ARM7体系结构课件

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第3章目录

口1.简介口9.异常

□2.ARM7TDMI□10.复位

口3.ARM7TDMI的模块和口11.存储器及存储器映射

内部框图I/O

口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

R第3章目录

口1.简介口9.异常

□2.ARM7TDMI□10.复位

口3.ARM7TDMI的模块和口11.存储器及存储器映射

内部框图I/O

口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

3.1ARM简介

■ARM公司简介

ARM是AdvancedRISC

Machines的缩写，它是一彖微处

理器行业的知名企业，该企业设

计了大量高性能、廉价、耗能低

的RFC（精简指令集）处理器。

ARM公司的特点是只

设计温片，而不生产。它将技术

授权给世界上许多著名的半导体、

软件和OEM厂商，并提供服务。

3.1ARM简介

■ARM公司简介

ARM

将技术授权给

其它忠片厂商

居PHILIPSSAMSUNG■■<

形成各具特色

的ARM恙片

3.1ARM简介

■微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分

组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。

3.1ARM简介

■ARM处理器的应用

■当前主要应用于消我类长子领域；

■到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据

了32佳嵌L八式微处理器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体系的提人式处理器,

-“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。

3.1ARM简介

■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

次选，并仍在完善和发展。为了请楚的表达每个

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

VI〜V6表示。

3.1ARM简介

■各ARM体系结构版本——VI

该版本的ARM体系结构，只有26佳的寻址空

间，没有商业化，其特点为：

■基本的数据处理指令（不包括乘法）；

■字节、字和半字加载/存储指令；

■具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分

文和链接指令；

■在操作系统调用中使用的软件中新指令。

3.1ARM简介

■各ARM体系结构版本——V2

同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用,

它相对VI版本有以下改进：

■具有乘法和乘加指令；

■支持协处理器；

■快速中新模式中的两个以上的分组寄存器；

■具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。

“3.1ARM简介

1---------

■各ARM体系结构版本——V3

寻址范囹广展到32枚（百南已废弃），具有独立

的程序：

■具有乘法和乘加指令；

■支持协处理器；

■快速中新模式中具有的两个以上的分组寄存器；

■具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。

3.1ARM简介

■各ARM体系结构版本——V4

不在为了与以前的版本兼衮而支持26枚体系结构,

并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发生，它相

对V3版本作了以下的改进：

■率字加我/存储指令；

■字节和半字的加载和符号广展指令；

■具有可以转换到Thumb状态的指令CBXJ；

■增加了用户模式寄存器的新的特权处理器模式。

3.1ARM简介

■各ARM体系结构版本——V5

在V4版本的基础上，对现在指令的定义进行

了必要的修正，对V4版本的体系结构进行了广展

并并增加了指令，具体如下：

■改进了ARM/Thumb状忠之间的切换效率；

■E-增强型DSP指令集，包括全部算法操作和16

核乘法操作；

■j—支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件

和优化软件加速功能。

*3.1ARM简介

-ARM处理器核简介

ARM公司开发了很多条列的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条

列是：

ARM7ARM9ARM9EARM10ARM11

SecurCore

Cortex

Xscale

3.1ARM简介

预取译码执行

ARM7(Fetch)(Decode)(Execute)

预取译码执行访存写入

ARM9(Fetch)(Decode)(Execute)(Memory)(Write)

预取发送译码执行访存写入

ARM10(Fetch)(Issue)(Decode)(Execute)(Memory)(Write)

预取预取发送译码转换执行访存写入

ARM11(Fetch)(Fetch)(Issue)(Decode)(Snny)(Execute)(Memory)(Write)

3.1ARM简介

项目ARM7ARM9ARM10ARM11

流水线3568

典型频率(MHz)80150260335

功耗(mW/MHz)0.060.19(+cache)0.50.4

(+cache)(+cache)

性能0.971.11.31.2

MIPS**/MHz

架构冯・诺伊曼哈佛哈佛哈佛

3.1ARM简介

ARM系列微处理器核特点

ARM7ARM7TDMI：整数处理核•冯・诺伊曼体系结构；

ARM7TDMI处理器的可综合•ARMTDMI是目前应用最广的微处理器核

版本；•ARM720T带有MMU和8KB的指令数据混合

ARM720T：带MMU的处理器核cache；

心，支持操作系统；•ARM7EJ-执行ARMv5TEJ指令，5级流水线，

ARM7EJ-S：带看DSP和Jazelle提供Java加速指令，没有存储器保护。

TM技术，能够实现Java加速功

能

ARM9ARM920T：带有独立的16KB数•基于ARM9TDMI,带16位的Thumb指令集，

据和指令Cache；增强代码密度最多到35%；

ARM922T：带有独立的8位KB•在工艺下最高性能可达到300MIPS

数据和指令Cache；（Dhrystone2.1测试标准）；

ARM940T-包括更小数据和指令•集成了数据和指令Chche；

Cache和一个MPU•32位AMBA总线接口的MMU支持；

•可在0.18|im、0.15|im和0.13fim工艺的硅芯

片上实现。

3.1ARM简介

ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技术，有•ARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处理

MMU,可配置的数据和指令器解决方案；

Cache,TCM接口；•ARMJazelle技术提供8倍的Java加速性能

ARM946E-S：可配置的数据和指（ARM926EJ-S）；

令Cache及TCM;・5-级整数流水线；

ARM966E-S：针对要求高性能和•在0.13pm工艺下最高性能可达至300MlPS

低功耗的可预测的指令执行时间的（Dhrystone2.1测试标准）；

硬实时应用设计•可选择的向量浮点单元VFP9协处理器指令优

ARM968E-S：最小、功耗最小秀海浮点性能，对于3D图形加速和实时控制可

的ARM9E系列处理器，针对嵌入达至I1215MFLOPSo

式实时应用设计；•高性能的AHB总线，带MMU

•可在0.18pm,0.15pm,0.13国11工艺的硅芯片上实

现。

ARM10EARM1020E：带DSP指令集，在片•带分支预测的6级整数流水线；

调试功能，独立的32KB数据和指•在0.13pm工艺下最高性能可达至!J430MIPS

令Cache,MMU支持；（Dhrystone2.1测试标准）；

ARM1022E：与ARM1020E相同，•对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理器，

只是独立的数据和指令Cache变为浮点运算性能最高可达650MFLOPS；

16KB；・双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接口；

ARM1026EJ-S：同时具有MPU和•优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储器

MMU,可综合版本；的性能；

•可在0.18pm,0.15gm,0.13国11工艺的硅芯片上实

现

3.1ARM简介

ARM11ARMllMPCore：可综合的多处•增强的Thumb、Jazelle>DSP扩展支持；

理器核，1至4个处理器可配置；•带片上和系统安全TrustZone技术支持；

ARM1136J(FFS：可配置的数据•在工艺下最高可达至U550MHZ；

和指令Cache,可提供1.9位的•MPCore在0.13工艺下最高性能可达到

MPEG4编码加速功能；740MIPS(Dhrystone2.1测试标准)；

ARM1156T2(F)-S：带集成浮点•支持多媒体指令SIMD；

协处理器，带内存保护单元•采用三种电源模式：全速/待命/休眠

MPU；•集成DMA的TCM

ARMU76JZ(F)-S：带针对CPU・低功耗、高性能。

和系统安全架构扩展的

TrustZone技术。

SecurCoreSC100：第一个32位安全处理•SecurCore是专门为智能卡、安全IC提供的

器；、SC110：在SC100上增加32位安全处理器，为电子商务、银行、网络、

密钥协处理器；移动多媒体、公共交通提供安全解决方案；

SC200：带Jazelle技术的高级安•体积小、功耗低，代码压缩密度高；

全处理器；•为快速增长的Java卡平台提供Java加速功能；

SC210：在SC200上增加密钥协

处理器

3.1ARM简介

CortexCortex-A：面向应用的微处理•2004年发布，提供增强的媒体和数字处

器，针对复杂操作系统和应用理能力，增加了系统性能；

程序设计；•支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集；

Cortex-R；针对实时系统的嵌•Thumb-2指令集提供了更高的代码存储

入式处理器；密度，进一步降低成本；

Cortex-M：针对成本敏感应用

优化的深度嵌入式处理器；

Intel系列StrongARM：ARMv4体系•StrongARM主要应用于手持设备和PDA,

XScafe；ARMv5TE体系，增5级流水线，具有独立的数据和指令Cache,

加MMX指令不支持Thumb指令集，目刖已停产；

•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。

第3章目录

口1.简介口9.异常

□2.ARM7TDMI□10.复位

口3.ARM7TDMI的模块和口11.存储器及存储器映射

内部框图I/O

口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

3.2ARM7TDMI

■简介

ARM7TDMI基于ARM体系结构V4板本，是日

前低端的ARM核。具有广泛的应用，其最显著的

应用为数学移动也话。

注意：“ARM核”并不是恙片，ARM核与其它部

件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成

现实的恙片。

3.2ARM7TDMI

■简介

ARM7TDMI支持32优寻址范围，并祢补了

ARM6不能在低于5V长源也压下工作的不足。

ARM7TDMI的后缀意义为：

ARM7TDMI-SARM7TDMI的可综合csynthesizableJ版

I____本（软核），对应用工程师来说其编程模

型与ARM7TDMI一致；

支特Embeded-ICE观察硬件；

支持64住乘法；

-------------支持片上调试；

------------------支持高密度16佳的Thumb指令集；

3.2ARM7TDMI

■简介

ARM7TDMI处理器是ARM通用32枚微处理器

彖族的成员之一。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（RISC）,比复杂指令集计算机CCISCJ要简单

得多。这样的简化实现了：

■高的指令吞吐量；

■出色的实时中断响应；

■小的、高性价比的处理器宏单元。

3.2ARM7TDMI

■三级流水线

ARM7TDM1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

理和存储器系统连续操作，能提供0.9MlPS/MHz的

指令执行速＞^O

ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：

取指少年外少执行

3.2ARM7TDMI

■存储器访问

ARM7TDMI处理器使用了冯•诺依曼（Von

Neumann；结构，指令和数据共用一条32佳总线。

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。

数据可以是字节（8住）、率字C6伉）或者

字（32住）o

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□2.ARM7TDMI口10.复位

□3.ARM7TDMI的模块和口11.存储器及存储器映射

内部框图I/O

口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

3.3ARM7TDMI的模块和内核框图

CLK

CLEN

CFGBIGEND

nIRQ

nFIQ

nRESET

ABORT

LOCK

WRITE

SIZE[1:O]

PROT[1:0]

TRANS[1:0]

DBG输出

ALUDBG输入

总CP控制

线CP握手

ARM7TDMI模块

3.3ARM7TDMI功能信号图

MCLK.----------，・TCK.■、

相和xxWAIT---.TTttS

ECLK.・TOI-・

中断xxIRQXX▲JL•

»xFTQ

ISVNC■TAPSXfBD]f心

rxRESETT・1aK”：UJ

BUSEM.XXA»O1U^

HIGHZ・TCK1•

rdHIOMZ

__________

BIOE^TO_SCREO[3O]・,

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ATJT-I>O<JT[31:0].

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OBE■DS<1>从JlIJ.

TBE一^JtxKREQ'仔1E合珠口

BUSOIS■SEQ

'EZCXPCLK.♦xiRVJ•

xI>BGRQ

BREAKPT-BL[^.O]・

DBGACKLO*.

STRAWS）存储器接口

EXTERTO・^JBOKT」管理

调试ESCTERITO5^D"A-4汨

、OBOE^T.V«KSVS—*

RXbTCT»UTOutOPc.•、

〜LG*I44iAL-rmRQ

RXbTGEOUTl-xxCPI%协处理器

OBCxRQI*CPA接口

COMMRX・CPH.•

COMMTX.

、INSTRVWJLIO.

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口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

3.4体系结构直接支持的数据类型

-体系结构直接支持的数据类型

ARM处理器支持下列数据类型：

3.4体系结构直接支持的数据类型

-体系结构直接支持的数据类型

注意:

■V4版本之后的ARM结构都支持这3种结构（包括

V4根本），而以前的根本只支持字节和字；

3.4体系结构直接支持的数据类型

-体系结构直接支持的数据类型

注意:

■所有数据操作，例如ADD,都以字为单传；

■装载和保存指令可以对字节、率字和字进行操作，

当装载字节或率字时自动实现零广展或符号广展；

■ARM指令的长度刚好是1个字（分配为占用4个字

节），Thumb指令的长度刚好是半字（占用2个字

节）O

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数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

3.5处理器状态

-处理器状态

ARM7TDMI处理器内核使用V4T板本的ARM结

构，该结构包含32传ARM指令集和16佳Thumb指令

集。因此ARM7TDM1处理器有两种操作状太：

■ARM状杰：32住，这种我忠下执行的是字方式

的ARM指令；

■Thumb状态：16伉，这种状忠下执行半字方式

的ARM指令。

注意：两个状忠之间的切换并不影响处理器模式或

寄存器内＜o

3.5处理器状态

-处理器状态

使用BX指令将ARM7TDMI内核的操作状忠在

ARM枚志和Thumb状态之间进行切换（详见第4

程序如下所示。

跳转地址标号

;从Arm状态切换到Thj变£氏态

地址最低位为

LDRRO,

1,表示切换

BXRO到Thumb状态

;从Thumb状态切换到ARM状态

地址最低住为

LDRRO,=Lable—0,表示切换

BXR0到ARM状态

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口3.ARM7TDMI的模块和口11.存储器及存储器映射

内部框图I/O

口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

山3.6处理器模式

-处理器7种模式

处理器模式说明备注

用户(usr)正常程序执行模式不能直接切换到其它模式

运行操作系统的特权任与用户模式类似，但具有可以

系统(sys)

务♦［接切换到其它模式等特权

支持高速数据传输及通

快中断FIQ异常响应时进入此模式

(fiq)道处理________________

中断(irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式

系统复位和软件中断响应时进

管理(svc)操作系统保护模式

入此模式___________________

用于支持虚拟内存和/或

中止(abt)在ARM7TDMI没有大用处

存储器保护

支持硬件协处理器的软未定义指令异常响应时进入此

未定义(und)

件仿真模式

3.6处理器模式

-特权模式

处理器模式说明备注

用户(usr)正常程序工作模式不能直接切换到其它模式

系统(syskr

除用户模式外，其它模式均

快中断(fiq)h为特权模式。ARM内部寄存器和

中断(irq)|［一些片内外设在硬件设计上只允许

>r或者可选为只允许)特权模式下

管理(svc)(访问。此外，特权模式可以自由的

中止(abt)1|切换处理器模式，而用户模式不能

n直接切换到别的模式。

未定义(und?

3.6处理器模式

-异常模式

处理器模式说明备注

用户（usr）正常程序工作模式不能直接切换到其它模式

系统（sys）

这五种模式称为异常模式。■

快中断（fiq）f它们除了可以通过程序切换选人外，

中断（irq）也可以由特定的异常进入。当特定■

的异常出现时，处理器进入相应的

管理（svc）E

广模式。每种异常模式都有一些独立

中止(abt)I的寄存器，以避免异常退出时用户

模式的状态不可靠。

未定义（undl一

K__________________________

3.6处理器模式

-用户和系统模式

处理器模式说明备注

用户

片这两种模式都不能由异常进入,

系统(sys)而且它们使用完全相同的寄存器组。

快中断（fiq）系统模式是特权模式，不受用

户模式的F艮制。操作系统在该模式

中断（irq）

下访问用户模式的寄存器就比较方

管理（svc）便，而且操作系统的一些特权任务

可以使用这个模式访问一些受控的

中止(abt)

济源。

未定义（und）

件仿真模式

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口1.简介口9.异常

□2.ARM7TDMI□10.复位

口3.ARM7TDMI的模块和口11.存储器及存储器映射

内部框图I/O

口4.体系结构直接支持的

数据类型

口5.处理器状态

口6.处理器模式

口7.内部寄存器

口8.程序状态寄存器

3.7内部寄存器

■简介

在ARM7TDM1处理器内部有37个用户可见的

寄存器。

在不同的工作模式和处理器状忽下，程序员可

以访问的寄存器也不尽相同。

ARM状志各模式下的寄存器

寄存器寄存器在汇编各模式下实际访问的寄存器

类别中的名称用户系统管理中止未定义中断快中断

RO(al)R0

Rl(a2)R1

R2(a3)R2

R3(a4)R3

R4(vl)R4

R5(v2)R5

寄

用

通R6(v3)R6

和

器

存R7(v4)R7

计

序

程

号

嫖

数R8(v5)R8R8_fiq*

R9(SB,v6)R9R9_fiq*

R10(SL,v7)R10R10_fiq*

Rll(FP,v8)R11Rll_fiq*

R12(IP)R12R12_fiq*

R13(SP)R13R13_svc*R13_abt*R13_und*R13_irq*R13_fiq*

R14(LR)R14R14_svc*R14_abt*R14_und*R14_irq*R14_fiq*

R15(PC)R15

状态寄R16(CPSR)CPSR

存器SPSR无SPSRabtSPSRabtSPSRundSPSRJrqSPSRfiq

ARM状志各模式下的寄存器

寄存器寄存器在汇编各模式下实际访问的寄存器

类别中的名称用户系统管理中止未定义中断快中断

RO(al)R0

Rl(a2)R1

R2(a3)R2

R3(a4)R3

R4(vl)R4

R5(v2)R5

寄

用

通所有的37个寄存器，分R6

和

器

存R7

计

序

程成两大类：

号

凝

数R8R8_fiq

■31个通用32住寄存器；R9R9_fiq

RIORIOfiq

■6个状态寄存器。JRllRll_fiq

R12(IP)R12RI2fiq

R13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiq

R14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiq

R15(PC)R15

状态寄CPSRCPSR

存器SPSR无SPSRabtSPSRabtSPSRundSPSRJrqSPSR_fiq

ARM状志各模式下可以访问的寄存器

寄存器