微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)-第七章arm微處理器編程模型(已修改)
2025-05-31 05:20 本頁(yè)面
【正文】 微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第七章 ARM微處理器編程模型 ARM內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) ARM編程模型 處理器工作狀態(tài) 處理器運(yùn)行模式 寄存器組織 數(shù)據(jù)類型和存儲(chǔ)格式 異常 ARM是 Advanced RISC Machines的縮寫，該公司設(shè)計(jì)了大量 高性能、廉價(jià)、耗能低的 RISC (精簡(jiǎn)指令集 )處理器 。 ARM公司的特點(diǎn)是 只設(shè)計(jì)而不生產(chǎn) 。它將 技術(shù)授權(quán) 給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和 OEM廠商，并提供服務(wù)。 將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商 形成各具特色的 ARM芯片 3/95 ARM的應(yīng)用領(lǐng)域 1. 工業(yè)控制領(lǐng)域 過(guò)程控制、電力控制、數(shù)控機(jī)床、 ABS 2. 無(wú)線通訊領(lǐng)域 基站、帶藍(lán)牙 /定位等的手機(jī) /PDA、 GPS 3. 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 ADSL、路由器、交換機(jī)、 VoIP 4. 消費(fèi)類電子產(chǎn)品 DVD、機(jī)頂盒、游戲機(jī) 5. 成像 產(chǎn)品 數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、錄像機(jī) 6. 安全產(chǎn)品 ATM機(jī)、 POS機(jī)、考勤系統(tǒng)、 SIM卡 ? 到目前為止，基于 ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了 32位嵌入式微處理器 75％以上的市場(chǎng)份額； ? 全球 80%的 GSM/3G手機(jī)、 99%的 CDMA手機(jī)以及絕大多數(shù) PDA產(chǎn)品均采用 ARM體系的嵌入式處理器，“掌上計(jì)算”相關(guān)的所有領(lǐng)域皆為其所主宰； 4/95 ARM體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 1. RISC簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使 ARM內(nèi)核非常小、功耗低、成本低 2. 統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域，簡(jiǎn)化了指令的譯碼，便于指令流水線設(shè)計(jì) 3. 采用裝載 /保存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理操作只針對(duì)寄存器的內(nèi)容，而不直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作 4. 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件 5. 每條數(shù)據(jù)處理指令都對(duì)算術(shù)邏輯單元和移位器控制，實(shí)現(xiàn)了 ALU和移位器的最大利用 6. 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高 7. 地址自動(dòng)增加和減少尋址模式，優(yōu)化程序循環(huán) 8. 多寄存器裝載和存儲(chǔ)指令實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量 9. 所有指令的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行 5/95 ARM處理器內(nèi)核流水線工作流程 ARM體系結(jié)構(gòu)的版本 ARM架構(gòu)自誕生至今已發(fā)展并定義了 V1到 V7七種不同的版本 V1版架構(gòu) 只在原型機(jī) ARM1中出現(xiàn)過(guò) – 支持基本的數(shù)據(jù)處理指令 (無(wú)乘法 ) – 支持字節(jié)、半字和字的 LOAD/STORE指令 – 支持轉(zhuǎn)移指令，包括子程序調(diào)用及鏈接指令 – 支持軟件中斷指令 SWI – 尋址空間位 64MB（ 26位） 2021617 7/95 V2版架構(gòu) 已廢棄不再使用 – 支持乘法和乘加指令 – 支持協(xié)處理器操作指令 – 支持基本的存儲(chǔ)器與寄存器交換指令 SWP/SWPB – 支持快速中斷模式 V3版架構(gòu) 已廢棄不再使用 – 尋址范圍擴(kuò)展到 4GB（ 32位） – 快速中斷模式具有兩個(gè)以上的分組寄存器 – 增加狀態(tài)寄存器 CPSR/SPSR，及從異常處理返回的MSR/MRS指令，便于異常的處理 – 增加了中止和未定義兩種處理器模式 2021617 8/95 V4版架構(gòu) 目前應(yīng)用最廣的 ARM體系結(jié)構(gòu)， ARM ARMARM9和 StrongARM都采用該版架構(gòu) – 增加了有 /無(wú)符號(hào)的半字和有符號(hào)字節(jié)的 Load/Store指令 – 增加了 16位 Thumb指令集 – 完善了軟件中斷 SWI指令的功能 – 增加了處理器的特權(quán)模式 V5版架構(gòu) ARM10和 XScale都采用 該版架構(gòu) – 改進(jìn)了 ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率； – E增強(qiáng) DSP指令集 ,包括全部算法操作和 16位乘法操作； – J支持新的 JAVA,提供字節(jié)代碼執(zhí)行的加速功能 – 增加了帶有鏈接和交換指令 BLX – 增加了計(jì)數(shù)前導(dǎo)零指令 CLZ – 增加了軟件斷點(diǎn)指令 – 為協(xié)處理器增加更多可選擇的指令 9/95 V6版架構(gòu) ARM11處理器采用該版架構(gòu) – 增加了多媒體功能擴(kuò)展 SIMD，提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的音、視頻處理能力 – 改進(jìn)了內(nèi)存管理 – 改進(jìn)了混合端與不對(duì)齊數(shù)據(jù)支持，使得小端系統(tǒng)支持大端數(shù)據(jù) V7版架構(gòu) CortexA/M/R系列處理器采用該版架構(gòu) ? 2021年發(fā)布，采用 Thumb2技術(shù)。 ? M系列 → 傳統(tǒng)單片機(jī)市場(chǎng) ? A系列 → 高端應(yīng)用處理器市場(chǎng) ? R系列 → 實(shí)時(shí)性控制 2021617 10/95 ARM處理器核與體系結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 核 體 系 結(jié) 構(gòu) ARM1 ARMv1 ARM2 ARMv2 ARM2aS， ARM3 ARMv2a ARM6， ARM600， ARM610， ARM7， ARM700， ARM710 ARMv3 Strong ARM， ARM8， ARM810 ARMv4 ARM7TDMI， ARM710T， ARM720T， ARM740T， ARM9TDMI，ARM920T， ARM940T ARMv4T ARM9ES， ARM10TDMI， ARM1020E ARMv5TE ARM1136J(F)S， ARM1176JZ(F)S， ARM11MPCor ARMv6 ARM1156T2(F)S ARMv6T2 ARM CortexM， ARM CortexR， ARM CortexA ARMv7 ARM處理器（核）命名規(guī)則 ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{S} x——系列號(hào) y——存儲(chǔ)管理 /保護(hù)單元 z——Cache T——Thumb指令集 D——JTAG調(diào)試器 M——快速乘法器 I——嵌入式跟蹤宏單元 E——增強(qiáng) DSP指令 J——Jazelle技術(shù) F——向量浮點(diǎn)單元 S——可綜合的內(nèi)核 ARM7TDMIS ARM926EJS ARM966ES ARM1022E 2： 帶 MMU 4： 帶 MPU 6： 無(wú) MMU和 MPU 0： 標(biāo)準(zhǔn) cache 2： 小 cache 6： 可變 cache 12/95 ARM芯片、內(nèi)核和 CPU的關(guān)系 ARM CPU 數(shù)據(jù)通路 ARM CPU 控制邏輯 ARM 內(nèi)核 ARM CPU ARM 芯片 ARM 內(nèi)核 項(xiàng)目 ARM7 ARM9 ARM10 ARM11 流水線 3 5 6 8 典型頻率 MHz 80 150 260 335 功耗 mW/MHz (+cache) (+cache) (+cache) 性能MIPS/MHz 架構(gòu) 馮 ?諾伊曼 哈佛 哈佛 哈佛 ARM處理器（核）比較 ARM
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