第3章 ARM体系架构

第3章ARM体系架构教师：赵艳红:zhao.yanhong@163重点内容：ARM微处置器简介ARM微处置器系列ARM编程模型嵌入式系统的软硬件框架Edukit-III实验教学系统一、ARM微处置器简介ARM微处置器的开展ARM可以以为是一个公司的名字，也可以以为是对一类微处置器的通称，还可以以为是一种技术的名字，全名是AdvancedRISCMachine。该公司1990年11月成立于英国剑桥，主要出卖芯片设计技术的授权，是苹果电脑，Acorn电脑集团和VLSITechnology的合资企业。Acorn曾推出世界上首个商用单芯片RISC处置器，而苹果电脑当时希望将RISC技术运用于本身系统，ARM微处置器新规范因此应运而生。ARM微处置器的开展80年代末90年代初，半导体行业产业链刚刚出现分工，台积电，联电等半导体代工厂正悄然崛起，美国硅谷中的一些Fabless公司也如雨后春笋一样涌现出来，所谓的Fabless公司本人设计芯片，但是消费过程那么包给台积电等代工厂消费。ARM更是为天下先，12年前首创了Chipless的消费方式，即该公司既不消费芯片，也不设计芯片，而是设计出高效的IP内核，授权给半导体公司运用，半导体公司在ARM技术的根底上添加本人的设计并推出芯片产品，最后由OEM客户采用这些芯片来构建基于ARM技术的系统产品。ARM微处置器的开展ARM的中心业务是销售芯片中心技术IP，目前全球有103家巨型IT公司在采用ARM技术。20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户，包括德州仪器，意法半导体，Philips,Intel等。独一没有购买ARM授权的是Intel的老对头AMD，由于Intel便携式处置器采用的是StrongARM，而AMD那么收买了Alchemy公司与之抗衡，采用的是MIPS构造。ARM微处置器构造－RISCCISC〔ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机〕构造RISC〔ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机〕的概念，RISC体系构造应具有如下特点：采用固定长度的指令格式，指令整齐、简单、根本寻址方式有2-3种；运用单周期指令，便于流水线操作执行；大量运用存放器，数据处置指令只对存放器进展操作，只需加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。ARM微处置器的指令构造ARM微处置器支持两种指令集：ARM指令集：ARM指令为32位的长度Thumb指令集：Thumb指令为16位长度

Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的一切优点。ARM微处置器的特点ARM微处置器采用RISC架构，具有以下一些显著特点：体积小、功耗低、本钱低、高性能。支持Thumb〔16位〕/ARM〔32位〕双指令集。具有大量的存放器，因此指令执行速度快。绝大多数操作都在存放器中进展，经过Load/Store的体系架构在内存和存放器之间传送数据。寻址方式简单。采用固定长度的指令格式。ARM微处置器的特点除此之外，ARM体系还采用一些特别的技术用来保证芯片高性能的同时，尽能够减小芯片体积，降低芯片功耗。这些技术包括：在同一条数据处置指令中包含算术逻辑处置单元处置和移位处置。运用地址自动添加〔减少〕来优化程序中循环处置。Load/Store指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率。一切指令都可以进展分支预测功能，即根据前面指令执行结果，决议能否执行，以提高指令的执行效率。ARM微处置器的特点及运用ARM微处置器及技术曾经深化到各个领域，获得很大的胜利，到目前为止，ARM微处置器及技术的运用几乎曾经深化到各个领域。无线通讯领域：无线通讯领域是ARM微处置器运用最为广泛的领域之一，目前全球超越85％的无线通讯设备都采用ARM技术。比如手机、PDA等设备中都有ARM技术的运用。蓝牙技术：ARM曾经为蓝牙技术的推行运用做好了预备，像爱立信、英特尔、朗讯、阿尔卡特等20多家公司的元器件产品都采用了ARM技术。ARM微处置器的特点及运用网络运用领域：随着宽带技术的推行，采用ARM技术的ADSL芯片组正逐渐获得竞争优势。消费类电子产品领域：ARM技术在数字音频领域、数字机顶盒和游戏机中得到广泛运用。另外，采用ARM技术的存储产品包括硬盘系列、微型闪存和可读写光盘等，曾经投入消费。信息家电领域：如今很多数码相机、打印机都运用了ARM技术，另外，汽车上包括驾驶、平安和车载文娱等各种功能都可以运用ARM微处置器来完成。二、ARM微处置器系列下面所列的是ARM微处置器的几个系列，以及其他厂商基于ARM体系构造的处置器，这些处置器除了具有ARM体系构造的共同特点以外，每一个系列的ARM微处置器都有各自的特点和运用领域。ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列ARM11系列SecurCore系列Inter的XscaleInter的StrongARM二、ARM微处置器系列ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和ARM11为4个通用途置器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同运用领域的需求。如SecurCore系列专门为平安要求较高的运用而设计。ARM7系列ARM7系列微处置器为低功耗的32位RISC处置器，最适宜用于对价位和功耗要求较高的消费类运用。ARM7微处置器系列具有如下特点：具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便；极低的功耗，适宜对功耗要求较高的运用，如便携式产品；可以提供0.9MIPS/MHz的三级流水线构造；代码密度高并兼容16位的Thumb指令集；对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等；指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品晋级换代；主频最高可达130MIPS，高速的运算处置才干能胜任绝大多数的复杂运用。ARM7系列ARM7系列微处置器的主要运用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、挪动等多种多媒体和嵌入式运用。ARM7系列微处置器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前运用最广泛的32位嵌入式RISC处置器，属低端ARM处置器核。TDMI的根本含义为：T：支持16位紧缩指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器〔Multiplier〕；I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。ARM9系列ARM9系列微处置器在高性能和低功耗特性方面提供最正确的性能。具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高；提供1.1MIPS/MHz的哈佛构造；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA总线接口；全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统；MPU支持实时操作系统；支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处置才干。ARM9系列ARM9系列微处置器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、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处置器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的运用场所。ARM9E系列ARM9E系列微处置器为可综合处置器，运用单一的处置器内核提供了微控制器、DSP、Java运用系统的处理方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处置器提供了加强的DSP处置才干，很适宜于那些需求同时运用DSP和微控制器的运用场所。ARM9系列微处置器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、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列微处置器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的运用场所。ARM9E系列ARM9E系列微处置器的主要特点如下：支持DSP指令集，适宜于需求高速数字信号处置的场所；5级整数流水线，指令执行效率更高；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA总线接口；支持VFP9浮点处置协处置器；全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统；MPU支持实时操作系统；支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处置才干；主频最高可达300MIPS。ARM10E系列ARM10E系列微处置器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系构造，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，同时，ARM10E系列微处置器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E系列微处置器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、通讯和信息系统等领域。ARM10E系列微处置器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的运用场所。ARM10E系列ARM10E系列微处置器的主要特点如下：支持DSP指令集，适宜于需求高速数字信号处置的场所；6级整数流水线，指令执行效率更高；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA总线接口；支持VFP10浮点处置协处置器；全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统；支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处置才干；主频最高可达400MIPS；内嵌并行读写操作部件。ARM11系列ARM11系列微处置器内核采用ARMV6T构造，时钟频率533MHz，功耗为200mW,采用八级流水线，支持矢量化中断，中断速度提高3倍。主要特点如下：带可配置指令和数据高速闪存的存储系统，外加带公用DMA的高速本地存储器，以加强实时数据处置才干；采用八级整数流水线构造，带两个周期的高速闪存访问，可实现高频任务；四个高速64位系统片上衔接，为数据和指令提供足够的带宽；存储器管理单元支持Windows、OS、WindRiver和Linux操作系统；得到ARMRealView开发处理方案支持。ARM11系列ARMRealView开发处理方案由RealView编辑工具、RealView调试工具、RealViewICE和RealViewTrace组成。ARM11系列主要用于消费电子、无线和网络运用领域，如STB、数码相机、3G挪动、VoIP根底设备、宽带调制解调器、WLAN介入设备和平安设备等。ARM11系列处置器包含ARM1J-S和ARM1JF-S两种类型，以适用于不同的运用场所。ARMCore系列SecurCore系列微处置器专为平安需求而设计，提供了完善的32位RISC技术的平安处理方案，因此，SecurCore系列微处置器除了具有ARM体系构造的低功耗、高性能的特点外，还具有独特的优势，即提供了对平安处理方案的支持。SecurCore系列微处置器除了具有ARM体系构造各种主要特点外，还在系统平安方面具有如下的特点：带有灵敏的维护单元，以确保操作系统和运用数据的平安；采用软内核技术，防止外部对其进展扫描探测；可集成用户本人的平安特性和其他协处置器。ARMCore系列SecurCore系列微处置器主要用于一些对平安性要求较高的运用产品及运用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。SecurCore系列微处置器包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四种类型，以适用于不同的运用场所。StrongARM系列InterStrongARMSA-1100处置器是采用ARM体系构造高度集成的32位RISC微处置器。它交融了Inter公司的设计和处置技术，以及ARM体系构造的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系构造、同时采器具有Intel技术优点的体系构造。IntelStrongARM处置器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已胜利运用于多家公司的掌上电脑系列产品。Xscale系列Xscale处置器是基于ARMv5TE体系构造的处理方案，是一款性能全、性价比高、功耗低的处置器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已运用在数字挪动、个人数字助理和网络产品等场所。Xscale处置器是Intel目前主要推行的一款ARM微处置器。三、ARM编程模型所谓编程模型，指的是开发人员在软件编程时对象的特点。ARM编程模型，也就是ARM的体系构造的特点。CPU内核架构ARM硬件架构ARM芯片的内核普通包括以下几个单元：ARM9TDMI32RISC处置器、数据缓存器〔DataCache〕、指令缓存〔InstructionCache〕、指令存储管理单元〔InstructionMMU〕、数据存储管理单元〔DataMMU〕、写缓冲〔WriteBuffer〕回写存储单元〔WriteBackPATAGRAM〕。这些部件单元经过AMBA总线〔AMBABus〕相互传输数据以实现指令和数据的并行处置。ARM硬件架构除此之外，还包括四个与外界进展数据交换的接口：总线接口〔AMBABusInterface〕、扩展协处置器接口〔ExternalCoprocessorInterface〕、跟踪接口〔TraceInterface〕JTAG它们可以衔接DMA控制器、UART、USB、中断控制器和电源管理器等。中心经过与外围部件共同任务完成整个嵌入式系统的正常数据处置义务。ARM微处置器方式ARM微处置器的运转方式有7种，分别为：用户方式〔User，usr〕：正常程序执行时，ARM处置器所处的形状。快速中断方式〔FIQ,fiq〕：用于快速数据传输和通道处置。外部中断方式〔IRQ,irq〕：用于通常的中断处置。特权方式〔Supervisor，sve〕：供操作系统运用的一种维护方式。数据访问中止方式〔Abort,abt〕：当数据或指令预取终止时进入该方式，用于虚拟存储及存储维护。未定义指令终止方式〔Undefined，und〕：用于支持硬件协处置器软件仿真。系统方式〔System，sys〕：用于运转特权级的操作系统义务。ARM微处置器方式通常情况下，运用程序运转在用户方式下，这时运用程序不能访问一些受操作系统维护的系统资源，同时运用程序也不能直接进展处置器方式的切换。ARM存放器ARM处置器共有37个存放器:31个为通用存放器，6个形状存放器，这些存放器都是32位。ARM处置器运转在每一种方式下时，都会运用属于本人的一组存放器组。通常包括：15个通用存放器〔R0-R14〕、一个或两个形状存放器及程序计数器〔PC〕。每一种方式下的存放器组是部分重叠的。ARM存放器通用存放器通用存放器中：R0~R7是一切处置器方式共用的一组存放器，也就是说，在从一种方式切换到另一种方式时，必需保管它们的值。R8~R14为备份存放器，其中对于R8~R12来说，每一个存放器对应两个不同的物理存放器，R13和R14对应6个不同的物理存放器。R13通常用做堆栈指针，采用下面的记号来区分各个物理存放器：R13_<MODE><MODE>取以下几个值：usr、svc、abt、und、irq及fiq。通用存放器R14存放器有两种特殊的作用：用户方式下，R14用做链接存放器〔LR〕，存放子程序被调用时的前往地址。异常处置方式下，R14用来保管异常的前往地址。R15为程序计数器，又被记做PC。PC的值为当前指令地址的值加8个字节，也就是说，PC指向当前指令的下两条指令的地址。程序形状存放器在ARM处置器中，程序形状存放器用来保管程序执行时的各种形状值，包括条件标志位、中断制止位、当前处置器方式标志和其它一些位。程序形状存放器分为CPSR〔程序形状存放器〕和SPSR〔备份程序形状存放器〕两种类型。在任何一种处置器方式下，都会有一个共用的CPSR；另外异常方式下还会有一个公用的SPSR。当异常发生时，这个存放器用于存放当前程序形状存放器的内容，当退出异常处置时，再把SPSR中的值恢复到CPSR中。四、嵌入式系统的软硬件框架五、Edukit-III实验教学系统5.1ARM嵌入式开发方式目的机/宿主机〔或称下位机/上位机〕开发方式宿主机需求运转一些软件进展程序编辑、编译和调试等功能，这些软件通常称为集成开发环境〔IDE〕。五、Edukit-III实验教学系统5.2Edukit-III实验教学模型RealViewMDK集成开发环境PC机Ulink2仿真器Edukit实验教学箱5.3EmbestEduKit-III实验箱EmbestEduKit-III开发板是实验箱的主要硬件平台，它是英蓓特公司开发的一款全功能ARM开发板，基于Samsung公司的S3C2410处置器，资源丰富。开发板硬件系统包含了嵌入式系统开发运用所需的大部分设备，如串口、以太网口、USB口、音频输出、LCD及TSP触摸屏、5*4的小键盘、固态硬盘、大容量的Flash和SDRAM等等。用户不仅可以在该硬件平台上完成实验系统提供的实验例子，还可以参考该平台设计本人的目的系统。5.3EmbestEduKit-III实验箱实验箱提供ARM开发板、直通网线、USB线，串口线，并口线、JTAG线、ULINK、触摸屏、自定义键盘。Edukit-III教学实验箱的组成EmbestEduKit-III开发板的根本构成电源：外部5V电源供电2MBNorFlash8MBSDRAM4KbitIICBUS的串行EEPROM(AT24C04,在基板上)2个串口复位开关两个中断按钮，两个LED外部IDE硬盘接口LCD及TSP触摸屏接口

20针JTAG接口USB衔接器4×4键盘接口4个2×20PINCPU扩展接口10M以太网接口8段数码管MICROPHONE输入口IIS音频信号输出口，可接双声道SPEAKERNANDFlash16M×8bit(K9F2808，在基板上)320*240带触摸功能的显示屏常见的嵌入式系统存储设备〔1〕RAM〔随机存储器〕RAM可以被读和写，地址可以以恣意次序被读。

常见RAM的种类有SRAM〔StaticRAM，静态随机存储器〕、DRAM〔DynamicRAM，动态随机存储器〕、DDRAM〔DoubleDataRateSDRAM，双倍速率随机存储器〕。

其中，SRAM比DRAM运转速度快，SRAM比DRAM耗电多，DRAM需求周期性刷新。而DDRAM是RAM的下一代产品。常见的嵌入式系统存储设备〔2〕ROM〔只读存储器〕ROM在烧入数据后，无需外加电源来保管数据，断电后数据不丧失，但速度较慢，适宜存储需长期保管的不变数据。在嵌入式系统中，ROM用固定数据和程序。常见ROM有：MaskROM〔掩模ROM〕、PROM〔ProgrammableROM，可编程ROM〕、EPROM〔ErasableProgrammableROM，可擦写ROM〕、EEPROM〔电可擦除可编程ROM，也可表示为E2PROM〕、FlashROM〔闪速存储器〕常见的嵌入式系统存储设备〔3〕FlashMemoryFlashmemory〔闪速存储器〕是嵌入式系统中重要的组成部分，用来存储程序和数据，掉电后数据不会丧失。FlashMemory根据构造的不同可以将其分成：NORFlash：NORFlash把整个存储区分成假设干个扇区〔Sector〕。NANDFlash：NANDFlash把整个存储区分成假设干个块〔Block〕，可以对以块或扇区为单位的内存单元进展擦写和再编程。常见的嵌入式系统存储设备擦除NORFlash时是以64～128KB为单位的扇区进展的，执行一个写入／擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NANDFlash是以8～32KB的块进展的，执行一样的操作最多只需求4ms。NORFlash的读速度比NANDFlash稍快一些。NANDFlash的写入速度比NORFlash快很多。NANDFlash的随机读取才干差，适宜大量数据的延续读取。NORFlash容量通常在1MB～8MB之间。而NANDFlash用在8MB以上的产品当中。NORFlash主要运用在代码存储介质中，NANDFlash适用于资料存储。FLASH选型常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。主要的消费厂商为INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。英蓓特系统中NorFlash运用Am29LV160D(2MB，在CPU板上),用了一片;NANDFlash运用K9F2808(16MB，在基板上)，用了一片。5.4Ulink2USB-JTAG仿真器ULINK2USB-JTAG仿真器是ARM公司最新推出的配套MDK-ARM运用的仿真器，是ULink仿真器的晋级版本。JTAG仿真器也称为JTAG调试器。5.4Ulink2USB-JTAG仿真器ULINK2新特点：规范WindowsUSB驱动支持ULINK2即插即用

支持基于ARMCortex-M3的串行调试

支持程序运转期间的存储器读写、终端仿真和串行调试输出

支持10-pin衔接线(也支持20-pin衔接