【正文】 ARM體系結(jié)構(gòu)與編程 2022/5/23 內(nèi)容 ARM概述和分類(lèi) ARM指令集和匯編程序設(shè)計(jì) ARM體系結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)系統(tǒng) ARM中斷和異常處理 第一章 ARM概述和分類(lèi) 2022/5/23 內(nèi)容 ARM簡(jiǎn)介 ARM的分類(lèi) ARM的命名規(guī)則 基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)概述 2022/5/23 ARM介紹 什么是 ARM？ 其實(shí)，人人都用 ARM！ 什么是 ARM ?ARM是一個(gè)公司的名字 ?ARM代表一項(xiàng)技術(shù)，即 Advanced RISC Machine ?ARM是一個(gè)內(nèi)核，而不是我們看到的具體的芯片 ARM發(fā)展的歷程 ?第一片 ARM處理器是 1983年 10月到 1985年 4月間 在位于英國(guó)劍橋的 Acorn Computer公司開(kāi)發(fā) ?1990年，為廣泛推廣 ARM技術(shù)而成立了獨(dú)立的公司 ?Advance RISC Machine(ARM) ?主要設(shè)計(jì) ARM系列 RISC處理器內(nèi)核 ?授權(quán) ARM內(nèi)核給生產(chǎn)和銷(xiāo)售半導(dǎo)體的合作伙伴 ? ARM 公司不生產(chǎn)芯片 ? IP(Intelligence Property) ?另外也提供基于 ARM架構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù) ? 軟件工具 , 評(píng)估板 , 調(diào)試工具 ,應(yīng)用軟件 , ? 總線(xiàn)架構(gòu) , 外圍設(shè)備單元，等等 ?20世紀(jì) 90年代， ARM快速進(jìn)入世界市場(chǎng) 。 ARM Offices Worldwide 800+ 雇員 全球 England Cambridge, Maidenhead, Sheffield, Blackburn Germany Munich France Paris, Sophia Antipolis Korea Seoul US Seattle, Los Gatos, Walnut Creek, Austin, Boston, San Diego China Taiwan and Shanghai Japan ShinYokohama (Tokyo) ARM Partnership Model 2022/5/23 ARM的應(yīng)用 2022/5/23 ARM分類(lèi) ?基于指令集體系結(jié)構(gòu)（構(gòu)架 ISA）的分類(lèi) ?ARM V1 體系是最初版本，只有 26位的尋址空間，沒(méi)有乘法指令，最終沒(méi)有商業(yè)化 ?ARM V2 體系與 V1體系同為 26位尋址空間，具有乘法和加法指令，支持協(xié)處理器 ?ARM V3 體系的尋址范圍擴(kuò)展到 32位，具有乘法和加法指令，支持協(xié)處理器 ?ARM V4 體系增加了半字存儲(chǔ)操作，對(duì)調(diào)試的支持以及支持嵌入的 ICE ?ARM V5 體系增加了 DSP指令支持和對(duì) Java指令的支持 ?ARM V6 體系增加了媒體指令， ARMv6指令集合中加入了超過(guò)60條 SIMD單指令多數(shù)據(jù)指令 ?ARM V7 體系定義了三種獨(dú)立的內(nèi)核型－－ A(應(yīng)用領(lǐng)域 )， R(實(shí)時(shí)領(lǐng)域 )， M(控制領(lǐng)域 ) 2022/5/23 ARM系列處理器 ?基于處理器內(nèi)核的分類(lèi) ?ARM7 系列 ?ARM9 系列 ?ARM9E 系列 ?ARM10E 系列 ?SecurCore 系列 ?StrongARM/Xscale （ Intel） ?ARM11 2022/5/23 ARM命名舉例 核 體系結(jié)構(gòu) ARM1 V1 ARM2 V2 ARM2aS， ARM3 V2a ARM6， ARM600， ARM610 V3 ARM7， ARM700， ARM710 V3 ARM7TDMI， ARM710T， ARM720T ARM740T V4T Strong ARM， ARM8， ARM810 V4 ARM9TDMI， ARM920T， ARM940T V4T ARM9ES V5TE ARM10TDMI， ARM1020E V5TE ARM11， ARM1156T2S， ARM1156T2FS， ARM1176JZS，ARM11JZFS V6 2022/5/23 ARM體系的變種 ? 1） Thumb指令集（ T變種） Thumb指令集是把 32位的 ARM指令集的一個(gè)子集重新編碼后而 形成的一個(gè)特殊的 16位的指令集 ? 2）長(zhǎng)乘指令（ M變種） 長(zhǎng)乘指令是一種生成 64位相乘結(jié)果的乘法指令（此指令為 ARM指令）， M變種增加了兩條長(zhǎng)乘指令 ? 3）增強(qiáng)型 DSP指令（ E變種） E變種的 ARM體系增加了一些增強(qiáng)處理器對(duì)典型的 DSP算法 處理能力的附加指令。 ? 4） Java加速器 Jazelle（ J變種） ARM的 Jazelle技術(shù)是 Java語(yǔ)言和先進(jìn)的 32位 RISC芯片完美結(jié)合的產(chǎn)物 。 ? 5） ARM媒體功能擴(kuò)展（ SIMD變種） 2022/5/23 ARM的命名規(guī)則 ? ARM的命名分成兩類(lèi)： ? 基于 ARM Architecture的版本命名規(guī)則； ? 基于 ARM Architecture版本的處理器系列命名規(guī)則。 舉個(gè)例子， s3c2410采用 ARMv4T架構(gòu)版本， ARM920T處理器系列，其中處理器核為 ARM9TDMI。 2022/5/23 基于 ARM Architecture的版本命名 規(guī)則： | ARMv | n | variants | x（ variants） | 分成四個(gè)組成部分： ARMv 固定字符，即 ARM Version n 指令集版本號(hào)。迄今為之， ARM架構(gòu)版本發(fā)布了 7個(gè)系列，所以 n=[1:7]。其中最新的版本是第 7版 variants 變種。 x （ variants） 排除 x后指定的變種 常見(jiàn)的變種有： T Thumb指令集 M 長(zhǎng)乘法指令 E 增強(qiáng)型 DSP指令 J Java加速器 Jazelle SIMD ARM媒體功能擴(kuò)展 例如， ARMv5TxM表示 ARM指令集版本為 5，支持 T變種，不支持 M變種 2022/5/23 基于 ARM Architecture版本的處理器系列命名 采用上述的架構(gòu)，形成一系列的處理器。有時(shí)候還要區(qū)分處理器核和處理器系列。不過(guò)，在這里其實(shí)不用區(qū)分太細(xì)，畢竟這是功能的小部分的變化，核心是相同的。 規(guī)則： ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{S} x 處理器系列 y 存儲(chǔ)管理 /保護(hù)單元 z cache T 支持 Thumb指令集 D 支持片上調(diào)試 M 支持快速乘法器 I 支持 Embedded ICE，支持嵌入式跟蹤調(diào)試 E 支持增強(qiáng)型 DSP指令 J 支持 Jazelle F 具備向量浮點(diǎn)單元 VFP S 可綜合版本 2022/5/23 基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)概述 (1) RISC設(shè)計(jì)思想 與 CISC相比，有以下幾個(gè)方面不同： a：設(shè)計(jì)重點(diǎn)不同， RISC重點(diǎn)在于通過(guò)軟件的靈活降低硬件執(zhí)行指令的復(fù)雜度，即使得編譯器更高的復(fù)雜性 b：指令集， RISC減少了指令種類(lèi)，操作也簡(jiǎn)單，基本是一個(gè)周期執(zhí)行一條指令，每一條指令長(zhǎng)度是固定，而 CISC指令長(zhǎng)度不固定，執(zhí)行也需要多個(gè)周期 c：寄存器， RISC擁有更多寄存器，都可以存放數(shù)據(jù)或地址，而 CISC都是用于特定目的的專(zhuān)用寄存器 d： loadstore結(jié)構(gòu)，即處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，獨(dú)立的loadstore指令完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送，即數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)分開(kāi)，而 CISC能夠直接處理存取器中的數(shù)據(jù) 注： ARM指令集屬于 RISC指令集，但與單純的 RISC有以下幾方面不同 2022/5/23 基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)概述 ARM指令集屬于 RISC指令集，但與單純的 RISC有以下幾方面不同： a：大部分 ARM指令是單周期完成的，但也有不是的，如多寄存器的 loadstore指令的執(zhí)行周期是不確定的，具體由被傳送的寄存器個(gè)數(shù)決定。 b：內(nèi)嵌桶型移位寄存器 c： Thumb 16位指令集 d：條件執(zhí)行 e：增強(qiáng)指令，如添加了強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)指令，以支持 16 16位乘法操作及飽和操作 2022/5/23 基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)概述 (2) 高速緩存（ cache） 為什么采用高速緩存 微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。 高速緩存的工作原理 高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。 CPU 高速緩存控制器 CACHE 主存 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 地址 2022/5/23 基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)概述 (3)嵌入式處理器分類(lèi) 微處理器 (Micro Processor Unit, MPU) 微控制器 (Micro Controller Unit, MCU) 嵌入式 DSP (Digital Signal Processor, DSP) 片上系統(tǒng) (System On Chip) 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的 CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為滿(mǎn)嵌入式應(yīng)用 的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強(qiáng)。 ? 目前主要的嵌入式處理器類(lèi)型有 Am186/8 386EX、 SC400、 PowerPC、 68000、 MIPS、 ARM/StrongARM系列等 嵌入式微處理器 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又稱(chēng)單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM、 RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、 A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱(chēng)微控制器。 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括 805 P51XA、 MCS25 MCS96/196/29C166/16 MC68HC05/11/12/1 68300等。另外還有許多半通用系列如：支持 USB接口的 MCU 8XC930/93 C5 C541；支持 I2C、 CANBus、 LCD及眾多專(zhuān)用 MCU和兼容系列。目前 MCU占嵌入式系統(tǒng)約 70％的市場(chǎng)份額。 嵌入式 DSP處理器 DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、 FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域， DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn) DSP功能，過(guò)渡到采用嵌入式 DSP處理器。 嵌入式 DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源，一是 DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、 EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式 DSP處理器， TI的 TMS320C2022 /C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或 SOC中增加 DSP協(xié)處理器，例如 Intel的MCS296和 Infineon(Siemens)的 TriCore。 推動(dòng)嵌入式 DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端