第一章ARM微处理器概述

ARM应用系统设计

第一章ARM微处理器概述佘黎煌东北大学信息科学与工程学院电子信息工程研究所.学好ARM就有机会!.ARM微处理器概述

ARM－AdvancedRISCMachines

ARM微处理器的应用领域ARM微处理器的特点,RISC,流水线ARM微处理器系列ARM微处理器的体系结构ARM微处理器的应用选型.一、ARM概述ARM是什么？AdvancedRISCMachines一个公司的名字——英国知识产权核（IP）设计公司一类微处理器的通称一种技术的名字（ARM微处理器核）.ARM－AdvancedRISCMachinesIP（IntellectualProperty） 知识产权。硅知识产权核是预先设计好的电路功能模块。IP核分为软核、硬核和固核Fabless(无生产线）RISC ReducedInstructionSetComputer

精简指令集计算机

ARM：RISC处理器IP核＋Fabless.ARM－AdvancedRISCMachines基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际、上海华虹..应用领域无线通信领域：手机、PDA消费类电子产品：数字媒体播放器、游戏机网络应用：语音及视频处理、数字机顶盒、VoIP成像和安全产品：数码相机、打印机、SIM智能卡工业控制与仪器仪表：其他领域ARM－AdvancedRISCMachines.ARMPoweredProductsLexmarkZ52ColorJetprinterSamsungML5100AJVC"Pixstar"GC-X1HPJornado820PsionRevoPlusHPCapShareSonyMZ-R90MiniDiscNokia8810NokiaMediamasterNintendo

Gameboy

AdvanceEricssonR380AlbaBushInternetTV3Com10/100PCINICIomegaHipZipDiamondMultimediaRio600.ARM处理器的使用量.ARM微处理器概述

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ARM微处理器的应用领域ARM微处理器的特点,RISC,流水线ARM微处理器系列ARM微处理器的体系结构ARM微处理器的应用选型.特点体积小、低功耗、低成本、高性能支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集全球众多的合作伙伴

ARM－AdvancedRISCMachines.总线结构

冯·诺依曼结构(VonNeumannArchitecture) 程序代码和数据共用一个公共的存储空间和单一的地址与数据总线。中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3数据数据0数据1数据2总线冯·诺依曼体系结构模型.指令的执行周期T1）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（InstructionDecode）：TD3）执行指令（InstructionExecute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS.冯·诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。2）被早期大多数计算机所采用3）ARM7——冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据.RISC技术和流水线技术

哈佛结构（HarvardArchitecture) 程序代码和数据的存储空间分开，并行地进行指令和数据的处理，从而可以大大地提高运算的速度中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2总线总线哈佛体系结构模型.哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开.2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。3）适合于数字信号处理.4）大多数DSP都是哈佛结构.5）ARM9是哈佛结构6）取指和取数在同一周期进行，提高速度，

改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。.RISC体系结构●RISC特点如下：精简指令集计算机RISC结构的产生是相对于传统的复杂指令集计算机CISC结构而言的。.RISC技术和流水线技术CISC（ComplexInstructionSetComputer） 复杂指令集计算机具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。CISCCPU包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。.RISC技术和流水线技术RISC（ReducedInstructionSetComputer）

精简指令集计算机指令规整、对称、简单。指令小于100条，基本寻址方式有2~3种。单周期指令。

指令字长度一致，单拍完成，便于流水操作。大量的寄存器。寄存器不少于32个。数据处理器的指令只对寄存器的内容操作。只有加载／存储指令可以访问存储器。使CPU硬件结构设计变得更为简单，RISCCPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低.RISC技术和流水线技术.RISC技术和流水线技术主要差别：寄存器RISC指令集拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。CISC指令集多用于特定目的的专用寄存器。LOAD/STORE结构RISC结构：CPU仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的LOAD/STORE指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。（访存费时，处理和存储分开，可以反复的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存）。CISC结构能直接处理存储器中的数据。.RISC技术和流水线技术单周期指令3级流水线操作取指译码执行取指译码执行取指译码执行t指令指令1指令2指令312345流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率内部信息流要求通畅流动.最佳流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）指令周期数(CPI)=1

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch.LDR流水线举例该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5

周期

操作 1 2 3 4 5 6ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch.分支流水线举例流水线被阻断注意:内核运行在ARM状态周期

12345

0x8000BL0x8004X0x8008XX0x8FECADD0x8FF0SUB0x8FF4MOV地址

操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch.

ARM9TDMI的五级流水线ARM7TDMI与ARM9TDMI流水线比较ARM9流水线结构.ARM的流水线结构.ARM微处理器概述

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ARM微处理器的应用领域ARM微处理器的特点,RISC,流水线ARM微处理器系列ARM微处理器的体系结构ARM微处理器的应用选型.

ARM处理器的分类基于指令集体系结构的分类v1，v2，v5，v5TEJ，v6等基于处理器内核的分类ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等ARM微处理器系列.ARM体系结构版本

各ARM体系结构版本

ARM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ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1～V6表示。.V1版架构该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能：基本的数据处理指令(无乘法)字节、半字和字的LOAD/STORE指令转移指令，包括子程序调用及链接指令软件中断指令寻址空间：64M字节(26).V2版架构该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2架构,增加了以下功能：乘法和乘加指令支持协处理器操作指令快速中断模式SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令寻址空间：64M字节.V3版架构把寻址空间增至32位(4G字节),增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR以便于异常的处理。增加了中止和未定义二种处理器模式。ARM6就采用该版架构。指令集变化如下：增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器增加了从异常处理返回的指令功能。.V4版架构

V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构。指令集中增加了以下功能：有符号、无符号的半字和有符号字节的Load/Store指令。增加了16位Thumb指令集完善了软件中断SWI指令的功能增加了处理器的特权模式。.V5版架构这是最近几年推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有：带有链接和交换的转移BLX指令计数前导零CLZ指令BKPT软件断点指令增加了信号处理指令为协处理器增加更多可选择的指令.v6版架构2001年发布的适合使用电池供电的便携式设备增加了SIMD(单指令流多数据流

)功能扩展，提高了嵌入式应用系统的音频、视频处理能力。首先在的ARM11处理器中使用.3.1ARM简介ARM处理器核简介ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6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是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex.ARM微处理器系列ARM系列产品表示ARM926EJ-SFamilynumber7:ARM79:ARM910:ARM1011:ARM11Memorysystem

2:Cache,MMU,ProcessID4:Cache,MPU6:Writebuffer,nocacheMemorysize0:Cachesize(4-128KB)2:Reducedcachesize6:TCMSynthesizableExtensions

E:DSPextensionJ:Jazelleextension

T:Thumbsupport….标志含义说明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上调试使处理器能够停止，以响应调试请求M支持长乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbeddedICE提供片上断点和调试点EDSP指令增加了DSP算法处理器指令：16位乘加指令，饱和的带符号数的加减法，双字数据操作，cache预取指令JJava加速器Jazelle提高java代码的运行速度S可综合提供VHDL或Verilog语言设计文件.ARM7系列微处理器特点：低功耗嵌入式ICE－RT逻辑0.9MIPS/MHz的3级流水线结构32位ARM指令集和16位的Thumb指令集主频最高可达130MHzICE：InCircuitEmulation，在电路仿真MIPS：MillionInstructionPerSecond 每秒百万条指令.ARM7系列微处理器ARM7FamilyUnifiedCache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM7TDMI无无3有无无ARM7TDMI-S无无3有无无ARM710T/720T8kMMU3有无无ARM740T8k或4kProtectionUnit3有无无ARM7EJ-S无无3有有有.ARM7系列微处理器典型芯片：ATMEL: AT91M40800/55800ASamsung: S3C44B0/4510BST: STR710x

ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。.ARM9系列微处理器(1)特点：1.1MIPS/MHz的哈佛结构，5级流水线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支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力

MMU：MemoryManagementUnit.Cache的作用处理器速度远远高于存储器访问速度；存储器访问成为系统性能的瓶颈，因为处理器需要耗费大量的时间在等待存储器上面。高速缓存存储最近常用的代码和数据，以最快的速度提供给CPU处理(CPU访问Cache不需要等待)。.AMBA总线.AMBA总线ARM微控制器使用的是AMBA总线体系结构 AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）是ARM公司公布的总线标准，先进的AMBA规范定义了三种总线：AHB总线（AdvancedHigh-performanceBus）：用于连接高性能系统模块。它支持突发数据传输方式及单个数据传输方式，所有时序参考同一个时钟沿。ASB总线（AdvancedSystemBus）：用于连接高性能系统模块，在不必要适用AHB的高速特性的场合,它支持突发数据传输模式。APB总线（AdvancePeripheralBus）：是一个简单接口支持低性能的外围接口。.ARM9FamilyCache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM9TDMI无无5有无无ARM920T16K/16kMMU5有无无ARM922T8k/8kMMU5有无无ARM940T4k/4kProtectionUnit5有无无ARM9系列微处理器(2).ARM9系列微处理器（3）典型芯片：ATMEL: AT91RM9200（ARM920T）Samsung：S3C2410 （ARM920T）TI: OMAP5910 （ARM925+C55x）

DaVinci

（ARM926EJ-S+C64x）ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。.ARM9E系列微处理器ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9E系列微处理器的主要特点如下：支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。5级流水线，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浮点处理协处理器。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理能力。主频最高可达300MHz。

.ARM10E系列微处理器ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，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系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。

ARM10E系列微处理器的主要特点如下：支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。6级整数流水线，指令执行效率更高，1.25MIPS/MHZ。，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持64位的高速AMBA总线接口。支持VFP10浮点处理协处理器。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理能力主频最高可达400M。内嵌并行读/写操作部件。

.

ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。.ARM10FamilyARM10EJ-S无无6有有有ARM1026EJ-S0,4-128k/0,4-128kMMU6有有有Cache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM10E无无6有有无ARM1020E32k/32kMMU6有有无ARM1022E16k/16kMMU6有有无ARM10TDMI无无6有无无ARM1020T32k/32kMMU6有无无.ARM11E系列微处理器ARM公司在2003年4月29日宣布了其下一代ARM架构的CPU－ARM11（又名Jaguar），基于ARM11的微处理器具有更强的性能，尤其是多媒体处理能力。

ARM11微处理器采用0.13微米工艺，低端产品运行在350MHz～500MHz，高端产品运行在533～750MHz，如果将加工工艺减小到0.10微米，那么芯片速度将达1GHz。目前的ARM7和ARM9内核的芯片最大速度只能到400MHz。目前最快的嵌入式处理器为Intel的Xscale，最高主频为500MHz。

.ARM11FamilyCache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelle浮点运算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有无ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有无无ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有无有.SecurCore系列微处理器SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，因此，SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。

SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，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系列微处理器包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四种类型，以适用于不同的应用场合。.Intel的StrongARM、Xsc