【正文】 第三章 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)與指令集 ? ARM嵌入式微處理器概述 ? ARM微處理器體系結(jié)構(gòu) ? ARM處理器的指令系統(tǒng) ? ARM處理器編程簡介 ? ARM處理器初始化分析 ARM嵌入式微處理器概述 ? 嵌入式微處理器概述 ?嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。目前 32位嵌入式微處理器是市場(chǎng)的主流。 ? 32位嵌入式微處理器市場(chǎng)有超過 100家的芯片供應(yīng)商和近 30種指令體系結(jié)構(gòu)。 ?1996年以前，最成功的是 Motorola公司的 68000系列。此外還包括其它體系結(jié)構(gòu)，如 Intel公司的 I960， Motorola公司的Coldfire， Sun公司的 Sparc，以及嵌入式 X86系列平臺(tái)。 ?最引人注目的還是 ARM公司的 ARM系列、 MIPS公司的 MIPS系列，以及 Hitachi公司的 SuperH系列。 嵌入式微處理器概述 1．嵌入式處理器評(píng)價(jià)指標(biāo) （ 1）功耗。 （ 2）代碼存儲(chǔ)密度。 （ 3）集成度。 （ 4）多媒體加速。 2．評(píng)估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo) （ 1） MIPS測(cè)試基準(zhǔn)。 （ 2） Dhrystone。 （ 3） EEMBC。 ARM微處理器概述 ? 成立于 1990年 11月 – 前身為 Acorn計(jì)算機(jī)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 ,總線架構(gòu) , 外圍設(shè)備單元等等 1. ARM處理器的特點(diǎn) （ 1）體積小、功耗低、成本低、性能高； （ 2） 16位 /32位雙指令集； （ 3）指令長度固定（ 32位 /16位） （ 4）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快 （ 5）尋址方式簡單靈活、執(zhí)行效率高 2. ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 （ 1）工業(yè)控制領(lǐng)域 占據(jù)高端微處理器的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展 （ 2）無線通信領(lǐng)域 目前已有超過 85%的無線通信設(shè)備采用了 ARM技術(shù) （ 3）消費(fèi)類電子產(chǎn)品 在音頻播放器、機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛應(yīng)用 （ 4）圖像處理產(chǎn)品 數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用 ARM技術(shù)。 ARM架構(gòu)版本與產(chǎn)品系列 1． ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列 （ 1）通用系列 ARM7系列 ARM9系列、 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 Cortex系列 （ 2）安全系列 SecurCore系列 2． ARM7 系列 ARM架構(gòu)版本與產(chǎn)品系列 （ 1） ARM7微處理器系列特點(diǎn) ① 極低的功耗 ()，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用 ② 具有嵌入式 ICERT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便 ③ 能夠提供 ④ 支持的操作系統(tǒng)： μC/OSII、 μClinux等 ⑤ 性能最高可達(dá) 130MIPS （ 2） ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域 2． ARM7 系列 ① 工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器 ② 移動(dòng)電話、消費(fèi)電子等 （ 3） ARM7系列類型 ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM720T TDMI的基本含義 T：支持 16位壓縮指令集 Thumb D：支持片上 Debug M：內(nèi)嵌硬件乘法器 I：嵌入式 ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn) 3． ARM9系列 （ 1） ARM9系列微處理器的特點(diǎn) ① 5級(jí)流水線，指令執(zhí)行效率更高 ② 提供 ③ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Embedded Linux等 ④ 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache和指令 Cache ⑤ 性能最高可達(dá) 300MIPS 3． ARM9系列 （ 2） ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用 ① 無線設(shè)備 ② 機(jī)頂盒 ③ 高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī) ④ 汽車電子 （ 3） ARM9系列微處理器類型 ARM920T、 ARM922T 4． ARM9E系列 （ 1） ARM9E系列微處理器的主要特點(diǎn) ① 支持 DSP指令集 ② 5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高 ③ 支持 VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器 ④ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Embedded Linux等 ⑤ 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache和指令 Cache ⑥ 性能最高可達(dá) 300MIPS 4． ARM9E系列 （ 2） ARM9E系列微處理器的主要應(yīng)用 ① 工業(yè)控制 ② 無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 ③ 數(shù)字消費(fèi)品、圖像處理設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備 （ 3） ARM9E系列微處理器類型 ARM926EJS； ARM046ES； ARM966ES、ARM968ES； ARM996HS 5． ARM10E系列 （ 1） ARM10E系列微處理器的主要特點(diǎn) ① 支持 DSP指令集 ② 6級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高 ③ 支持 VF10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器 ④ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Embedded Linux等 ⑤ 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache和指令 Cache ⑥ 性能最高可達(dá) 400MIPS 5． ARM10E系列 （ 2） ARM10E系列微處理器的主要應(yīng)用 ① 手持設(shè)備 ② 工業(yè)控制 ③ 數(shù)字消費(fèi)品、汽車電子 ④ 圖像處理設(shè)備 （ 3） ARM10E系列系列微處理器類型 ARM1020E； ARM1022E； ARM1026EJS 6． ARM11系列 （ 1） ARM11系列微處理器的主要特點(diǎn) ① 高性能 ?8級(jí)流水 ?增強(qiáng)的 ARMv6體系結(jié)構(gòu) ?與同等的 ARM10相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近 50% ?時(shí)鐘頻率達(dá)到 500~750MHz ② 低功耗 ?ARM系列微處理器采用先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低 ?(， ) 6． ARM11系列 （ 2） ARM11系列微處理器的主要應(yīng)用 ① 消費(fèi)電子、汽車電子 ② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像處理設(shè)備 ③ 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、無線設(shè)備 （ 3） ARM11系列微處理器類型 ARM11 MPCCore（多核處理器）； ARM1136J(F)S；ARM1156T2(F)S； ARM1176JZ (F)S 7． Cortex系列 （ 1） ARM CortexA Series——高性能應(yīng)用 ① 支持 ARM、 Thumb和 Thumb2指令集 ② 帶 MMU，運(yùn)行 Linux、 Windows CE等操作系統(tǒng) ③ TI OMAP35xx、 ST） （ 2） ARM CortexR Series——實(shí)時(shí)性應(yīng)用 ① Embedded processors for realtime systems ② 支持 ARM、 Thumb和 Thumb2指令集 ③ 不帶 MMU，運(yùn)行 Vxworks等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 7． Cortex系列 （ 3） ARM CortexM Series——低成本應(yīng)用 ① 只支持 Thumb2指令集 ② 不帶 MMU，不加載或者加載簡單嵌入式操作系統(tǒng) ③ 典型芯片 TIStellaris LM3Sxxxx系列 NXP LPC1000系列 ATMELSAM3系列 8． SecurCore系列 （ 1） SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì) ① 具有 ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn) ② 提供了完善的 32位 RISC技術(shù)的安全解決方案 （ 2） SecurCore系列微處理器在系統(tǒng)安全方面的特點(diǎn) ① 帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全 ② 采用軟處理器內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè) ③ 可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器 8． SecurCore系列 （ 3） SecurCore系列微處理器 的應(yīng)用領(lǐng)域 ① 電子商務(wù) ② 電子銀行 ③ 電子政務(wù) ④ 網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng) （ 4） SecurCore系列微處理器類型 SecurCore SC100； SecurCore SC110； SecurCore SC200； SecurCore SC210； SecurCore SC300 ARM微處理器的應(yīng)用選型 1． ARM微處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)的選擇 （ 1）帶有 MMU功能的 ARM內(nèi)核 ARM720T、 ARM92Xt、 CortexA8 支持 WinCE、嵌入式 Linux、嵌入式 Windows Xp等 （ 2）不帶 MMU功能的 ARM內(nèi)核 ARM7TDMI、 CortexM CortexR4 支持 μCLinux操作系統(tǒng) 不支持 WinCE、嵌入式 Linux等操作系統(tǒng) ARM微處理器的應(yīng)用選型 2．系統(tǒng)的工作頻率 （ 1） ARM7系列的典型處理速度為 系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為 20MHz~133MHz （ 2） ARM9系列的典型處理速度為 MIPS/MHz 系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為 100MHz~233MHz （ 3） ARM10系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率高達(dá) 400MHz （ 4） ARM11系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率高達(dá) 750MHz，加速度比 MIPS/MHz （ 5） CortexM3——，頻率高達(dá) 100MHz （ 6） CortexR4——，頻率高達(dá) 400MHz （ 7） CortexA8——，頻率高達(dá) 1GHz 3．芯片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量 ARM微處理器的應(yīng)用選型 （ 1）大多數(shù)的 ARM微處理器片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)外擴(kuò)存儲(chǔ)器 （ 2）有部分芯片具有相對(duì)較大的片內(nèi)存儲(chǔ)空間 4．片內(nèi)外圍電路的選擇 （ 1）幾乎所有的 ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片中 （ 2）片內(nèi)外圍電路： USB接口、 IIS（音頻）接口、 LCD控制器、鍵盤接口、 RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 ADC和 DAC、DSP協(xié)處理器等 （ 3）設(shè)計(jì)者應(yīng)分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能 ARM微處理器的應(yīng)用選型 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu) ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)概述 ARM7采用馮 諾依曼體系結(jié)構(gòu) ARM9以后版本都采用哈佛結(jié)構(gòu) ARM體系結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)類型支持如下： 字：字長 32位。 半字： 16位。 字節(jié)： 8位。 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)概述 低地址 高地址 地址 A 地址 A+1 地址 A+2 地址 A+3 f6 73 4b cd 低地址 高地址 地址 A 地址 A+1 地址 A+2 地址 A+3 f6 73 4b cd word a=0x f6 73 4b cd 大端的數(shù)據(jù)存放格式 小端的數(shù)據(jù)存放格式 ARM體系結(jié)構(gòu) ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)概述 1． ALU邏輯結(jié)構(gòu) ARM的 ALU與常用 ALU邏輯結(jié)構(gòu)基本相同，由兩個(gè)操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果及零檢測(cè)邏輯構(gòu)成。 ALU的最小數(shù)據(jù)通路周期包含寄存器讀時(shí)間、移位器延遲、 ALU延遲、寄存器寫建立時(shí)間、雙相時(shí)鐘間非重疊時(shí)間等幾部分。 2．桶形移位寄存器 ARM采用了 32 32位桶形移位寄存器，左移／右移 n位、環(huán)移 n位和算術(shù)右移 n位等都可以一次完成，可以有效的減少移位的延遲時(shí)間。在桶形移位寄存器中，所有的輸入端通過交叉開關(guān)與所有的輸出端相連。交叉開關(guān)采用 NMOS晶體管來實(shí)現(xiàn)。 A操作數(shù)鎖存 XOR門 B操作數(shù)鎖存 XOR門 邏輯功能運(yùn)算器 結(jié)果多路器 零檢測(cè) 加法器 反相 A 功能 邏輯 /算術(shù) 結(jié)果 Z N C 輸入 CV 反相 B 溢出 符號(hào)位 為零標(biāo)志 進(jìn)位位 1． ALU邏輯結(jié)構(gòu) 2．桶形移位寄存器 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)概述 3．高速乘法器 ARM為了提高運(yùn)算速度，采用兩位乘法的方法， 2位乘法可根據(jù)乘數(shù)的 2位來實(shí)現(xiàn)“加－移位”運(yùn)算。 乘數(shù) An1An 進(jìn)位 Cin 操作 00 0 S2, Cout=“0” 01 0 S+B2, Cout=“0” 10 0 S+2 B2, Cout=“0” 11 0 SB2, Cout=“1” 00 1 S+B2,