嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构

第三讲ARM简介与体系结构南京邮电大学自动化学院1嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第1页!OUTLINE3.1ARM简介3.2RISC体系结构3.3ARM编程模型3.4ARM开发工具基础3.5

本章小结习题2嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第2页!3.1ARM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...3嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第3页!4嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第4页!ARM体系结构ARM处理器为RISC芯片，简单的结构使得：ARM内核非常小器件的功耗非常低具有经典RISC的特点为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了7种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号v1～v7表示v1－v3目前已废弃5嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第5页!ARM处理器核简介ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核如：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等系列ARM6核以及更早的系列已很少见目前应用比较广泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex6嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第6页!ARM系列后缀的含义ARM7TDMI支持高密度16位的Thumb指令集Embeded-ICE,支持片上断点和调试点内嵌硬件乘法器(Multiplier)支持片上调试ARM7EJ支持新的JAVA支持增强型DSP指令集7嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第7页!ARM系列微处理器核特点ARM7ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMI处理器的可综合版本；ARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和JazelleTM技术，能够实现Java加速功能冯诺伊曼体系结构；ARMTDMI是目前应用最广的微处理器核ARM720T带有MMU和8KB的指令数据混合cache；ARM7EJ-执行ARMv5TEJ指令，5级流水线，提供Java加速指令，没有存储器保护。ARM9ARM920T：带有独立的16KB数据和指令Cache；ARM922T：带有独立的8位KB数据和指令Cache；ARM940T–包括更小数据和指令Cache和一个MPU基于ARM9TDMI，带16位的Thumb指令集，增强代码密度最多到35%；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；集成了数据和指令Chche；32位AMBA总线接口的MMU支持；可在0.18µm、0.15µm和0.13µm工艺的硅芯片上实现。ARM系列简介8嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第8页!ARM11ARM11MPCore：可综合的多处理器核，1至4个处理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的数据和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4编码加速功能；ARM1156T2(F)-S：带集成浮点协处理器，带内存保护单元MPU

；ARM1176JZ(F)-S：带针对CPU和系统安全架构扩展的TrustZone技术。增强的Thumb、Jazelle、DSP扩展支持；带片上和系统安全TrustZone技术支持；在0.13µm工艺下最高可达到550MHz；MPCore在0.13µm工艺下最高性能可达到740MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；支持多媒体指令SIMD；采用三种电源模式：全速/待命/休眠集成DMA的TCM低功耗、高性能。SecurCoreSC100：个32位安全处理器；、SC110：在SC100上增加密钥协处理器；SC200：带Jazelle技术的高级安全处理器；SC210：在SC200上增加密钥协处理器SecurCore是专门为智能卡、安全IC提供的32位安全处理器，为电子商务、银行、网络、移动多媒体、公共交通提供安全解决方案；体积小、功耗低，代码压缩密度高；为快速增长的Java卡平台提供Java加速功能；9嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第9页!一、RISC的产生和发展

80—20规律

80%的语句仅用处理机中20%的指令

执行频度高的简单指令，因复杂指令的存在，执行速度无法提高RISC（ReducedInstructionSetComputer）CISC（ComplexInstructionSetComputer）——RISC技术

能否用20%的简单指令组合不常用的80%的指令功能？3.2RISC体系结构的继承10嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第10页!CISC与RISC的数据通道IFIDREGALUMEM开始退出IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道RISC：Load/Store结构CISC：寻址方式复杂11嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第11页!三、ARM内核RISC架构的特别技术

所有的指令可根据前面的执行结果决定是否被执行

可用加载/存储指令批量传输数据

可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理

和移位处理

在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率12嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第12页!四、ARM的流水线技术2.指令的二级流水指令预取若取指

和执行

阶段时间上完全重叠指令周期减半速度提高1倍取指令1执行指令1取指令2执行指令2取指令3执行指令313嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第13页!预取译码执行预取译码执行访存写入预取译码发送执行访存写入ARM7：三级流水ARM9：五级流水ARM10：六级流水14嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第14页!存储格式大端格式字数据的高字节存储在低地址中15嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第15页!冯·诺依曼体系结构（ARM7）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216嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第16页!ARM体系结构支持下表所列的7种处理器模式二、处理器模式17嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第17页!处理器模式说明用户(usr)正常程序执行模式系统(sys)运行操作系统的特权任务快中断(fiq)异常模式中断(irq)管理(svc)中止(abt)未定义(und)18嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第18页!处理器状态切换使用BX指令可以将ARM内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换，如下：;从Arm状态切换到Thumb状态LDRR0,=Lable+1BXR0;从Thumb状态切换到ARM状态LDRR0,=LableBXR0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19嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第19页!通用寄存器未分组寄存器R0～R7所有运行模式下，都指向同一个物理寄存器分组寄存器R8～R14每一次访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关程序计数器R15

ARM状态：位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；Thumb状态：位0为0，位[31:1]用于保存PC；寄存器R16当前程序状态寄存器1、ARM状态下的寄存器组20嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第20页!2、Thumb状态下的寄存器组21嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第21页!1个当前程序状态寄存器(CPSR)5个备份的程序状态寄存器(SPSR,供异常处理使用)备份的状态程序寄存器功能：保存ALU中的当前操作信息控制允许和禁止中断设置处理器的运行模式3、程序状态寄存器22嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第22页!五、异常与中断处理1、ARM支持的异常类型复位未定义指令软件中断中止指令预取中止及数据中止

IRQFIQ23嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第23页!异常向量（ExceptionVectors）地址异常进入模式0x0000,0000复位管理模式0x0000,0004未定义指令未定义模式0x0000,0008软件中断管理模式0x0000,000C中止（预取指令）中止模式0x0000,0010中止（数据）中止模式0x0000,0014保留保留0x0000,0018IRQIRQ0x0000,001CFIQFIQ24嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第24页!3、应用程序中的异常处理在异常向量表中的特定位置放置一条跳转指令，跳转到异常处理程序。4、异常的响应过程

将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR将CPSR复制到相应的SPSR中根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行25嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第25页!ADT嵌入式开发环境ARMDevelopmentTools武汉创维特开发ADTEmulatorforARMADTIDEforARM3.4ARM开发工具基础26嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第26页!ARM应用系统开发工具InCircuitEmulator27嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第27页!JTAG调试接口

边界扫描技术通过边界扫描寄存器单元，实现对芯片输入输出信号的观察和控制边界扫描寄存器对芯片是透明的，正常的运行不会受到任何影响不占用ARM芯片上的任何硬件资源比较方便和容易发现程序中存在的问题28嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第28页!29嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第29页!ARM处理器的应用当前主要应用于消费类电子领域约占32位嵌入式微处理器75％以上的市场份额全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的处理器“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面30嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第30页!31嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第31页!ARM7系列类型：ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJARM9系列类型：ARM920TARM922T

ARM940T例如：ARM7、ARM9系列微处理器32嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第32页!注意：“ARM核”并不是芯片ARM核＋RAM、ROM、片内外设等组合在一起才能构成现实的芯片33嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第33页!ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技术，有MMU，可配置的数据和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的数据和指令Cache及TCM;ARM966E-S：针对要求高性能和低功耗的可预测的指令执行时间的硬实时应用设计ARM968E-S：最小、功耗最小的

ARM9E系列处理器，针对嵌入式实时应用设计；ARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处理器解决方案；ARM

Jazelle

技术提供8倍的Java加速性能(ARM926EJ-S)；5-级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；可选择的

向量浮点单元VFP9协处理器指令优秀海浮点性能，对于3D图形加速和实时控制可达到

215MFLOPS。高性能的AHB总线，带MMU可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现。ARM10EARM1020E：带DSP指令集，在片调试功能，独立的32KB数据和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：与ARM1020E相同，只是独立的数据和指令Cache变为16KB；ARM1026EJ-S：同时具有MPU和MMU，可综合版本；带分支预测的6级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到430MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理器，浮点运算性能最高可达650MFLOPS；双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接口；优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储器的性能；可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现34嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第34页!CortexCortex-A：面向应用的微处理器，针对复杂操作系统和应用程序设计；Cortex-R：针对实时系统的嵌入式处理器；Cortex-M：针对成本敏感应用优化的深度嵌入式处理器；2004年发布，提供增强的媒体和数字处理能力，增加了系统性能；支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集；Thumb-2指令集提供了更高的代码存储密度，进一步降低成本；Intel系列StrongARM：ARMv4体系XScale：ARMv5TE体系，增加MMX指令StrongARM主要应用于手持设备和PDA，5级流水线，具有独立的数据和指令Cache，不支持Thumb指令集，目前已停产；XScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式处理器，分通用处理器、网络处理器和I/O处理器三类。其中通用处理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三个系列，被广泛应用于智能手机、PDA领域。35嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第35页!二、RISC的主要特征

选用使用频率较高的一些简单指令复杂指令的功能由简单指令来组合

指令长度固定

只有LOAD/STORE指令访存

流水技术一个时钟周期

内完成一条指令

组合逻辑

实现控制器

多个

通用寄存器

采用优化

的编译

程序

36嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第36页!类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序CISC与RISC的对比37嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第37页!四、ARM的流水线技术取指令3执行指令31.指令的串行执行取指令取指令部件

完成总有一个部件空闲…执行指令执行指令部件

完成取指令2执行指令2取指令1执行指令138嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第38页!六级流水14个时间单位串行执行6×9=

54时间单位完成一条指令6

个时间单位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t3.指令的六级流水39嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第39页!一、存储数据类型、存储格式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个字节)1112342字对齐、半字对齐3.3ARM编程模型40嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第40页!小端格式字数据的高字节存储在高地址中存储格式41嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第41页!哈佛体系结构（ARM9以后）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42嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第42页!处理器模式说明用户(usr)系统(sys)特权模式快中断(fiq)中断(irq)管理(svc)中止(abt)未定义(und)43嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第43页!三、双指令集与处理器工作状态双指令集16位Thumb指令集：密度高，所占存储空间较小32位的ARM指令集：处理32位数据时性能较高处理器工作状态Thumb状态：执行半字对准的Thumb指令ARM状态：执行字对准的ARM指令－－可以切换，不影响运行模式和寄存器的内容44嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第44页!四、寄存器组31个通用寄存器6个状态寄存器45嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第45页!46嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第46页!两种状态下的寄存器组对应关系47嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第47页!NZCV——IM0M1M2M3M4TF—...313029282726876543210条件代码标志保留控制位溢出标志Overflow进位或借位扩展Carry零Zero负或小于NegativeIRQ禁止InterruptFIQ禁止Fast状态位Thumb模式位ModeNZCVIM0M1M2M3M4TFCPSR寄存器的格式48嵌入式系统及其应用第三讲ARM简介与ARM体系结构共54页，您现在浏览的是第48页!ARM体系结构所支持的异常异常类型具体含义复位（RESET）当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程