,到到400MHz其余与其余与ARM7系列类似系列类似性能是性能是ARM7系列的系列的2倍，超过倍，超过Pentium i5866精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构(3)(3)、ARM10TDMIARM10TDMI系列介
7、绍系列介绍特点：特点：高端处理器高端处理器64K的的Cache六级流水线六级流水线更高时钟速率，更高时钟速率，1GHz其余与其余与ARM9系列类似系列类似性能是性能是ARM9系列的系列的2倍倍7精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构ARM 三级流水线简介三级流水线简介ARM7使用3级流水线机制：取指：读取程序存储器中的指令，放入指令流水线中。译码：对指令进行译码，为下一周期准备数据路径需要的控制信号。此时指令占据译码逻辑而不占据数据路径。执行：指令占据数据路径，存放器堆被读取，操作数被放到ALU中并进行运算，运算结果被放到目的存放器中并改变程序状态存放器的条件标志。8精选课件嵌入式系统讲
8、义第2章 ARM体系结构9精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构2.22.2、典型、典型ARMARM芯片与单片机的比较芯片与单片机的比较三星公司三星公司ARM芯片与芯片与89C51指令效率比较指令效率比较S3C44B0XS3C241089C51时钟频率时钟频率66MHz266MHz24MHz总线宽度总线宽度32位位32位位8位位执行速率执行速率66M条指令条指令/秒秒266M条指令条指令/秒秒约约0.5M条指条指令令/秒秒地址空间地址空间4GBytes1GBytes64KBytes指令综合效率指令综合效率S3C44B0X是是89C51的的200400倍倍10精选课件嵌入式系统讲义第2章
9、ARM体系结构S3C2410与与89C51功能资源比较功能资源比较 89C51主要资源：主要资源：P0、P2复用地址数据口复用地址数据口P1 可用作可用作8位位I/O口口3个外部中断口个外部中断口1个个UART口口片内片内8K FLASH256bytes RAM11精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构 S3C2410X主要资源：主要资源：内核带有16K高速指令缓存和16K数据缓存 117个I/O 口，32位数据总线和32位地址总线分开 LCD控制器(最大支持256色STN，使用LCD专用DMA)3通道UART,速率可到115.2kbits/s，1通道红外接口IrDA 2通道的同步IO(
10、SPI)，速率达几十Mbits；4通道DMA 支持多种类型的存储器FLASH、DRAM、SDRAM、SRAM 4通道的PWM定时器和1通道内部定时器 具有看门狗定时器 1个实时时钟，具备日历功能 8通道10位ADC和触摸屏接口 1通道IIC总线接口 1通道IIS总线接口 24个外部中断源 内部有26个中断源12精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构2.3 ARM2.3 ARM处理器工作状态处理器工作状态ARM处理器核可工作于两种状态：ARM状态：32位指令长度THUMB状态：16位指令长度 代码存储时，按各自的指令长度存储；程序执行时，处理器可在两种状态之间转换，并且在THUMB状态下先
11、将16位指令解压成32位指令再执行。因此THUMB状态不损失任何性能，但代码长度减少了很多。注意：ARM状态和THUMB状态之间的切换不影响处理器的模式或存放器的内容ARM处理器在开始执行代码时只能处于ARM状态13精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构2.4 ARM2.4 ARM处理器工作模式处理器工作模式ARM处理器核使用CPSR当前程序状态存放器的低5位定义当前工作模式：14精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构ARM处理器支持处理器支持7种工作模式，每种工作模式可访问的存放器不同：种工作模式，每种工作模式可访问的存放器不同：CPSR4:0模式模式用途用途可访问的寄存器可访问
12、的寄存器10000User(用户用户)正常用户模式，程序正常执行时正常用户模式，程序正常执行时应在该模式下应在该模式下PC、R14R0、CPSR10001FIQ快速中断快速中断快速中断模式，支持高速数据传快速中断模式，支持高速数据传送或通道处理送或通道处理PC、R14_fiqR8_fiq、R7R0、CPSR、SPSR_fiq10010IRQ普通中断普通中断普通中断模式普通中断模式PC、R14_irqR13_irq、R12R0、CPSR、SPSR_irq10011SVC管理模式（或操作系统保护模式，管理模式（或操作系统保护模式，处理软件中断处理软件中断SWI）PC、R14_svcR13_svc、
13、R12R0、CPSR、SPSR_svc10111Abort (中止中止)处理存储器故障，实现虚拟存储处理存储器故障，实现虚拟存储器和存储器保护器和存储器保护PC、R14_abtR13_abt、R12R0、CPSR、SPSR_abt11011Undefine(未定义未定义)处理未定义的指令陷阱，支持硬处理未定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真件协处理器的软件仿真PC、R14_undR13_und、R12R0、CPSR、SPSR_und11111SYS系统系统运行特权操作系统任务运行特权操作系统任务PC、R14R0、CPSR15精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构ARM处理器工作模式
14、说明处理器工作模式说明用户模式：用户程序运行时所在的模式。在此模式下应用程序不能访问受用户模式：用户程序运行时所在的模式。在此模式下应用程序不能访问受操作系统保护的系统资源，也不能改变操作系统保护的系统资源，也不能改变ARM核的模式，即不能进行模核的模式，即不能进行模式切换，除非异常包括中断发生时自动切换到其它模式。式切换，除非异常包括中断发生时自动切换到其它模式。特权模式：除用户模式外的其他六种模式称为特权模式。这些模式主要处特权模式：除用户模式外的其他六种模式称为特权模式。这些模式主要处理程序异常和软件中断。在这些模式下软件可以自由切换工作模式。理程序异常和软件中断。在这些模式下软件可以自
15、由切换工作模式。异常模式：特权模式中除系统模式外的其他异常模式：特权模式中除系统模式外的其他5种模式。即种模式。即FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undefine模式。模式。特权模式由异常模式和系统模式组成特权模式由异常模式和系统模式组成异常模式处理中断和异常的发生。异常异常模式处理中断和异常的发生。异常ARM处理器将中断也视为一种异处理器将中断也视为一种异常情况发生时，处理器自动进入相应模式，每种异常模式都有一些不常情况发生时，处理器自动进入相应模式，每种异常模式都有一些不同的存放器，称为影子存放器。供相应的异常处理程序使用。这样保证同的存放器，称为影子存放器。供相应的异常处理程序使用。
16、这样保证进入异常模式时使用的存放器与正常的用户模式不同，不会改变正常情进入异常模式时使用的存放器与正常的用户模式不同，不会改变正常情况下的用户存放器，即不破坏正常程序的运行。况下的用户存放器，即不破坏正常程序的运行。系统模式与用户模式使用同样的存放器，但与异常模式使用的存放器不同。系统模式与用户模式使用同样的存放器，但与异常模式使用的存放器不同。系统模式供操作系统使用，操作系统可以在其他任意模式间切换，使用系统模式供操作系统使用，操作系统可以在其他任意模式间切换，使用系统的所有资源，因为操作系统应该有最高的特权。系统的所有资源，因为操作系统应该有最高的特权。16精选课件嵌入式系统讲义第2章 ARM体系结构2.5 ARM2.5 ARM存放器组成存放器组成2.5.1 概述概述ARM处理器共有处理器共有37个存放器，分为两类：通用存放器和状态存放器个存放器，分为两类：通用存放器和状态存放器1.31个通用存放器个通用存放器2.程序计数器程序计数器PC、R0R15；R13_svc、R14_svc；R13_abt、R14_abt；R13_und、R14_und；R13_irq、R14_irq；R1
