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1、第第二二章章ARMARM微处理器硬件结构微处理器硬件结构山东大学精品课程山东大学精品课程嵌入式系统原理与接口技术嵌入式系统原理与接口技术主编：贾智平张瑞华主编：贾智平张瑞华清华大学出版社清华大学出版社嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组内容提要内容提要ARM 存存 储储 系系 统统 机机 制制ARM处理器模式及内部寄存器处理器模式及内部寄存器ARM处理器结构处理器结构和技术特征和技术特征计算机体系结构计算机体系结构2嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组计算机体系结构计算机中，按内存的组成分两种典型的结构：计算机中，按内存的组成分两种典型的结构：1.1.冯冯诺依曼结构诺依曼结构/ /普林斯顿结构普林斯顿
2、结构 3嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2结构特点：结构特点：1 1、指令和数指令和数据存储在据存储在相同的内相同的内存存空间，空间，但但存储地址存储地址不不同同。2 2、处理器利用相同的总、处理器利用相同的总线处理内存中的指令和数线处理内存中的指令和数据，据，指令和数指令和数据具有相据具有相同同的数据宽度的数据宽度，指令与数据，指令与数据无法同时存取。无法同时存取。ARM7ARM7嵌入式微处理嵌入式微处理器亦采用此结构器亦采用此结构4嵌入式系统学科组嵌入式系统
3、学科组哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据结构特点：结构特点：1 1、指令存储和数据存储分指令存储和数据存储分开，开，指令和数据分别位于指令和数据分别位于不同的存储空间。不同的存储空间。2 2、指令与数据的存取采、指令与数据的存取采用不同总线，取指令和存用不同总线，取指令和存取数据可同时进行，取数据可同时进行，微处微处理器具有较高的执行效率理器具有较高的执行效率。数字信号处理器数字信号处理器DSPDSP通常采用哈通常采用哈佛结构佛结构 ，ARM9ARM9嵌入式微处理器嵌入式微处理器亦采用此结构。亦
4、采用此结构。5嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组第第2 2章章 ARMARM微处理器硬件结构微处理器硬件结构1 12 2计计 算算 机机 体体 系系 结结 构构 ARM处理器结构处理器结构和技术特征和技术特征ARM处理器模式及内部寄存器处理器模式及内部寄存器 3 34 4ARM 存存 储储 系系 统统 机机 制制6嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM公司简介公司简介成立于成立于19901990年年1111月月前身为前身为 AcornAcorn计算机公司计算机公司Advance RISC Advance RISC Machine(ARMMachine(ARM) )主要设计主要设计ARMAR
5、M系列系列RISCRISC处理器内核处理器内核授权授权ARMARM内核给生产和销售半导体内核给生产和销售半导体的合作伙伴的合作伙伴ARM ARM 公司不生产芯片公司不生产芯片IP(IntelligenceIP(Intelligence Property) Property)另外也提供基于另外也提供基于ARMARM架构的开发设架构的开发设计技术计技术软件工具软件工具, , 评估板评估板, , 调试工具调试工具, ,应用应用软件软件, ,总线架构总线架构, , 外围设备单元，等等外围设备单元，等等7嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组授权费IPARM创造和设计IP产品，例如：芯片Partner把ARM
6、IP和其他IP集成进产品版权费单价OEM用来自ARMPartner的芯片设计制造最终用户产品业务拓展/市场格局ARM的业务模型8嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组 ARMARM简介简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片.9嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM处理器内核处理器内核( (简称简称ARMARM核核) )所谓所谓ARMARM核就是传统意义上的核就是传统意义上的微处理器，目前微处理器，目前ARMARM公司共推出了公司共推出了7 7个个ARMARM版版本，这些版本的变化主要体现在内核的变化和内核的扩展。本，这些版本的变化主要体现在内核的变化和内核的扩展。 ARMARM核
7、核= =ALU+CU+R+ALU+CU+R+内部总线内部总线主要包括主要包括：1 1、算术逻辑部件、算术逻辑部件2 2、控制部件、控制部件3 3、寄存器组、寄存器组4 4、内部总线。、内部总线。算术逻辑单元算术逻辑单元寄存器寄存器控制单元控制单元微处理器微处理器存储器存储器输入输入输出输出10嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM简介简介ARMARM处理器的应用处理器的应用当前主要应用于消费类电子领域；当前主要应用于消费类电子领域；到目前为止，基于到目前为止，基于ARMARM技术的微处理器应用约占据技术的微处理器应用约占据了了3232位嵌入式微处理器位嵌入式微处理器7575以上的市场份额
8、以上的市场份额全球全球80%80%的的GSM/3GGSM/3G手机、手机、99%99%的的CDMACDMA手机以及手机以及绝大多数绝大多数PDAPDA产品均采用产品均采用ARMARM体系的嵌入式处理器，体系的嵌入式处理器，“掌上计算掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。相关的所有领域皆为其所主宰。ARMARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。11嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM简介简介ARMARM体系结构体系结构 ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典RISC的特点：大的、统一的寄存
9、器文件；装载/保存结构，数据处理操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作；简单的寻址模式;统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码，便于指令流水线设计。12嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM体系结构版本体系结构版本ARMARM体系结构共定义了体系结构共定义了7 7个版本，版本号分别为个版本，版本号分别为1-71-7。同时，各版本中还有一些变种，这里将某。同时，各版本中还有一些变种，这里将某些特定功能称为些特定功能称为ARMARM体系的某种变种体系的某种变种(variant)(variant) ARMARM体系结构版本的变化主要体现为增加体系结构版本的变化主要体现为增加ARMA
10、RM核核外围的组件以改善外围的组件以改善ARMARM性能和增加内核的功能。性能和增加内核的功能。硬件硬件ARMARM核外围的组件扩展：核外围的组件扩展：1 1、cachecache和紧耦合存储器和紧耦合存储器TCMTCM（片上（片上RAMRAM）2 2、存储管理部件、存储管理部件 MMUMMU3 3、协处理器（配置、协处理器（配置cachecache、TCMTCM和存储管理）和存储管理）13嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM核的扩充功能：核的扩充功能：1 1、T T变种变种:Thumb:Thumb指令集指令集2 2、M M变种变种 : :增加增加6464位长乘法指令位长乘法指令3 3
11、、E E变种变种: :增强型增强型DSPDSP指令指令,E,E变种的变种的ARMARM体系增加了一些增体系增加了一些增强处理器对典型的强处理器对典型的DSPDSP算法处理能力的附加指令。算法处理能力的附加指令。4 4、J J变种变种:java:java加速器加速器JazelleJazelle提供了提供了JavaJava加速功能，使得加速功能，使得JavaJava代码的运行速度比普通的代码的运行速度比普通的JavaJava虚拟机提高了虚拟机提高了8 8倍。倍。 5 5、SIMDSIMD变种（单指令流多数据流）变种（单指令流多数据流）:ARM:ARM媒体功能扩展媒体功能扩展, , ARMARM媒体
12、功能扩展媒体功能扩展SIMDSIMD技术极大地提高了嵌入式应用系统技术极大地提高了嵌入式应用系统的音频和视频处理能力，可使微处理器的音频和视频处理的音频和视频处理能力，可使微处理器的音频和视频处理性能提高性能提高4 4倍。倍。14嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM简介简介各各ARMARM体系结构版本体系结构版本 ARM ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARMARM应应用实例所使用的指令集，用实例所使用的指令集，ARMARM公司定义了公司定义了7 7种主要种主要
13、的的ARMARM指令集体系结构版本，以版本号指令集体系结构版本，以版本号V1V1V7V7表表示。示。15嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM体系结构版本体系结构版本ARMARM体系结构版本体系结构版本V1V1-V7 -V7 （自学）（自学）主要是：主要是：寻址能力提高、增加不同的指令寻址能力提高、增加不同的指令增加不同的硬件处理部件增加不同的硬件处理部件在不同的版本在不同的版本, ,有不同应用的处理芯片有不同应用的处理芯片ARMv7ARMv7定义了定义了3 3种不同的处理器配置种不同的处理器配置（processor profiles）: Profile A是面向复杂、基于虚拟内存的OS
14、和应用；Profile R是针对实时系统；Profile M是针对低成本应用的系统。 16嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM处理器的分类处理器的分类结构体系版本（结构体系版本（ArchitectureArchitecture）ARM v4TARM v4TARM v5TE ARM v5TE ARM v6ARM v6ARM Cortex (v7)ARM Cortex (v7) Processor FamilyProcessor FamilyARM7 ARM7 ARM9ARM9ARM10ARM10ARM11ARM11ARM CortexARM Cortex17嵌入式系统学科组嵌入式系统学科
15、组ARMARM各系列处理器（各系列处理器（作资料了解）作资料了解） ARMARM公司开发了很多系列的公司开发了很多系列的ARMARM处理处理器核，目前最新的系列已经是器核，目前最新的系列已经是ARM11ARM11了，了，而而ARM6ARM6核以及更早的系列已经很罕见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了。目前应用比较广泛的系列是：是：ARM7ARM9ARM9EARM10ARM11SecurCoreCortexXscale18嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM命名规则命名规则1、基于ARM Architecture的版本命名规则 | ARM Vn| variants|
16、x（variants）|Vn n - 指令集版本号，n1:7。variants - 变种。x（variants） - 排除x后指定的变种 例，ARMv5TxM表示ARM指令集版本为5，支持T变种，不支持M变种。19嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组2、基于ARM 处理器系列命名规则 ARMxyzTDMIEJF-Sx - 处理器系列 y - 存储管理/保护单元 z - cacheD - 支持片上调试（加断点，单步执行）I - 支持Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试。开发环境可跟踪调试目标板。-S - 可综合版本，无s硬核,工艺固定不可综合。20嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM7TD
17、MIARM7TDMI例：ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMIARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和Jazelle TM 技术，能够实现Java加速功能，处理器的可综合版本；支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持Embeded-ICE观察硬件;ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI 一致；ARM7 T D M I - S21嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM7TDMIARM7TDMI简介简介 ARM7TDMIARM7TDMI处理器是处
18、理器是ARMARM通用通用3232位微处理器家位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机（RISCRISC），比复杂指令集计算机（），比复杂指令集计算机（CISCCISC）要简单得）要简单得多。这样的简化实现了：多。这样的简化实现了：高的指令吞吐量；高的指令吞吐量；出色的实时中断响应；出色的实时中断响应；小的、高性价比的处理器宏单元。小的、高性价比的处理器宏单元。22嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM7TDMIARM7TDMI三级流水线三级流水线
19、 ARM7TDMIARM7TDMI处理器使用流水线来增加处理器指处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz0.9MIPS/MHz的的指令执行速度。指令执行速度。 ARM7TDMIARM7TDMI的流水线分的流水线分3 3级，分别为：级，分别为：取指取指译码译码执行执行23嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM7TDMIARM7TDMI存储器访问存储器访问 ARM7TDMI ARM7TDMI处理器使用了处理器使用了冯冯诺依曼诺依曼（Von
20、Von NeumannNeumann）结构，指令和数据共用一条）结构，指令和数据共用一条3232位总线。位总线。只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。进行访问。 数据可以是字节（数据可以是字节（ 8 8位）、半字（位）、半字（ 1616位）或者字位）或者字（3232位）。位）。24嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM7TDMIARM7TDMI结构框图结构框图 25嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组基本组成基本组成: (: (详见前图详见前图) )1 1、寄存器块、寄存器块由通用寄存器和状态寄存器组成，主要用来保存处由通用寄存器和状态寄
21、存器组成，主要用来保存处理器状态和处理器工作中的数据。理器状态和处理器工作中的数据。 2 2、5 5个对外端口个对外端口2 2个读端口，用于读个读端口，用于读2 2个源操作数；个源操作数；1 1个写端口，用于写入目的操作数；个写端口，用于写入目的操作数；上述端口都可访问任意寄存器；上述端口都可访问任意寄存器；1 1个专门访问程序计数器个专门访问程序计数器R15R15的附加读端口；的附加读端口；1 1个附加写端口。个附加写端口。26嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组3 3、桶式移位器、桶式移位器 主要完成指令中第主要完成指令中第2 2个操作数移位。个操作数移位。4 4、ALU ALU 执行算术逻辑
22、运算执行算术逻辑运算5 5、地址寄存器和增值器、地址寄存器和增值器选择和保存所有存储器地址，并在需要时通过地址选择和保存所有存储器地址，并在需要时通过地址增值器生成顺序地址。增值器生成顺序地址。6 6、数据寄存器、数据寄存器 对传送到存储器或从存储器对传送到存储器或从存储器取回的数据暂存。取回的数据暂存。7 7、控制通路、控制通路/ /控制器控制器基本功能模块是指令解码器和相关的控制逻辑。基本功能模块是指令解码器和相关的控制逻辑。27嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM7ARM7硬件结构硬件结构2828嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARM9ARM9ARMARM9 9微处理器系列微处理器系列
23、 特点：特点：基于基于ARM9TDMI ARM9TDMI ，带，带1616位的位的ThumbThumb指令集，增强代码指令集，增强代码密度最多到密度最多到35%35%；在在0.13m0.13m工艺下最高性能可达到工艺下最高性能可达到300MIPS300MIPS（Dhrystone Dhrystone 2.12.1测试标准）；测试标准）；集成了数据和指令集成了数据和指令ChcheChche；3232位位AMBAAMBA总线接口的总线接口的MMUMMU支持；支持；可在可在0.18m0.18m、 0.15m 0.15m和和0.13m0.13m工艺的硅芯片上实现。工艺的硅芯片上实现。29嵌入式系统学科
24、组嵌入式系统学科组ARM920TARM920T内核结构内核结构返回返回30嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组31嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组 存储地址空间：每个存储地址空间：每个bank 128MBbank 128MB（8 8个个BANK 1GBBANK 1GB）每个每个bankbank可编程为可编程为8/16/328/16/32位数据总线；位数据总线；bank0bank0至至bank6 bank6 为固定起始地址；为固定起始地址；Bank7Bank7可编程可编程bankbank起始地址和大小；起始地址和大小；6 6个存储器个存储器bankbank用于用于ROMROM、SRAMSRAM和其他
25、；和其他；2 2个存储器个存储器bankbank用于用于ROMROM、SRAMSRAM和同步和同步DRAMDRAM；每个每个bankbank可编程存取周期；可编程存取周期；支持不同类型的支持不同类型的ROMROM用于启动用于启动FlashFlash、EEPROMEEPROM和其他。和其他。32嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组ARMARM处理器工作状态处理器工作状态ARMARM和和ThumbThumb状态状态 ARMARM指令系统（指令系统（V4V4版以后具有版以后具有ThumbThumb指令集）：指令集）：3232位位ARMARM指令集：固定的指令集：固定的3232位指令，位指令，Load/S
26、tore Load/Store RISCRISC特征，特征，3 3地址格式。地址格式。1616位位ThumbThumb指令集：是指令集：是ARMARM指令集的子集，按指令集的子集，按1616位指位指令重新编码，固定的令重新编码，固定的1616位指令，位指令，Load/Store RISCLoad/Store RISC特特征，征，2 2地址格式。地址格式。注意注意：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容器内容。33嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组处理器状态处理器状态切换切换 使使用用BXBX指令将指令将ARM7TDMIARM7TDMI内核的操
27、作状态内核的操作状态在在ARMARM状态和状态和ThumbThumb状态之间进行切换状态之间进行切换 ，程序如下所示。程序如下所示。;从从Arm状态切换到状态切换到Thumb状态状态 LDR R0,=Lable+1 BX R0;从从Thumb状态切换到状态切换到ARM状态状态 LDR 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34嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组流水线技术流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术：几个指令可以并行执技术：几个指令可以并行执行行 提高了CPU的运行效率 内部信息流
28、要求通畅流动 译码译码取指取指执行执行add译码译码取指取指执行执行sub译码译码取指取指执行执行cmp时间35嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组流水线技术流水线技术为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。 PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令从存储器中读取指令解码指令解码指令寄存器读（从寄存器寄存器读（从寄存器Bank）移位及移位及ALU操作操作寄存器写（到寄存器寄存器写（到寄存器Bank ）PCPCPC - 4PC-2PC - 8PC - 4ARMThumb当前pc所指向的指令
29、已完成取指的指令已完成解码的指令36嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组在在ARM7ARM7的的3 3级流水线结构中流水线易出现阻塞或间断，这必级流水线结构中流水线易出现阻塞或间断，这必然降低了流水线的效率，为了提高处理器的性能，必然要然降低了流水线的效率，为了提高处理器的性能，必然要考虑如何优化处理器的组织结构。考虑如何优化处理器的组织结构。（1 1）缩短程序执行时间）缩短程序执行时间: : 提高时钟频率提高时钟频率fclkfclk 减少每条指令的平均时钟周期数减少每条指令的平均时钟周期数CPI CPI 流水线技术流水线技术Tprog：程序执行时间：程序执行时间Ninst：指令条数：指令条数CP
30、I：指令平均时钟周期数：指令平均时钟周期数FCLK：时钟频率：时钟频率37嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组流水线技术流水线技术 （2 2）解决流水线相关）解决流水线相关: :结构相关结构相关 数据相关数据相关 控制相关控制相关 如果某些指令在流水线中重叠执行时，产生资如果某些指令在流水线中重叠执行时，产生资源冲突，则称该流水线存在结构相关。源冲突，则称该流水线存在结构相关。解决：资源重复（解决：资源重复（Cache 分离、分离、ALU中单独中单独的地址计算加法器）的地址计算加法器）写后读写后读”、“写后写写后写” “读后写读后写” 解决：专用通路、流水线互锁技术解决：专用通路、流水线互锁技术当
31、流水线遇到分支指令和其他会改变当流水线遇到分支指令和其他会改变PC值值的指令时，取指取决于指令执行条件，可的指令时，取指取决于指令执行条件，可能需重新取指，致使流水线停顿。能需重新取指，致使流水线停顿。解决：引入延时分支、尽早计算转移成功解决：引入延时分支、尽早计算转移成功时的目标地址。时的目标地址。addr0,r1,r2movr2,r0addr0,r1,r2addr0,r3,r4movr2,r0addr0,r1,r238嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组多周期多周期ARMARM指令的指令的3 3级流水线操作级流水线操作 STR计算存储器地址与ADD译码，都为下一周期产生数据传送控制信号，不能同
32、步进行。Dataxfer-excute占用数据路径两条指令不能同时译码。取指与存数冲突若流水线产生资源冲突，则称该流水线存在结构相关。如，取指存数冲突，2条指令同时占用译码级等。39嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组流水线技术流水线技术超标量超标量(Superscalar)(Superscalar)执行：超标量执行：超标量CPUCPU采用多采用多条流水线结构条流水线结构 执行执行1取指取指指令指令译码译码2译码译码1执行执行2执行执行1取指取指译码译码2译码译码1执行执行2流流水水线线1流流水水线线2数据回写数据回写40嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组流水线技术流水线技术注意：注意： 超标量处理
33、器在执行的过程中必须动态地检超标量处理器在执行的过程中必须动态地检查指令相关性，判断当前的指令组合是否能同查指令相关性，判断当前的指令组合是否能同时执行；时执行； 如果代码中有分支指令，我们必须将分支被如果代码中有分支指令，我们必须将分支被执行和分支不被执行这两种情况分开考虑，计执行和分支不被执行这两种情况分开考虑，计算执行时间几乎是不可能的；算执行时间几乎是不可能的； 41嵌入式系统学科组嵌入式系统学科组流水线技术流水线技术ARMARM各个系列的流水线：各个系列的流水线：预取预取(Fetch)译码译码(Decode)执行执行(Execute)预取预取(Fetch)译码译码(Decode)执行执行(Execute)访存访存(Memory)写入写入(Write)预取预取(Fetch)译码译码(Decode)发送发送(Issue)预取预取(Fetch)预取预取(Fetch)执行执行(Execute)访存访存(Memory)写入写入(Write)译码译码(Decode)发送发送(Issue)执行执行(Execute)转换转换(Snny)访存访存(Memory)写入写入(Write)ARM7ARM9ARM10ARM1142
