1、嵌入式系统嵌入式系统第三讲第三讲ARMARM简介简介本节内容本节内容计算机体系构造计算机体系构造影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素CISCCISC和和RISCRISCARMARM的开展历史的开展历史ARMARM特点特点ARMARM体系构造版本体系构造版本ThumbThumb技术技术ARMARM处置器家族处置器家族3.1 3.1 计算机体系构造计算机体系构造计算机体系构造是机器言语程序员或计算机体系构造是机器言语程序员或编译程序编写者所看到的计算机的属编译程序编写者所看到的计算机的属性,即概念性构造与功能特性。性,即概念性构造与功能特性。 两种体系构造两种体系构造冯冯诺诺依曼体系构造依曼体系构造两种体系构造两种体系构造哈佛体系构造哈佛体系构造冯诺依曼体系构造的特点依曼体系构造的特点数据与指令都存数据与指令都存储在存在存储器中器中被大多数被大多数计算机所采用算机所采用ARM7 ARM7 冯诺依曼体系依曼体系哈佛体系构造的特点哈佛体系构造的特点程序存储器与数据存储器分开程序存储器与数据存储器分开指令和数据可有不同的数据宽度指令和数据可有不同的数据宽度 提供了较大的数据存储器带宽提供了较
2、大的数据存储器带宽适宜于数字信号处置适宜于数字信号处置大多数大多数DSPDSP都是哈佛构造都是哈佛构造ARM9ARM9是哈佛构造是哈佛构造3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素流水线技术流水线技术几个指令可以并行执行几个指令可以并行执行提高了提高了CPUCPU的运转效率的运转效率内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素超标量执行:超标量超标量执行:超标量CPUCPU采用多条流水线采用多条流水线构造构造3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素高速缓存高速缓存CACHECACHE微处置器的时钟频率比内存速度提高微处置器的时钟频率比内存速度提高快得多,高速缓存可以提高内存的平快得多,高速缓存可以提高内存的平均性能均性能高速缓存的任务原理高速缓存的任务原理高速缓存是一种小型、快速的存储器,高速缓存是一种小型、快速的存储器,它保管部分主存内容的拷贝它保管部分主存内容的拷贝3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素总线和总线桥总线和总线
3、桥3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素寻址位宽寻址位宽 是指微处置器一次执行指令的数据宽是指微处置器一次执行指令的数据宽 注:显然,在任务频率一样的情况注:显然,在任务频率一样的情况 ,位宽越宽,速度越快位宽越宽,速度越快3.2 3.2 影响影响CPUCPU性能的要素性能的要素指令集指令集指令集是指令集是CPUCPU所能执行的一切指令的集所能执行的一切指令的集合合复杂指令集复杂指令集精简指令集精简指令集 3.3 CISC与RICSCISCCISC:复杂指令集:复杂指令集Complex Instruction Complex Instruction Set ComputerSet Computer 具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式 大多数程序只运用少量的指令就可以运转大多数程序只运用少量的指令就可以运转RISCRISC:精简指令集:精简指令集Reduced Instruction Reduced Instruction Set Computer)Set Computer) 只包含最有用的指令只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道
4、快速执行每一条指令 使使CPUCPU硬件构造设计变得更为简单硬件构造设计变得更为简单3.3.1 CISC3.3.1 CISC的缺陷的缺陷2020与与8080的问题的问题2020的简单指令利用率到达的简单指令利用率到达80808080的复杂指令的运用概率只需的复杂指令的运用概率只需2020指令复杂度对处置器指令复杂度对处置器VLSIVLSI实现性能的影响实现性能的影响CISCCISC中指令长度不一致,高性能的中指令长度不一致,高性能的VLSIVLSI实实现难度大现难度大软硬件的协同设计问题软硬件的协同设计问题CISCCISC多采用微指令技术,多采用微指令技术,加强指令系统的功能,简化了目的软件的加强指令系统的功能,简化了目的软件的设计,但添加了硬件微程序复杂度设计,但添加了硬件微程序复杂度程序执行时间不一定短程序执行时间不一定短3.3.2 RISC3.3.2 RISC的特点的特点硬连线的指令译码逻辑硬连线的指令译码逻辑RISCRISC指令格式和长度固定,指令类型少,指令格式和长度固定,指令类型少,功能简单,寻址方式少,译码控制器可采功能简单,寻址方式少,译码控制器可采用规那么的硬布线逻辑
5、组合逻辑型用规那么的硬布线逻辑组合逻辑型CISCCISC大多运用微码大多运用微码ROMROM进展指令译码存储进展指令译码存储逻辑型逻辑型减少指令和寻址方式的种类减少指令和寻址方式的种类大多数指令单周期执行大多数指令单周期执行分开的分开的Load/StoreLoad/Store构造的存取指令构造的存取指令固定指令格式固定指令格式3.3.3 CISC与RISC的数据通道CISC 复杂RISC 简单3.3.4 RISC3.3.4 RISC的优势的优势处置器管芯面积小处置器管芯面积小开发时间少,开发本钱低开发时间少,开发本钱低容易实现高性能容易实现高性能3.3.5 RISC3.3.5 RISC的缺陷的缺陷与与CISCCISC比,代码密度低比,代码密度低不能执行不能执行X86X86代码代码给优化编译程序带来了困难给优化编译程序带来了困难3.4 ARM3.4 ARM的开展历史的开展历史19851985年年4 4月月2626日,第一个日,第一个ARMARM原型在英国剑原型在英国剑桥的桥的AcornAcorn计算机诞生,由美国加州计算机诞生,由美国加州San San Jose VLSIJose VLS
6、I技术公司制造技术公司制造2020世纪世纪8080年代后期,年代后期,ARMARM很快开发成很快开发成AcornAcorn的台式机产品,构成英国的计算机教育根的台式机产品,构成英国的计算机教育根底底19901990年成立了年成立了Advanced RISC Machines Advanced RISC Machines LimitedLimitedARMARM即即Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines的缩写的缩写3.4 ARM3.4 ARM的开展历史的开展历史2020世纪世纪9090年代,年代,ARM32ARM32位嵌人式位嵌人式RISCRISCReduced Reduced Instruction Set ComputerInstruction Set Computer处置器扩展到世界范处置器扩展到世界范围,占据了低功耗、低本钱和高性能的嵌入式系统围,占据了低功耗、低本钱和高性能的嵌入式系统运用领域的领先位置,特别是运用领域的领先位置,特别是ARMARM嵌入式微处置器嵌入式微处置器系列系列ARMARM公司虽然只成立公司虽然只成立101
7、0多年,但在多年,但在20192019年因挪动市年因挪动市场火爆,其场火爆,其3232位位RISCRISC处置器占市场份额超越了处置器占市场份额超越了50%50%,20192019年初,年初,ARMARM公司的公司的3232位位RISCRISC处置器市场占有处置器市场占有率超越了率超越了75%75%。ARMARM公司是知识产权供应商,是设计公司是知识产权供应商,是设计公司。由协作同伴公司来消费各具特征的芯片公司。由协作同伴公司来消费各具特征的芯片3.4 ARM3.4 ARM的开展历史的开展历史ARMARM公司商业方式的强大之处在于其价钱合公司商业方式的强大之处在于其价钱合理,全世界范围有超越理,全世界范围有超越100100个协作同伴个协作同伴-包包括半导体工业的著名公司。括半导体工业的著名公司。ARMARM公司专注于公司专注于设计,其内核耗电少、本钱低、功能强,设计,其内核耗电少、本钱低、功能强,特有特有16/3216/32位双指令集。位双指令集。ARMARM已成为挪动通已成为挪动通讯、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式讯、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式处理方案的处理方案的RISCRI
8、SC规范规范在一切在一切ARMARM处置器系列中,处置器系列中,ARM7ARM7处置器系列处置器系列运用最广,采用运用最广,采用ARM7ARM7处置器作为内核消费处置器作为内核消费芯片的公司最多芯片的公司最多3.4 ARM3.4 ARM的开展历史的开展历史ARMARM的含义:的含义:ARMARM是公司称号是公司称号ARMARM是一种处置器架构是一种处置器架构ARMARM是一种技术是一种技术ARMARM是注册商标是注册商标3.4 ARM3.4 ARM的开展历史的开展历史1991 -ARM 1991 -ARM 推出第一款推出第一款RISCRISC嵌入式微嵌入式微处处置器置器ARM6ARM61993 -ARM 1993 -ARM 推出推出ARM7 ARM7 2019 ARM2019 ARM的的ThumbThumb扩扩展指令集构造展指令集构造为为1616位系位系统统添加了添加了3232位的性能位的性能, ,提供提供业业界界领领先的代先的代码码密度密度3.4 ARM3.4 ARM的开展历史的开展历史3.5 ARM3.5 ARM的特点的特点ARMARM处置器的特点如下处置器的特点如下小体积、低功耗
9、、低本钱、高性能小体积、低功耗、低本钱、高性能Load/StoreLoad/Store体系构造体系构造1616位位/32/32位双指令集位双指令集3 3地址指令格式地址指令格式全球众多的协作同伴本人只设计高全球众多的协作同伴本人只设计高性能的性能的IPIP核,授权给他人消费核,授权给他人消费3.6 ARM3.6 ARM体系构造版本体系构造版本V1V1根本数据处置根本数据处置字节字节, ,字以及多字字以及多字load/storeload/store软件中断软件中断26 bit 26 bit 地址总线地址总线V2 V2 Multiply & Multiply-accumulateMultiply & Multiply-accumulate支持协处置器支持协处置器支持线程同步支持线程同步26 bit 26 bit 地址总线地址总线3.6 ARM3.6 ARM体系构造版本体系构造版本V3V3推出推出3232位位寻寻址才干址才干添加两种异常方式添加两种异常方式加加强强型乘法器型乘法器, ,产产生全生全6464位位结结果果(32X32(32X3264or32X32+64 64or32X32+64
10、64)64)V4V4添加了半字添加了半字loadload和和storestore指令指令T16T16位位紧缩紧缩指令集指令集3.6 ARM3.6 ARM体系构造版本体系构造版本V5V5提高了提高了ARMARM和和ThumbThumb之间的交互效率之间的交互效率添加了前导零计数指令添加了前导零计数指令添加了添加了BKPTBKPT软件中断指令软件中断指令V6V6降低耗电量降低耗电量强化图形处置性能强化图形处置性能支持多微处置器内核支持多微处置器内核3.6 ARM3.6 ARM体系构造版本体系构造版本体系构造的演化体系构造的演化T T变种种-16-16位位紧缩指令集指令集M M变种种-加加强型乘法器型乘法器, ,产生全生全6464位位结果果(32X32(32X3264or32X32+64 64or32X32+64 64)64)E E变种种-加加强型型DSPDSP指令集指令集, ,包括全部算法操包括全部算法操作和作和1616位乘法操作位乘法操作J J变种种-支持新的支持新的JAVA,JAVA,提供字提供字节代代码执行行的硬件和的硬件和优化化软件加速功能件加速功能SIMDSIMD变种种-媒体功能
11、媒体功能扩展展D D变种种-支持片上支持片上DebugDebugI I变种种- EmbededICE- EmbededICE硬件,以支持片上断硬件,以支持片上断点和察看点点和察看点S-S-表示可表示可综合的合的“软IPIP核核3.6 ARM3.6 ARM体系构造版本体系构造版本3.7 Thumb3.7 Thumb技术技术ThumbThumb开发背景开发背景RISCRISC代码密度低需求比较大的存储代码密度低需求比较大的存储器空间器空间高端消费类产品需求高端消费类产品需求3232位位RISCRISC处置器处置器的性能和更优于的性能和更优于1616位位CISCCISC处置器的代处置器的代码密度码密度ThumbThumb技术概述技术概述1616位的指令长度位的指令长度3232位的执行效率位的执行效率3.7 Thumb3.7 Thumb技术技术ThumbThumb技术特点技术特点支持支持ThumbThumb的核有的核有2 2套独立的指令集套独立的指令集ARM32ARM32位指令的性能位指令的性能Thumb16Thumb16位的代码密度位的代码密度设计者可在性能和代码密度之间获得设计者可在性能和
12、代码密度之间获得平衡平衡3.8 ARM3.8 ARM处置器家族处置器家族微处置器核微处置器核ARM7ARM7系列系列 ARM9ARM9系列系列 ARM9EARM9E系列系列 ARM10ARM10系列系列 ARM11ARM11系列系列SecurCoreSecurCore系列系列 StrongARMStrongARM系列系列 XscaleXscale系列系列 3.8.1 ARM73.8.1 ARM7系列系列 该系列主要微处置器包括:该系列主要微处置器包括:ARM7TDMIARM7TDMIARM7TDMI-SARM7TDMI-SARM720TARM720TARM7EJ-SARM7EJ-S采用采用ARMV4TARMV4TNeumanNeuman构造,分为三级流构造,分为三级流水,支持水,支持1616位的位的ThumbThumb指令集指令集 主要运用于工业控制、主要运用于工业控制、InternetInternet设备、网设备、网络和调制解调器设备、挪动等嵌入式运用络和调制解调器设备、挪动等嵌入式运用 3.8.2 ARM93.8.2 ARM9系列系列该系列微处置器包含:该系列微处置器包含:ARM9
13、20TARM920TARM922TARM922TARM940TARM940T采用采用ARMV4T ARMV4T HarvardHarvard构造,五级构造,五级流水处置以及分别的流水处置以及分别的CacheCache构造构造 主要运用于无线设备、仪器仪表、平主要运用于无线设备、仪器仪表、平安系统、机顶盒、高端打印机、数字安系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等照相机和数字摄像机等 3.8.3 ARM9E3.8.3 ARM9E系列系列该系列微处置器包括该系列微处置器包括ARM926EJ-SARM926EJ-SARM946E-SARM946E-SARM966E-SARM966E-S运用单一的处置器内核提供了微控制运用单一的处置器内核提供了微控制器、器、DSPDSP、JavaJava运用系统的处理方案运用系统的处理方案 主要运用于下一代无线设备、数字消主要运用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域备和网络设备等领域 3.8.4 ARM10E3.8.4 ARM10E系列系列该系列微处置器包含:该系列微处置器包含:A
14、RM1020EARM1020EARM1022EARM1022EARM1026EJ-S ARM1026EJ-S 采用了新的体系构造,与一样工艺条件下采用了新的体系构造,与一样工艺条件下的的ARM9ARM9器件相比较,在同样的时钟频率下,器件相比较,在同样的时钟频率下,性能提高了近性能提高了近50% 50% 主要运用于下一代无线设备、数字消费品、主要运用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通讯和信息系统等成像设备、工业控制、通讯和信息系统等领域领域 3.8.5 ARM113.8.5 ARM11系列系列ARM11ARM11是是ARMARM家族中性能最好的一个系家族中性能最好的一个系列列添加了是静、添加了是静、动态组动态组合的跳合的跳转预转预判判ARM11ARM11囊括了囊括了Thumb-2Thumb-2,CoreSightCoreSight,TrusZone TrusZone 等众多等众多业业界界领领先技先技术术,同,同时时由由单单一的一的处处置器内核向多核开展,置器内核向多核开展,为为高端的嵌入式运用提供了高端的嵌入式运用提供了强强大的大的处处置平台置平台 3.8.6 Sec
15、urCore3.8.6 SecurCore系列系列该系列微处置器包含:该系列微处置器包含:SecurCoreSC100SecurCoreSC100SecurCoreSC110SecurCoreSC110SecurCoreSC200SecurCoreSC200SecurCoreSC210 SecurCoreSC210 提供了基于高性能提供了基于高性能3232位位RISCRISC技术的平安处技术的平安处理方案理方案 主要运用于一些平安产品及运用系统,包主要运用于一些平安产品及运用系统,包括电子商务、电子银行业务、网络、挪动括电子商务、电子银行业务、网络、挪动媒体和认证系统等媒体和认证系统等 3.8.7 StrongARM3.8.7 StrongARM系列系列StrongARMStrongARM系列微处置器交融了系列微处置器交融了IntelIntel公司的设计和处置技术以及公司的设计和处置技术以及ARMARM体系构体系构造造 特点特点Intel StrongARMIntel StrongARM系列处置器是便携式系列处置器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选通讯产品和消费类电子产品的理想选
16、择,已胜利运用于多家公司的掌上电择,已胜利运用于多家公司的掌上电脑系列产品脑系列产品 3.8.8 Xscale3.8.8 Xscale系列系列XscaleXscale系列处置器是基于系列处置器是基于ARMv5TEARMv5TE体系体系构造的处理方案,是一款全性能、高构造的处理方案,是一款全性能、高性价比、低功耗的处置器。它支持性价比、低功耗的处置器。它支持1616位的位的ThumbThumb指令和指令和DSPDSP指令集,己经运指令集,己经运用在数字挪动、个人数字助理和网络用在数字挪动、个人数字助理和网络产品等场所。产品等场所。XscaleXscale系列处置器是系列处置器是IntelIntel目前主要推行的一款目前主要推行的一款ARMARM微处置微处置器。器。 小结小结哈佛构造代表了先进的计算机体系构哈佛构造代表了先进的计算机体系构造造RISCRISC是高性能处置器的开展方向是高性能处置器的开展方向流水线是提高系统性能的重要手段流水线是提高系统性能的重要手段超标量是进一步提高系统性能的重要超标量是进一步提高系统性能的重要手段手段ARMARM几乎是几乎是RISCRISC的代名词的代名词ARMARM是高性能嵌入式处置器的代名词是高性能嵌入式处置器的代名词谢谢!谢谢!
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