【正文】 第 二 章 ARM微處理器硬件結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù) 計算機應(yīng)用研究所 2 內(nèi)容提要 ARM 存 儲 系 統(tǒng) 機 制 ARM處理器結(jié)構(gòu) 和技術(shù)特征 計算機體系結(jié)構(gòu) 計算機應(yīng)用研究所 3 計算機體系結(jié)構(gòu) ? 計算機中，按內(nèi)存的組成分兩種典型的結(jié)構(gòu)： 諾依曼結(jié)構(gòu) /普林斯頓結(jié)構(gòu) 計算機應(yīng)用研究所 4 馮 諾依曼體系結(jié)構(gòu) 指令寄存器 控制器 數(shù)據(jù)通道 輸入 輸出 中央處理器 存儲器 程序 指令 0 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 0 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2 結(jié)構(gòu)特點： 指令和數(shù)據(jù)存儲在相同的內(nèi)存空間，但存儲地址不同。 處理器利用相同的總線處理內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)，指令和數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)據(jù)寬度，指令與數(shù)據(jù)無法同時存取。 ARM7嵌入式微處理器亦采用此結(jié)構(gòu) 計算機應(yīng)用研究所 5 哈佛體系結(jié)構(gòu) 指令寄存器 控制器 數(shù)據(jù)通道 輸入 輸出 CPU 程序存儲器 指令 0 指令 1 指令 2 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù) 0 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2 地址 指令 地址 數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)特點： 指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，指令和數(shù)據(jù)分別位于不同的存儲空間。 指令與數(shù)據(jù)的存取采用不同總線，取指令和存取數(shù)據(jù)可同時進行，微處理器具有較高的執(zhí)行效率。 數(shù)字信號處理器 DSP通常采用哈佛結(jié)構(gòu) ， ARM9嵌入式微處理器亦采用此結(jié)構(gòu)。 計算機應(yīng)用研究所 6 第 2章 ARM微處理器硬件結(jié)構(gòu) 1 2 計 算 機 體 系 結(jié) 構(gòu) ARM處理器結(jié)構(gòu) 和技術(shù)特征 ARM 存 儲 系 統(tǒng) 機 制 3 計算機應(yīng)用研究所 7 ARM ARM公司簡介 ARM是 Advanced RISC Machines的縮寫，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的 RISC （精簡指令集）處理器。 公司的特點是只設(shè)計芯片，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) 計算機應(yīng)用研究所 8 ARM ARM公司簡介 將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商 形成各具特色的 ARM芯片 . . . 計算機應(yīng)用研究所 9 ARM Family ARM7? Family ARM9? Family ARM10? Family ARM11? Family 150DMIPS 300 DMIPS 500 DMIPS 1000 DMIPS ARM Cortex ? Family ARM720T ARM1136J ARM1176JZ ARM1026E ARM920T/ARM922T ARM926EJ Cortex A Application Processor ARM7TDMI ARM1156T2 ARM1026E ARM946E Cortex R Embedded RT Controller ARM7TDMI ARM966E ARM968E Cortex M Microcontroller ARM Architecture 計算機應(yīng)用研究所 10 ARM處理器的技術(shù)優(yōu)勢 ? 低能耗：當(dāng)初剛剛起步的嵌入式應(yīng)用對運算性能并不苛求，但對芯片的功耗卻相當(dāng)敏感。而相對同時期的其他解決方案， ARM架構(gòu)的能效比優(yōu)勢非常明顯。 ? 應(yīng)用方案非常靈活：由于 ARM公司只是提供了一個高效精簡的核心，各半導(dǎo)體廠商可根據(jù)自身需求進行應(yīng)用設(shè)計，架構(gòu)靈活簡便、擴展力很強。如廠商可為多媒體信號處理加入相關(guān)的指令集，或為 Java相關(guān)的應(yīng)用加入高效執(zhí)行單元，或增加 3D圖形協(xié)處理器等等。 ? 得到大量的軟件支持：包括 Windows CE、 Symbian和Palm OS在內(nèi)的手持設(shè)備三種主要操作系統(tǒng)系統(tǒng)都是基于 ARM架構(gòu)所設(shè)計。目前， ARM已經(jīng)牢牢占領(lǐng)手機、PDA以及其他的掌上電子產(chǎn)品市場，這些領(lǐng)域都非常注重軟件兼容和設(shè)計延續(xù)性， ARM在這些領(lǐng)域會繼續(xù)保持優(yōu)勢。 計算機應(yīng)用研究所 11 ARM處理器的應(yīng)用 ? 當(dāng)前主要應(yīng)用于消費類電子領(lǐng)域； ? 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％以上的市場份額 ? 全球 80%的 GSM/3G手機、 99%的 CDMA手機以及絕大多數(shù) PDA產(chǎn)品均采用 ARM體系的嵌入式處理器， ? “掌上計算”相關(guān)的所有領(lǐng)域皆為其所主宰。 ? ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。 計算機應(yīng)用研究所 12 ARM處理器內(nèi)核 ? 微處理器是整個系統(tǒng)的核心，通常由 4部分組成：控制 部件 、算術(shù)邏輯 部件、 寄存器 組和內(nèi)部總線 。 算術(shù)邏輯單元 寄存器 組 控制單元 CU 微處理器 存儲器 輸入 輸出 計算機應(yīng)用研究所 13 ARM協(xié)處理器接口 ? ARM為了便于片上系統(tǒng) SOC的設(shè)計， ARM處理器內(nèi)核盡可能精簡，要增加系統(tǒng)的功能，可以通過協(xié)處理器來實現(xiàn)。協(xié)處理器接口可以看作 ARM內(nèi)部總線的擴展， ARM處理器內(nèi)核能通過協(xié)處理器指令對協(xié)處理器進行操作。 ? 在邏輯上， ARM可以擴展 16個協(xié)處理器，每個協(xié)處理器可有 16個寄存器。 計算機應(yīng)用研究所 14 協(xié)處理器號 功能 15 系統(tǒng)控制 14 調(diào)試控制器 138 保留 74 用戶 30 保留 計算機應(yīng)用研究所 15 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V1 該版本的 ARM體系結(jié)構(gòu)，只有 26位的尋址空間，沒有商業(yè)化，其特點為： ? 基本的數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法）； ? 字節(jié)、字和半字加載 /存儲指令； ? 具有分支指令，包括在子程序調(diào)用中使用的分支和鏈接指令； ? 在操作系統(tǒng)調(diào)用中使用的軟件中斷指令。 計算機應(yīng)用研究所 16 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V2 同樣為 26位尋址空間，現(xiàn)在已經(jīng)廢棄不再使用，它相對 V1版本有以下改進： ? 具有乘法和乘加指令； ? 支持協(xié)處理器； ? 快速中斷模式中的兩個以上的分組寄存器； ? 具有原子性加載 /存儲指令 SWP和 SWPB。 計算機應(yīng)用研究所 17 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V3 尋址范圍擴展到 32位（目前已廢棄），具有獨立的程序： ? 具有乘法和乘加指令； ? 支持協(xié)處理器； ? 快速中斷模式中具有的兩個以上的分組寄存器； ? 具有原子性加載 /存儲指令 SWP和 SWPB。 計算機應(yīng)用研究所 18 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V4 不在為了與以前的版本兼容而支持 26位體系結(jié)構(gòu)，并明確了哪些指令會引起未定義指令異常發(fā)生，它相對 V3版本作了以下的改進： ? 半字加載 /存儲指令； ? 字節(jié)和半字的加載和符號擴展指令； ? 具有可以轉(zhuǎn)換到 Thumb狀態(tài)的指令（ BX）； ? 增加了用戶模式寄存器的新的特權(quán)處理器模式。 計算機應(yīng)用研究所 19 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V5 在 V4版本的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)在指令的定義進行了必要的修正，對 V4版本的體系結(jié)構(gòu)進行了擴展并并增加了指令，具體如下： ? 改進了 ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率； ? E增強型 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)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能。 計算機應(yīng)用研究所 20 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V6 V6版架構(gòu)是 2022年發(fā)布的，首先在 2022年春季發(fā)布的 ARM11處理器中使用。此架構(gòu)在 V5版基礎(chǔ)上增加了以下功能： 改進了 ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率； ? THUMBTM： 35%代碼壓縮； ? DSP擴充：高性能定點 DSP功能； ? JazelleTM： Java性能優(yōu)化，可提高 8倍； ? Media擴充：音 /視頻性能優(yōu)化，可提高 4倍。 計算機應(yīng)用研究所 21 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ? 各 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 —— V7 ? ARMv7定義了 3種不同的處理器配置 （ processor profiles） : ? Profile A是面向復(fù)雜、基于虛擬內(nèi)存的 OS和應(yīng)用的 ? Profile R是針對實時系統(tǒng)的 ； ? Profile M是針對低成本應(yīng)用的優(yōu)化的微控制器的 。 ? 所有 ARMv7 profiles實現(xiàn) Thumb2技術(shù)，同時還包括了 NEON?技術(shù)的擴展提高 DSP和多媒體處理吞吐量 400％ ，并提供浮點支持以滿足下一代 3D圖形和游戲以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需要。 計算機應(yīng)用研究所 22 ARM處理器的分類 結(jié)構(gòu)體系版本（ Architecture） ? ARM v4T ? ARM v5TE ? ARM v6 ? ARM Cortex (v7) Processor Family ? ARM7 ? ARM9 ? ARM10 ? ARM11 ? ARM Cortex 計算機應(yīng)用研究所 23 ARM各系列處理器 ? ARM公司開發(fā)了很多系列的 ARM處理器核，目前最新的系列已經(jīng)是 ARM11了，而 ARM6核以及更早的系列已經(jīng)很罕見了。目前應(yīng)用比較廣泛的系列是： ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM11 SecurCore Cortex Xscale 計算機應(yīng)用研究所 24 ARM7 ?ARM7微處理器系列 特點： 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)； ?ARMTDMI是目前應(yīng)用最廣的微處理器核 。 ?ARM720T帶有 MMU和 8KB的指令數(shù)據(jù)混合 cache； ?ARM7EJ執(zhí)行 ARMv5TEJ指令， 5級流水線，提供 Java加速指令，沒有存儲器保護。 計算機應(yīng)用研究所 25 A L E A [ 3 1 : 0 ] A B En E N O U T n E N I ND B E D [ 3 1 : 0 ]掃 描 控 制指 令 譯 碼 和邏 輯 控 制D B G R Q IB R E A K P T ID B G A C KE C L Kn E X E CI S Y N CB L [ 3 : 0 ]A P EM C L Kn W A I Tn R WM A S [ 1 : 0 ]n I R Qn F I Qn R E S E TA B O R Tn T R A N Sn M R R E Qn O P CS E QL O C Kn C P IC P AC P Bn M [ 4 : 0 ]T B ET B I TH I G H Z指 令 流 水 線讀 數(shù) 據(jù) 寄 存 器T h u m b 指 令 控 制 器寫 數(shù) 據(jù) 寄 存 器PC總線A總線桶 形 移 位 器3 2 X 8 乘 法 器寄 存 器 組( 3 1 x 3 2 位 寄 存 器 )( 6 狀 態(tài) 寄 存 器 )地 址 寄 存 器B總線地 址增 量 器增量器總線ALU總線3 2 位 A L U計算機應(yīng)用研究所 26 A R M 7 T D M IM C L Kn W A I TE C L Kn I R Qn F I QI S Y N Cn R E S E TB U S E NH I G H Zn H I G H ZB I G E N On E N I Nn E N O U Tn E N O U T IA B EA L EA P ED B ET B EB U S D I SE C A P A L KD B G R QB R E A K P TD B G A CKn E X E CE X T E R N 1E X T E R N 0D B G E NR A N G E O U T0R A N G E O U T1D B G R Q IC O M M R XC O M M T XI N S T R V A L I DD O U T [