第2章ARM体系结构

1、1第2章 ARM体系结构 ARM发展历程与技术特征发展历程与技术特征 ARM体系结构版本概述体系结构版本概述ARM处理器核工作模式处理器核工作模式ARM处理器核工作状态处理器核工作状态 ARM核的内部寄存器核的内部寄存器ARM核的异常中断核的异常中断 ARM协处理器协处理器ARM核流水线核流水线 ARM核概述核概述2第2章 ARM体系结构 AMBA总线体系结构总线体系结构ARM处理器存储器结构处理器存储器结构 小结小结 31. ARM发展历程与技术特征发展历程与技术特征1)ARM发展历程发展历程2)RISC体系结构体系结构3)ARM体系结构技术特征体系结构技术特征 4l19851985年年4

2、4月月2626日，第一个日，第一个ARMARM原型在英国剑桥原型在英国剑桥的的AcornAcorn计算机有限公司诞生，由美国加州计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSISan Jose VLSI技术公司制造。技术公司制造。l2020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的的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。台式机产品，形成英国的计算机教育基础。l19901990年成立了年成立了Advanced RISC Machines Advanced RISC Machines LimitedLimited。lARMARM即即Advan

3、ced RISC MachinesAdvanced RISC Machines的缩写。的缩写。1)ARM发展历程51)ARM发展历程19911991年年 ARMARM推出第一款推出第一款RISCRISC嵌入式微处理器核嵌入式微处理器核ARM6ARM619931993年年 ARMARM推出推出ARM7ARM7核核19951995年年 ARMARM的的ThumbThumb扩展指令集结构为扩展指令集结构为1616位系统增位系统增加了加了3232位的性能位的性能, ,提供业界领先的代码密度提供业界领先的代码密度19951995年年 StrongARMStrongARM 问世，应用于问世，应用于PDAP

4、DA。19971997年年 第二代第二代StrongARMStrongARM 问世，称为问世，称为XscaleXscale19971997年年 ARM9ARM9产生，其性能是产生，其性能是ARM7ARM7的两倍的两倍20002000年年 ARM10TDMIARM10TDMI产生，为产生，为ARMARM中的高端产品中的高端产品 20032003年年 ARM11ARM11，ARMARM中性能最强的一个系列中性能最强的一个系列620062006年年 Cortex ARM Cortex ARM产生产生 ARM Cortex A ARM Cortex A （应用内核）（应用内核） ARM Cortex

5、R ARM Cortex R （实时内核）（实时内核） ARM Cortex M ARM Cortex M （微控制器（微控制器ARMARM公司是知识产权供应商，是设计公司公司是知识产权供应商，是设计公司, ,专注于专注于设计设计, ,由合作伙伴来生产由合作伙伴来生产, ,全世界范围有超过全世界范围有超过100100个个合作伙伴合作伙伴-包括半导体工业的著名公司。包括半导体工业的著名公司。ARMARM处理器内核耗电少、成本低、功能强，特有处理器内核耗电少、成本低、功能强，特有16/3216/32位双指令集，已成为移动通信、手持计算、位双指令集，已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解

6、决方案的多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISCRISC标准。标准。1)ARM发展历程72)RISC体系结构体系结构CISC（Complex Instruction Set Computer)复杂复杂指令集计算机，指令集计算机， 20世纪世纪70年代在小型计算机上发展起来的一种计算机体年代在小型计算机上发展起来的一种计算机体系结构系结构指令复杂，开发成本高，指令复杂，开发成本高， Intel80386 耗资耗资1.5亿，耗时亿，耗时3年年 IBM FS高速机耗资数亿美元未成功高速机耗资数亿美元未成功指令长度不等，大量微码指令长度不等，大量微码 IBM370，208种指令、长度种指令、长度16位

7、位48位，微程序位，微程序420K DEC VAX-11/780，303种指令、长度种指令、长度16位位456位、微位、微程序程序480K82)RISC体系结构体系结构不利于不利于VLSI实现。大量复杂指令，指令长度不等实现。大量复杂指令，指令长度不等统计发现，统计发现，20%的简单指令（取数、运算、转移的简单指令（取数、运算、转移等）占等）占CPU动态执行时间的动态执行时间的80%90%；80%的的复杂指令只占复杂指令只占CPU动态执行时间的动态执行时间的20%。花那么。花那么大的代价设计和实现的复杂指令很少用到，大的代价设计和实现的复杂指令很少用到，使用使用复杂指令值得吗复杂指令值得吗？9

8、2)RISC体系结构体系结构RISC（ Reduced Instruction Set Computer )精简指令集计算机精简指令集计算机1980年，年，Patterson,Ditzel的论文精简指令集计的论文精简指令集计算机提出了算机提出了RISC的设计思想：精简指令集的复的设计思想：精简指令集的复杂度，简化指令实现的硬件设计，硬件只执行使杂度，简化指令实现的硬件设计，硬件只执行使用频度最高的那部分简单指令，大部分复杂的操用频度最高的那部分简单指令，大部分复杂的操作则由简单指令的组合完成。作则由简单指令的组合完成。伯克利分校很快据此设计出了伯克利分校很快据此设计出了RISC原型机原型机RI

9、SCI与与RISCIIARM是第一个采用是第一个采用RISC结构的商用微处理器结构的商用微处理器102)RISC体系结构体系结构RISC与与CISC比较比较RISC指令格式和长度固定，类型少，功能简单、指令格式和长度固定，类型少，功能简单、寻址简单方式少；寻址简单方式少；CISC指令长度不等、类型多、指令长度不等、类型多、功能复杂。功能复杂。RISC使用硬连线指令译码逻辑，易于流水线实现使用硬连线指令译码逻辑，易于流水线实现；CISC采用微码采用微码ROM译码。译码。RISC大多数指令单周期完成；大多数指令单周期完成；CISC指令多为多指令多为多周期完成。周期完成。RISC除除Load/Sto

10、re指令外，所有指令只对寄存器指令外，所有指令只对寄存器操作；大多数操作；大多数CISC指令皆可对主存及寄存器器操指令皆可对主存及寄存器器操作。作。112)RISC体系结构体系结构RICS的不足的不足RISC代码密度没有代码密度没有CISC高，高，CISC中的一条指令中的一条指令在在RISC中有时要用一段子程序来实现。中有时要用一段子程序来实现。RISC不能执行不能执行x86代码代码RISC给优化编译程序带来了困难给优化编译程序带来了困难123)ARM体系结构技术特征体系结构技术特征ARM的体系结构采用了若干的体系结构采用了若干Berkeley（伯克利）伯克利）RISC处理器设计中的特征处理器

11、设计中的特征 Load/store体系结构体系结构固定的固定的32位指令位指令3地址指令格式地址指令格式 放弃了其它若干放弃了其它若干Berkeley RISC特征特征寄存器窗口寄存器窗口-ARM用少量的影子寄存器取代其用少量的影子寄存器取代其延迟转移延迟转移-ARM未采用未采用 Berkeley RISC所有的指令单周期执行所有的指令单周期执行ARM不强求，有多周期指令不强求，有多周期指令 13第2章 ARM体系结构 ARM发展历程与技术特征发展历程与技术特征 ARM体系结构版本概述体系结构版本概述ARM处理器核工作模式处理器核工作模式ARM处理器核工作状态处理器核工作状态 ARM核的内部寄

12、存器核的内部寄存器ARM核的异常中断核的异常中断 ARM协处理器协处理器ARM核流水线核流水线 ARM核概述核概述142.ARM体系结构版本概述1)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本2)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种151)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本ARMV1 V1具有具有26位寻址空间，包括下列指令：位寻址空间，包括下列指令：基本数据处理指令基本数据处理指令(不包括乘法指令）；不包括乘法指令）；基于字节，字和多字的存储器访问操作指令（基于字节，字和多字的存储器访问操作指令（Load/Store）；）；包括子程序调用指令包括子程序调用指令BL在内的跳转指令；

13、在内的跳转指令；完成系统调用的软件中断指令完成系统调用的软件中断指令SWI。ARM1 核中使用核中使用161)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本ARMV2V2对对1进行了扩展，但寻址空间仍只进行了扩展，但寻址空间仍只26位，增加位，增加了下列指令了下列指令 ：乘和乘加指令；乘和乘加指令；支持协处理器的指令；支持协处理器的指令；对于对于FIQ模式，提供了额外的影子寄存器；模式，提供了额外的影子寄存器；SWP指令及指令及SWPB指令指令(存储器与寄存器交换存储器与寄存器交换指令）指令）。V2仅在仅在ARM2(V2)与与ARM3（V2a)使用，使用，171)ARM体系结构的基本版本体系结构的

14、基本版本 ARMV3V3地址（寻址）空间扩展到了地址（寻址）空间扩展到了32位，除了位，除了v3G外外，均向前兼容，支持，均向前兼容，支持26位地址空间，具如下特点位地址空间，具如下特点：增加了当前程序状态寄存器增加了当前程序状态寄存器CPSR（Current Program Status Register）与备份状态寄存与备份状态寄存器器SPSR（Saved Program Status Register），CPSR用于保存程序状信息（之前程序状用于保存程序状信息（之前程序状态信息保存在态信息保存在R15中），中），SPSR用于在程序异常用于在程序异常中断时保存中断时保存CPSR的内容；的内

15、容；增加了增加了MRS和和MSR指令用于完成对指令用于完成对CPSR和和SPSR寄存器的读写。寄存器的读写。181)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本增加了异常中止和未定义两种处理器模增加了异常中止和未定义两种处理器模式；式；修改了原来的从异常中断返回的指令。修改了原来的从异常中断返回的指令。 V3在在ARM6、ARM600、ARM610、ARM7、ARM700及及ARM710核中使用核中使用191)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本 ARMV4 V4（在在V3基础上）增加了下列指令：基础上）增加了下列指令：有符号、无符号的半字和有符号字节的有符号、无符号的半字和有符号字节的l

16、oad和和store指令。指令。T变种，变种，16位的位的Thumb指令集。指令集。V4增加了系统模式，在该模式下，使用的是用增加了系统模式，在该模式下，使用的是用户模式下的寄存器。户模式下的寄存器。 V4在在ARM7TDMI、ARM710T、ARM720T、ARM740T，StrongARM、ARM8与与ARM810 使用使用201)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本ARMV5 V5主要由两个变型版本主要由两个变型版本5T、5TE组成，与组成，与V4相比，指令相比，指令集有了如下的变化：集有了如下的变化： 提高了提高了T变种中变种中ARM/Thumb混合使用的效率。混合使用的效率。

17、增加前导零记数（增加前导零记数（CLZ）指令，该指令可使整数除法指令，该指令可使整数除法和中断优先级排队操作更为有效；和中断优先级排队操作更为有效； 增加了增加了BKPT（软件断点）指令；软件断点）指令； 为协处理器设计提供了更多的可供选择的指令；为协处理器设计提供了更多的可供选择的指令； 对乘法指令如何设置标志进行了严格的定义对乘法指令如何设置标志进行了严格的定义V5在在ARM9E-S、ARM10TDMI、ARM1020E 中使用中使用211)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本ARMV6 V6在在V5上增加了以下功能：上增加了以下功能：Thumb-2增强代码密度增强代码密度SIMD增

18、强媒体和数字处理功能增强媒体和数字处理功能TrustZone提供增强的安全性能提供增强的安全性能IEM提供增强的功耗管理功能。提供增强的功耗管理功能。V6在在ARM11，ARM1156T-S、ARM115T2F-S、ARM1176JZ-S及及ARM11JZF-S 中使用中使用221)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本ARMV7V7相较以前版本，增加了以下特征：相较以前版本，增加了以下特征： 扩展了扩展了Thumb指令集，更名为指令集，更名为Thumb-2。Thumb-2有有130条指令，长度不完全是条指令，长度不完全是16位，有部份为位，有部份为32位；位； NEON媒体引擎，该引擎具

19、有分离的单指令多数据（媒体引擎，该引擎具有分离的单指令多数据（SIMD）执行流水线和寄存器堆，可共享访问）执行流水线和寄存器堆，可共享访问L1和和L2高速缓存，因此提供了灵活的媒体加速功能并且简化高速缓存，因此提供了灵活的媒体加速功能并且简化了系统带宽设计；了系统带宽设计； TrustZone技术，可以对电子支付和数字版权管理之技术，可以对电子支付和数字版权管理之类的应用业务提供可靠的安全措施类的应用业务提供可靠的安全措施 V7定义了定义了3种不同的微处理器系列种不同的微处理器系列231)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本V7定义了定义了3种不同的微处理器系列种不同的微处理器系列Cor

20、tex A8, Cortex A9：支持面向应用的：支持面向应用的微处理器核，支持复杂操系统和用户应用微处理器核，支持复杂操系统和用户应用Cortex R4, Cortex R4F：深度嵌入的微处：深度嵌入的微处理器核，针对实时处理应用理器核，针对实时处理应用Cortex M0, Cortex M1, Cortex M3：微控：微控制核，针对成本敏感的嵌入式控制应用制核，针对成本敏感的嵌入式控制应用241)ARM体系结构的基本版本体系结构的基本版本ARMV725ARM版本汇总版本汇总处理器核处理器核体系结构版本体系结构版本 ARM1V1ARM2V2ARM2aS，ARM3V2aARM6，ARM6

21、00，ARM610V3ARM7，ARM700，ARM710V3ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740TV4TStrong ARM，ARM8，ARM810V4ARM9TDMI，ARM920T，ARM940TV4TARM9E-S, Intel XScaleV5TEARM10TDMI，ARM1020EV5TEARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S，ARM11JZF-SV6ARMCortex A8, ARM Cortex R4, ARM Cortex M3V7262)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种ARM处理器是典型的处理

22、器是典型的SOC，其处理器核的版，其处理器核的版本号用体系结构版本号标记，但本号用体系结构版本号标记，但ARM处理器处理器核的具体功能要求往往会与某一个标准核的具体功能要求往往会与某一个标准ARM体系结构版本不完全一至，会在其上添加或体系结构版本不完全一至，会在其上添加或减少一些功能，如何解决？减少一些功能，如何解决？在基本版本后增加后缀，称变量在基本版本后增加后缀，称变量/变种，增加变种，增加的功能通过变量的功能通过变量/变种来体现变种来体现272)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种T变量（变量（Thumb指令集）指令集） Thumb指令集是把指令集是把32位的位的ARM指令集的一个

23、子指令集的一个子集重新编码后形成的具有更高密度的集重新编码后形成的具有更高密度的16位指令位指令集。集。 V4后始有后始有T变种，即变种，即V4T， V5TV5T进一步改进：进一步改进：增加新指令增加新指令/修改旧指令提高修改旧指令提高ARM和和Thumb混混合使用效率合使用效率增加软件断点指令（增加软件断点指令（BKPT），），更严格定义更严格定义Thumb对条件标志的影响对条件标志的影响282)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种Thumb技术产生的背景技术产生的背景ARM7TDMI前，基于前，基于CISC的的8位、位、16位处理器不位处理器不能满足能满足移动电话移动电话、磁盘驱动器

24、、调制解调器等不、磁盘驱动器、调制解调器等不断出现的新需求。基于断出现的新需求。基于CISC的的32核太复杂，在体核太复杂，在体积、功耗及成本等方面不能满足要求；积、功耗及成本等方面不能满足要求；RISC32位核处理能力虽能满足要求，但代码密位核处理能力虽能满足要求，但代码密度低，需较大存储空间。度低，需较大存储空间。因需要一种处理性能强、代码密度高的处理器，因需要一种处理性能强、代码密度高的处理器，于是产生了于是产生了Thumb.292)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种 Thumb技术的特点技术的特点Thumb指令是指令是ARM指令的一个子集，它从标准指令的一个子集，它从标准32位

25、位ARM指令集中抽出指令集中抽出36条指令格式，重新编成条指令格式，重新编成16位的操作码（便于存储）；运行时，位的操作码（便于存储）；运行时，16位的位的Thumb指令又由处理器解压成指令又由处理器解压成32位的位的ARM指令，指令，在在ARM环境下执行。因此，环境下执行。因此，Thumb技术具有：技术具有：比比16位处理器更高的处理性能（运行在位处理器更高的处理性能（运行在ARM环境环境:地址空间、寄存器、移位器、算术逻辑单元、存地址空间、寄存器、移位器、算术逻辑单元、存储器接口宽度等都是储器接口宽度等都是32位）位）302)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种 Thumb技术的特点

26、（续）技术的特点（续）比比32位处理器更高的代码密度位处理器更高的代码密度 ，同样的程序运行，同样的程序运行在在Thumb状态下时其代码尺寸仅为状态下时其代码尺寸仅为ARM状态下状态下的的60%70%Thumb技术始于技术始于ARM7TDMI（V4T），），支持支持Thumb的核仅仅是的核仅仅是ARM体系结构的一种扩展，体系结构的一种扩展，所以编译器既可以编译所以编译器既可以编译Thumb代码，又可以编译代码，又可以编译ARM代码代码 Thumb状态与状态与ARM状态之间可方便地进行切换状态之间可方便地进行切换，切换时不需付任何代价（包括时间等）。，切换时不需付任何代价（包括时间等）。312)

27、ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种Thumb技术的局限技术的局限完成相同的操作，完成相同的操作，Thumb指令通常需要更指令通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的场合刻的场合ARM指令集更为适合；指令集更为适合；Thumb指令集没有包含进行异常处理所需指令集没有包含进行异常处理所需的一些指令，因此在异常中断时需要使用的一些指令，因此在异常中断时需要使用ARM指令，这种限制决定了指令，这种限制决定了Thumb指令需指令需要和要和ARM指令配合使用。指令配合使用。 322)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种Thumb-2指令集。指令集

28、。在在Thumb指令基础增加了指令基础增加了12条新指令，以在改进条新指令，以在改进代码性能和代码密度之间达到平衡代码性能和代码密度之间达到平衡一种新的混合型指令集，兼有一种新的混合型指令集，兼有16位及位及32位指令位指令 可以实现可以实现ARM指令的所有功能指令的所有功能代码性能达到纯代码性能达到纯ARM代码性能的代码性能的98%代码的大小仅有代码的大小仅有ARM代码的代码的74% 332)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种M变量（长乘指令）变量（长乘指令）长乘指令是一种生成长乘指令是一种生成64位相乘结果的乘法指令（此指令为位相乘结果的乘法指令（此指令为ARM指令），指令），M变

29、种增加了两条长乘指令变种增加了两条长乘指令 32位整数乘位整数乘32整数产生整数产生64位整数位整数 32位整数乘位整数乘32整数加整数加32位整数产生位整数产生64位整数位整数V3始引进始引进M变种，现已为标准部分变种，现已为标准部分E变量（增强型变量（增强型DSP指令）指令） E变种增加了一些附加指令，用于典型变种增加了一些附加指令，用于典型DSP算法的处理，算法的处理，主要包括：主要包括： 16位数据乘法和乘加操作指令位数据乘法和乘加操作指令342)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种实现饱和有符号数加减法操作指令实现饱和有符号数加减法操作指令Cache预取指令预取指令PLDE变种

30、始用于变种始用于V5T，V5前及非前及非M、非非T版本中版本中E无无效效J变量（变量（ Java指令、指令、Jazelle技术）技术） ARM的的Jazelle技术提供的技术提供的Java加速器运行加速器运行Java代码比代码比JavaVM快快8倍，功耗降倍，功耗降80% Jazelle技术可在单处理器上同时运行技术可在单处理器上同时运行ARM和和Java指令，取代原需要双处理器或协助处理器指令，取代原需要双处理器或协助处理器的场合。的场合。352)ARM体系结构版本的变种体系结构版本的变种SIMD变量（变量（ARM媒体功能扩展）媒体功能扩展） SIMD指令针对音视频处理设计，为下一代的指令针

31、对音视频处理设计，为下一代的Internet应用产品、移动电话和应用产品、移动电话和PDA等需要流式媒等需要流式媒体处理的终端设备提供解决方案。体处理的终端设备提供解决方案。 使处理器的音视频性能提高使处理器的音视频性能提高24倍倍可同时进行可同时进行2个个16位操作数或者位操作数或者4个个8位操作数的运算位操作数的运算用户可自定义饱和运算的模式用户可自定义饱和运算的模式可进行可进行2个个16位操作数的乘加位操作数的乘加/乘减运算及乘减运算及32位乘以位乘以32位位的小数运算的小数运算36ARM体系结构版本变种汇总体系结构版本变种汇总后缀变量后缀变量功能说明功能说明TThumb指令集，指令集，

32、Thumb指令的长度为指令的长度为16位。目前位。目前Thumb有两有两个版本。个版本。Thumb1用于用于ARM4的的T变种，变种，Thumb2用于用于ARM5以上的以上的T变种。变种。D含含JTAG调试器，支持片上调试。调试器，支持片上调试。M提供用于进行长乘法操作的提供用于进行长乘法操作的ARM指令，产生全指令，产生全64位结果。位结果。I嵌入式跟踪宏单元（嵌入式跟踪宏单元（EmbeddedICE macrocell）硬件部件，提）硬件部件，提供片上断点和调试点支持。供片上断点和调试点支持。E增强型增强型DSP指令，增加了几条指令，增加了几条16位乘法和加法指令，加减法指位乘法和加法指令

33、，加减法指令可以完成饱和带符号算术运算。令可以完成饱和带符号算术运算。JJAVA加速器加速器Jazelle，与普通的，与普通的JAVA虚拟机相比较，虚拟机相比较，Jazelle使使Java代码运行速度提高了代码运行速度提高了8倍，而功耗降低了倍，而功耗降低了80%。F向量浮点单元向量浮点单元S可综合版本，以源代码形式提供的，可以被可综合版本，以源代码形式提供的，可以被EDA工具使用。工具使用。37第2章 ARM体系结构 ARM发展历程与技术特征发展历程与技术特征 ARM体系结构版本概述体系结构版本概述ARM处理器核工作模式处理器核工作模式ARM处理器核工作状态处理器核工作状态 ARM核的内部寄

34、存器核的内部寄存器ARM核的异常中断核的异常中断 ARM协处理器协处理器ARM核流水线核流水线 ARM核概述核概述383 ARM核概述核概述目前在用的目前在用的ARM处理器系列主要有处理器系列主要有6个个ARM7ARM9ARM10EARM11SecurCore Cortex 39ARM核命名规则核命名规则命名规则的字符串表达式如下：命名规则的字符串表达式如下：ARMxyzTDMIEJF-S其中花括号的内容表示可有可无。前三个参数含义其中花括号的内容表示可有可无。前三个参数含义在下面说明：在下面说明：x表示系列号，例如：表示系列号，例如：ARM7，ARM9，ARM10y表示内部存储管理和保护单元

35、，例如：表示内部存储管理和保护单元，例如：ARM72，ARM92z表示含有高速缓存（表示含有高速缓存（Cache），例如：），例如：ARM720，ARM940其余体系结构版本变量已经在前面幻灯片给出。其余体系结构版本变量已经在前面幻灯片给出。40说明：说明：在在ARM7TDMI之后出产的所有之后出产的所有ARM内核名称，内核名称，即使即使“ARM”字串后面没有包含字串后面没有包含“TDMI”字符串字符串，也都默认包含了该字串。，也都默认包含了该字串。对于对于2005年以后年以后ARM公司投入市场的公司投入市场的ARMv7体体系结构的处理器核，使用字符串系结构的处理器核，使用字符串“ARM Co

36、rtex”打头，随后附加一个字母后缀打头，随后附加一个字母后缀“-A”，“-R”或者或者“-M”，表示该处理器核适合应用的领域；，表示该处理器核适合应用的领域；其中：后缀其中：后缀A表示应用（表示应用（Application）、）、 R表示表示实时控制（实时控制（Real time）、）、M表示微控制器（表示微控制器（Micro Controller）。）。ARM核命名规则（续）核命名规则（续）41ARM7系列核系列核ARM7系列微处理器核包括系列微处理器核包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ几种类型。几种类型。（1）ARM7TMDI目前使用最广泛的目前使用

37、最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理器核，主频最高处理器核，主频最高可达可达130MIPS，采用能够提供，采用能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水的三级流水线结构，内嵌硬件乘法器（线结构，内嵌硬件乘法器（Multiplier），支持），支持16位位Thumb指令集，嵌入式指令集，嵌入式ICE，支持片上，支持片上Debug，支持片，支持片上断点和调试点。指令系统与上断点和调试点。指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列系列和和ARM10E系列兼容系列兼容提供了存储器接口、提供了存储器接口、MMU接口、协处理器接口和调试接接口、协处理器接口和调试接口，以及时钟与总线等控制信号口，以及时

38、钟与总线等控制信号可以可以ARM7TDMI-S软核（软核（Softcore）形式向用户提供，）形式向用户提供，同时提供多种组合选择，例如可以省去嵌入式同时提供多种组合选择，例如可以省去嵌入式ICE单元等单元等42ARM7系列核系列核（2）ARM720TARM720T处理器内核是在处理器内核是在ARM7TDMI处理器内核基础处理器内核基础上，增加上，增加8KB的数据与指令的数据与指令Cache、存储管理单元、存储管理单元MMU（Memory Management Unit）、写缓冲器及）、写缓冲器及AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）接口

39、而构成。）接口而构成。（3）ARM740TARM740T处理器内核与处理器内核与ARM720T处理器内核相处理器内核相比，结构基本相同，但比，结构基本相同，但ARM740T处理器核没有存处理器核没有存储器管理单元储器管理单元MMU，不支持虚拟存储器寻址，而，不支持虚拟存储器寻址，而是用存储器保护单元来提供基本保护和是用存储器保护单元来提供基本保护和Cache的的控制，合适低价格、低功耗的嵌入式应用。控制，合适低价格、低功耗的嵌入式应用。43ARM7系列核系列核（4）ARM7EJ是是Jazelle和和DSP指令集的最小及最低功耗的指令集的最小及最低功耗的实现。实现。基于基于ARM7TDMI核的典

40、型嵌入式处理器核的典型嵌入式处理器S3C44B0X，三星公司生产，三星公司生产SEP3203，东南大学集成电路研究所，东南大学集成电路研究所AT91SAM7，Atmel公司公司LPC2114，飞利浦公司，飞利浦公司44ARM9系列核系列核ARM9系列微处理器核包含系列微处理器核包含ARM920T、ARM922T和和ARM940T几种类型。主要应用于无线通信设备几种类型。主要应用于无线通信设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等，具有下列特点：字照相机和数字摄像机等，具有下列特点：提供提供1.1MIPS/MHz的的5级整数

41、流水线级整数流水线哈佛结构哈佛结构支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的指令和数据处，具有更高的指令和数据处理能力。理能力。 支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。45（1）ARM920T在在ARM9TDMI处理器内核基础上，增加了分离的处理器内核基础上，增加了分离的指令指令Cache和数据和数据Cache，并带有相应的存储器，并带有相应的存储器管理单元管理单元I-MMU和和D-MMU、写缓冲器及、写缓冲器及AMBA接接口等。口等。（2）ARM940T采用了采用了ARM9TDMI处理

42、器内核，是处理器内核，是ARM920T处处理器核的简化版本，没有存储器管理单元理器核的简化版本，没有存储器管理单元MMU，不支持虚拟存储器寻址，而是用存储器保护单元不支持虚拟存储器寻址，而是用存储器保护单元来提供存储保护和来提供存储保护和Cache控制控制46ARM9系列核系列核ARM940T rev2嵌入式RTOS核ARM922T rev1开放平台处理器核ARM920T rev1开放平台处理器核MMU双8KB Cache嵌入式ICEETM9接口ARMV4TARM9核Thumb扩充ASB接口MMU双8KB Cache嵌入式ICEETM9接口ARMV4TARM9核Thumb扩充AHB接口保护单元

43、双4KB Cache嵌入式ICEETM9接口ARMV4TARM9核Thumb扩充ASB接口47ARM9E系列核系列核ARM9E系列微处理器核包含系列微处理器核包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和和ARM966E-S几种类型，使用单一的处几种类型，使用单一的处理器内核提供了微控制器、理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解应用系统的解决方案。决方案。ARM9E系列微处理器核提供了增强的系列微处理器核提供了增强的DSP处理能力，处理能力，适合于那些需要同时使用适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合和微控制器的应用场合ARM9E系列微处理器核采用系列微处理器核采用5级

44、整数流水线，支持级整数流水线，支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集，支持指令集，支持32位的高速位的高速AMBA总线接口，支持总线接口，支持VFP9浮点处理协处理器，浮点处理协处理器，MMU支持多种主流嵌入式操作系统，支持多种主流嵌入式操作系统，MPU支持实时操作系支持实时操作系统，支持数据统，支持数据Cache和指令和指令Cache，主频最高可达，主频最高可达300MIPS48ARM9E系列核系列核TCM接口嵌入式ICE-RTETM9接口DSP扩充ARMV5TEARM9E核Thumb扩充AHB接口TCM接口嵌入式ICE-RTETM9接口DSP扩充ARMV5TEARM9E

45、核Thumb扩充AHB接口灵活的Cache保护单元Jazelle扩充嵌入式ICE-RTETM9接口DSP扩充ARMV5TEJARM9E核Thumb扩充双AHB接口TCM接口MMU灵活的CacheARM966E_S rev2可综合嵌入式核ARM946E_S rev1可综合嵌入式RTOS核ARM926EJ_S rev0Jazelle使能可综合开放平台OS处理器49ARM10系列核系列核ARM10E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和和ARM1026EJ-S几种类型，由于采用几种类型，由于采用了新的体系结构，与同等的了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在器件相

46、比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近同样的时钟频率下，性能提高了近50，同时采用，同时采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 ARM10E系列微处理器支持系列微处理器支持DSP指令集，适合于需指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。要高速数字信号处理的场合。 采用采用6级整数流水线级整数流水线，支持，支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集，支指令集，支持持32位的高速位的高速AMBA总线接口，支持总线接口，支持VFP10浮点处浮点处理协处理器，理协处理器，MMU支持支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式

47、操作系统，支持数据等多种主流嵌入式操作系统，支持数据Cache和指令和指令Cache，内嵌并行读，内嵌并行读/写操作部件，写操作部件，主频最高可达主频最高可达400MIPS。 50ARM10系列核系列核ARM1022E rev0高性能处理器核ARM1020E rev1高性能处理器核双64位AHBThumb扩充ARM10E核ARMV5TEDSP扩充ETM10接口嵌入式ICE-RT双32KB CacheMMU双64位AHBThumb扩充ARM10E核ARMV5TEDSP扩充ETM10接口嵌入式ICE-RT双16KB CacheMMU51SecurCore SC100系列核系列核SecurCore系

48、列微处理器包含系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和和SecurCore SC210几种类型，提供了完善的几种类型，提供了完善的32位位RISC技术的安全解决方案。技术的安全解决方案。SecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARM体系结构体系结构的各种主要特点外，在系统安全方面，的各种主要特点外，在系统安全方面， 带有灵活带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。另外，采用软内核技术，以防止外部对其进行。另外，采用软内核技术，以防止外部对其进行扫描探测

49、。扫描探测。 SecurCore系列微处理器主要应用于如电子商务系列微处理器主要应用于如电子商务、电子政务、电子银行、网络和认证系统等一些、电子政务、电子银行、网络和认证系统等一些对安全性要求较高的场合。对安全性要求较高的场合。52ARM11系列核系列核ARM11系列微处理器是系列微处理器是ARM公司近年推出的新一公司近年推出的新一代代RISC处理器，采用新指令架构处理器，采用新指令架构ARMv6，有，有ARM1136J，ARM1156T2和和ARM1176JZ三个内核三个内核型号，分别针对不同应用领域，具有以下特点：型号，分别针对不同应用领域，具有以下特点：主频：主频：350-500MHz工

50、艺：工艺：0.13微米微米功耗：功耗：0.4mW/Mhz电压：电压：1.2V8级标量流水线级标量流水线64位数据通路位数据通路53ARM Cortex核系列核核系列核目前已经有了四个目前已经有了四个ARM Cortex内核内核Cortex-A8、Cortex-M4、Cortex-R4和和Cortex-R4F 特点：特点：先进先进3级流水线、哈佛结构、级流水线、哈佛结构、ARMv7指令集、灵活指令集、灵活的可配置功能（可以在整合阶段对的可配置功能（可以在整合阶段对Cache、TCM和和MPU进行配置）、分支预测、单周期乘法、硬件除进行配置）、分支预测、单周期乘法、硬件除法器、峰值运算速度达到法器

51、、峰值运算速度达到1.25DMPIS/MHZ（Dhrystone测试基准）、新的测试基准）、新的Thumb-2指令集。指令集。54系列系列相应产品相应产品性能特点性能特点ARM7ARM7系列系列ARM7TDMI，ARM7TDMI-S，ARM720T，ARM7EJ三级流水三级流水性能：性能：0.9MIPS/MHz, 可达到可达到130MIPs (Dhrystone2.1) ARM9ARM9系列系列ARM920T， ARM922T 五级流水，五级流水，性能：性能：1.1MIPS/MHz，可达，可达300 MIPS (Dhrystone 2.1)，单，单32-bit AMBA bus接口，支持接口，

52、支持MMU ARM9EARM9E系列系列ARM926EJ-S, RM946E-S, ARM966E-S, ARM968E-S,ARM996HS ，Intel XScale五级流水五级流水，支持，支持DSP指令。指令。性性能：能：1.1MIPS/MHz，可达，可达300 MIPS (Dhrystone 2.1)，高性能，高性能AHB, 软核软核（soft IP） ARM10ARM10系列系列ARM1020E, ARM1022EARM1026EJ-S 6级流水支持分支预测（级流水支持分支预测（branch prediction），支持），支持DSP指令。指令。性能：性能：1.35 MIPS/MHz

53、，可达，可达430+ Dhrystone 2.1 MIPS，可选支可选支持高性能浮点操作持高性能浮点操作，双双64位总线接口位总线接口，内部内部64位数据通路位数据通路 55系列系列相应产品相应产品性能特点性能特点ARM11 ARM11 系列系列ARM11MPCore,ARM1136J(F)-S, ARM1156T2(F)-S,ARM1176JZ(F)-S 8级流水线级流水线(9级级ARM1156T2(F)-S)，独立的，独立的load-store和和arithmetic流水线，支持分支预测和返回流水线，支持分支预测和返回栈（栈（Return Stack）。强大的）。强大的ARMv6 指令集，

54、指令集，支持支持DSP， SIMD (Single Instruction Multiple Data) 扩展，扩展，支持支持ARM TrustZone 、Thumb-2核心技术。核心技术。740 Dhrystone 2.1 MIPS，低功耗，低功耗0.6mW/MHz (0.13m, 1.2V) CortexCortex系列系列Cortex-A8, Cortex-M3,Cortex-R4 Cortex-A系列系列: 面向用于复杂面向用于复杂OS和应用的应用处和应用的应用处理器（理器（applications processors），支持），支持ARM, Thumb and Thumb-2指令集

55、。指令集。Cortex-R系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处理器，支持处理器，支持ARM, Thumb,和和Thumb-2 指令集。指令集。Cortex-M系列：系列：面向深嵌入式价格敏感的嵌入面向深嵌入式价格敏感的嵌入式处理器式处理器， 只支持只支持Thumb-2指令集指令集 SecurCoreSecurCore 系列系列SecurCore SC100，SecurCore SC200 用于用于Smart Card和和Secure IC的的32-bit解决方案。解决方案。支持支持ARM和和Thumb 指令集，软核。指令集，软核。具有安全特征和低成本安全存储保护单

56、元具有安全特征和低成本安全存储保护单元 56第2章 ARM体系结构 ARM发展历程与技术特征发展历程与技术特征 ARM体系结构版本概述体系结构版本概述ARM处理器核工作模式处理器核工作模式ARM处理器核工作状态处理器核工作状态 ARM核的内部寄存器核的内部寄存器ARM核的异常中断核的异常中断 ARM协处理器协处理器ARM核流水线核流水线 ARM核概述核概述574. ARM处理器工作状态处理器工作状态 具有具有T变种（变种（V4T、V5T）的的ARM处理器核可以工处理器核可以工作在以下作在以下2种状态：种状态： ARM状态状态ARM状态下指令长度为状态下指令长度为32位，位，ARM指令，字对准指

57、令，字对准Thumb状态状态Thumb状态下长度为状态下长度为16位，位， Thumb指令，半字对准。指令，半字对准。ARM处理器可以在处理器可以在ARM和和Thumb两种状态之间进两种状态之间进行切换行切换 ，状态的切换不影响处理器的模式或寄存器，状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容的内容584. ARM处理器工作状态处理器工作状态 ARM处理器如何在两种工作状态之间进行切处理器如何在两种工作状态之间进行切换？换？进入进入Thumb状态状态执行执行BX Rm指令进入指令进入Thumb状态状态。当操作。当操作数寄存器数寄存器Rm的的bit0为为1时，执行该指令时，执行该指令进入进入Thu

58、mb状态。状态。异常处理返回时，自动切换到异常处理返回时，自动切换到Thumb状态状态(若在若在Thumb状态进入异常状态进入异常)594. ARM处理器工作状态处理器工作状态进入进入ARM状态状态执行执行BX Rm指令进入指令进入ARM状态状态。当操作数寄存。当操作数寄存器器Rm的的bit0为为0时，执行该指令进入时，执行该指令进入ARM状状态。态。进行异常处理时进入进行异常处理时进入ARM状态。状态。处理器进行异常处理器进行异常处理时处理时，把把PC放入异常模式链接寄存器放入异常模式链接寄存器LR中，中，将异常向量地址装入将异常向量地址装入PC，进入进入ARM状态进行异状态进行异常处理。常

59、处理。ARM处理器启动时处于什么状态？处理器启动时处于什么状态？ARM处理器启动时，只能处于处理器启动时，只能处于ARM状态状态60第2章 ARM体系结构 ARM发展历程与技术特征发展历程与技术特征 ARM体系结构版本概述体系结构版本概述ARM处理器核工作模式处理器核工作模式ARM处理器核工作状态处理器核工作状态 ARM核的内部寄存器核的内部寄存器ARM核的异常中断核的异常中断 ARM协处理器协处理器ARM核流水线核流水线 ARM核概述核概述615. ARM5. ARM处理器工作模式处理器工作模式 ARM支持支持7种工作模式，由种工作模式，由CPSR的低的低5位决定。位决定。处理器模式处理器模

60、式说明说明备注备注 用户用户 (usr)正常程序执行模式正常程序执行模式不能直接切换到其它模式不能直接切换到其它模式 系统系统 (sys)运行操作系统的特权任运行操作系统的特权任务务与用户模式类似，但具有可与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权以直接切换到其它模式等特权 快中断快中断 (fiq)支持高速数据传输及通支持高速数据传输及通道处理道处理FIQ异常响应时进入此模式异常响应时进入此模式 中断中断 (irq)用于通用中断处理用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式异常响应时进入此模式 管理管理 (svc)操作系统保护模式操作系统保护模式系统复位和软件中断响应时系统复位和软件中