【正文】 1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā) — 基于 32位微處理器與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 第三講 ARM嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu) 北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人研究所 王田苗 魏洪興 2 本節(jié)提要 1 3 2 4 嵌入式微處理器概述 ARM體系結(jié)構(gòu)概覽 ARM編程模型 ARM 異常處理 3 嵌入式處理器概述 ? 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)，我們可以發(fā)現(xiàn)超過(guò) 100家的芯片供應(yīng)商和近 30種指令體系結(jié)構(gòu)。 ? 在 1996年以前，最成功的嵌入式微處理器是 Motorola公司的68000系列。此外嵌入式微處理器市場(chǎng)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)。 ? 當(dāng)然，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（其中 ARM和 MIPS都知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司，把他們的微處理器 IP技術(shù)授權(quán)給半導(dǎo)體廠商，由他們生產(chǎn)形態(tài)各異的微處理器芯片）。 4 嵌入式處理器評(píng)價(jià)指標(biāo)（ 1） ? 功耗。一般的嵌入式微處理器都有三種運(yùn)行模式：運(yùn)行模式（operational）；待機(jī)模式（ standby or power down）；停機(jī)模式（ and clockoff）。功耗的評(píng)測(cè)指標(biāo)是 MIPS/W； ? 代碼存儲(chǔ)密度。傳統(tǒng)的 CISC指令集計(jì)算機(jī)具有較好的代碼存儲(chǔ)密度。而 RISC指令集計(jì)算機(jī)由于要求指令編碼長(zhǎng)度固定，雖然可以簡(jiǎn)化和加速指令譯碼過(guò)程，但為了實(shí)現(xiàn)與 CISC指令集計(jì)算機(jī)相同的作業(yè)，往往需要更多的指令來(lái)完成，從而增加了代碼長(zhǎng)度。如Hitachi的 SuperH體系結(jié)構(gòu)采用了定長(zhǎng)的 16位指令，對(duì)每條指令按 16位的格式存儲(chǔ)。 ARM則采用 16位擴(kuò)展的 Thumb指令集，片內(nèi)的邏輯譯碼器將其等價(jià)為 32位的 ARM指令而實(shí)時(shí)解碼。而MIPS則采用 MIPS16方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。（影響代碼密度的另外一個(gè)主要因素是所采用的 C編譯器。 ANSI C是當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，隨著嵌入式微處理器性能的提高，面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言也將被采用并會(huì)逐漸成為主流，一些編譯器供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始著手解決代碼密度問(wèn)題。） 5 嵌入式處理器評(píng)價(jià)指標(biāo)（ 2） ? 集成度。嵌入式微處理器一般都為專(zhuān)用市場(chǎng)設(shè)計(jì)的，需要較高的集成度。但把所有的外圍設(shè)備都集成到一個(gè)芯片上也不是一種好的解決方案。這是因?yàn)楦呒啥仁剐酒兊脧?fù)雜，芯片引腳變密，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試的復(fù)雜性。因此，集成外圍設(shè)備時(shí)必須要考慮簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮短整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。 ? 多媒體加速。為實(shí)現(xiàn)多媒體加速功能，嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)者在傳統(tǒng)的微處理器指令集的基礎(chǔ)上增加JPEG和 MPEG解壓縮的離散余弦變換指令。還有一些半導(dǎo)體廠商針對(duì)智能手機(jī)和移動(dòng)通訊市場(chǎng)的需求，將RISC微處理器和 DSP集成在一個(gè)芯片上，如 TI 的OMAP。 6 嵌入式處理器的基本結(jié)構(gòu)（ 1） ? 微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通常由 3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。 算術(shù)邏輯單元 寄存器 控制單元 微處理器 存儲(chǔ)器 輸入 輸出 7 嵌入式處理器的基本結(jié)構(gòu)（ 2） ? 控制單元：主要負(fù)責(zé)取指、譯碼和取操作數(shù)等基本動(dòng)作，并發(fā)送主要的控制指令?？刂茊卧邪▋蓚€(gè)重要的寄存器：程序計(jì)數(shù)器（ PC）和指令寄存器（ IR）。程序計(jì)數(shù)器用于記錄下一條程序指令在內(nèi)存中的位置，以便控制單元能到正確的內(nèi)存位置取指；指令寄存器負(fù)責(zé)存放被控制單元所取的指令，通過(guò)譯碼，產(chǎn)生必要的控制信號(hào)送到算術(shù)邏輯單元進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作。 ? 算術(shù)邏輯單元：算術(shù)邏輯單元分為兩部分，一部分是算術(shù)運(yùn)算單元，主要處理數(shù)值型的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，如加、減、乘、除或數(shù)值的比較；另一部分是邏輯運(yùn)算單元，主要處理邏輯運(yùn)算工作，如 AND、 OR、 XOR或 NOT等運(yùn)算。 ? 寄存器：用于存儲(chǔ)暫時(shí)性的數(shù)據(jù)。主要是從存儲(chǔ)器中所得到的數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)被送到算術(shù)邏輯單元中進(jìn)行處理）和算術(shù)邏輯單元中處理好的數(shù)據(jù)（再進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)行或存入到存儲(chǔ)器中。 8 評(píng)估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo) 要先明確預(yù)期最終應(yīng)用程序在待選平臺(tái)上的運(yùn)行情況和測(cè)試目的，然后再挑選符合要求的特定測(cè)試向量。 ? MIPS測(cè)試基準(zhǔn)。測(cè)試方法是計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)各類(lèi)指令的平均執(zhí)行條數(shù)，單位： MIPS。 ? Dhrystone。 Dhrystone(整數(shù)和邏輯運(yùn)算性能測(cè)試 )還有 Whetstone(測(cè)試浮點(diǎn)運(yùn)算性能 )。 Dhrystone的計(jì)量單位是 MIPS(每秒處理 100萬(wàn)條指令 )而 Whetstone的是 MFLOPS(每秒執(zhí)行 100萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算 )。測(cè)試基準(zhǔn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的 C語(yǔ)言程序。 EEMBC驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室研究指出，Dhrystone不適于作為嵌入式系統(tǒng)的測(cè)試向量。雖然它是市面上最普遍適用的測(cè)試向量，但它有許多漏洞。 ? EEMBC?；诿棵腌娝惴▓?zhí)行的次數(shù)和編譯代碼大小的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 。 ? 一次詳盡的分析需要仔細(xì)衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、開(kāi)發(fā)工具支持以及價(jià)格 9 本節(jié)提要 1 3 2 4 嵌入式微處理器概述 ARM體系結(jié)構(gòu)概覽 ARM編程模型 ARM 異常處理 10 ARM簡(jiǎn)介 ? ARM——Advanced RISC Machines ? ARM——32位 RISC結(jié)構(gòu) IP核提供商 11 ARM Ltd ? 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(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 12 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 ? 工業(yè)控制領(lǐng)域 ? 無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域 ? 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 ? 消費(fèi)電子產(chǎn)品 ? 成像和安全產(chǎn)品 13 ARM微處理器系列 ? ARM7系列 ? ARM9系列 ? ARM9E系列 ? ARM10E系列 ? ARM11系列 ? SecurCore系列 ? Cortex系列 ? Inter的 StrongARM和 Xscale系列 14 ? ARM公司成立于 1981年，最初與英國(guó)廣播公司合作為英國(guó)教育界設(shè)計(jì)小型機(jī)，當(dāng)時(shí)采用的是美國(guó)的 6502芯片。取得成功后，他們開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的芯片，受當(dāng)時(shí)美國(guó)加洲大學(xué)伯克利分校提出的 RISC思想的影響，他們?cè)O(shè)計(jì)的芯片也采用 RISC體系結(jié)構(gòu)，并命名為“ Acorn RISC Machine” 。 ? ARM公司的第一款芯片 ARM1在 1985年被設(shè)計(jì)出來(lái)，次年又設(shè)計(jì)了真正實(shí)用的 ARM2。 ARM2具有 32位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和 24位地址總線(xiàn)，帶有 16個(gè)寄存器。 ARM2可能是當(dāng)時(shí)最簡(jiǎn)化的 32位微處理器，上面僅有30000個(gè)晶體管（ 4年前 Motorola公司的 68000則有 68000個(gè)晶體管）。這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)使 ARM2具有優(yōu)異的低功耗特性，而性能則超過(guò)了同期 Intel公司的 286（ 134K個(gè)晶體管）。 ? 1990年 ARM公司另外組建了一個(gè)名為 “ Advanced RISC Machines” 的公司，專(zhuān)門(mén)從事 ARM系列微處理器的開(kāi)發(fā)。 1998年 ARM公司在倫敦證券交易所和 NASDAQ上市。 ARM的發(fā)展歷程 1 15 ? ARM7TDMI 是 ARM公司最成功的微處理器 IP之一，至今在蜂窩電話(huà)領(lǐng)域已銷(xiāo)售了數(shù)億個(gè)微處理器。 ? DEC公司獲得 ARM公司授權(quán)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了 StrongARM系列微處理器，這款 CPU的主頻達(dá)到了 233MHz，而功率不到 1瓦。后來(lái) DEC公司StrongARM部門(mén)被 Intel公司并購(gòu)， Intel公司用 StrongARM取代了他們境況不佳的 i860和 i960體系，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了新的體系結(jié)構(gòu)XScale系列。 ? 世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM公司購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的 ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前， Motorola、 IBM、 TI、 Philips、VLSI、 Atmel和 Samsung等幾十家大的半導(dǎo)體公司都獲得了 ARM公司的授權(quán)，生產(chǎn)形態(tài)各異的 ARM芯片 ARM的發(fā)展歷程 2 16 ARM處理器的技術(shù)優(yōu)勢(shì) ? 低能耗：當(dāng)初剛剛起步的嵌入式應(yīng)用對(duì)運(yùn)算性能并不苛求，但對(duì)芯片的功耗卻相當(dāng)敏感。而相對(duì)同時(shí)期的其他解決方案， ARM架構(gòu)的能效比優(yōu)勢(shì)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(gè)高效精簡(jiǎn)的核心，各半導(dǎo)體廠商可根據(jù)自身需求進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，架構(gòu)靈活簡(jiǎn)便、擴(kuò)展力很強(qiáng)。如廠商可為多媒體信號(hào)處理加入相關(guān)的指令集，或?yàn)?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(jì)。目前， ARM已經(jīng)牢牢占領(lǐng)手機(jī)、 PDA以及其他的掌上電子產(chǎn)品市場(chǎng)，這些領(lǐng)域都非常注重軟件兼容和設(shè)計(jì)延續(xù)性， ARM在這些領(lǐng)域會(huì)繼續(xù)保持優(yōu)勢(shì)。 17 ARM處理器的應(yīng)用 ? 當(dāng)前主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)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(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。 ? ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。 18 ARM的發(fā)展歷程 2 ? 1991 ARM 推出第一款 RISC嵌入式微處理器核 ARM6 ? 1993 ARM 推出 ARM7 核 ? 1995 – ARM的 Thumb擴(kuò)展指令集結(jié)構(gòu)為 16位系統(tǒng)增加了 32位的性能 ,提供業(yè)界領(lǐng)先的代碼密度 19 ARM的發(fā)展歷程 3 ARM 8,810ARM 7D,7DMARM 2,31985 90 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997ARM 7TDM IARM 6,60,610ARM 7,710M IP S204060801000St ron gARMARM 9,92020 ARM處理器的 3大特點(diǎn)如下： ? 小體積、低功耗、成本低、高性能； ? 16位 /32位雙指令集； ? 全球眾多的合作伙伴。 當(dāng)前 ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括： ? Thumb:16位指令集，用以改善代碼密度； ? DSP：用于 DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集； ? Jazeller：允許直接執(zhí)行 Java代碼的擴(kuò)充。 ARM處理器系列提供的解決方案包括： ? 在無(wú)線(xiàn)、消費(fèi)電子和圖像應(yīng)用方面的開(kāi)放平臺(tái)； ? 存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)； ? 智能卡和 SIM卡的安全應(yīng)用。 ARM處理器的特點(diǎn) 21 ARM 授權(quán)費(fèi) IP ARM 創(chuàng)造和 設(shè)計(jì) IP Partner 產(chǎn)品，例如：芯片 Partner把 ARM IP 和其他 IP 集成進(jìn)產(chǎn)品 OEM Customer 版權(quán)費(fèi) 單價(jià) OEM 用來(lái)自ARM Partner的芯片設(shè)計(jì)制造最終用戶(hù)產(chǎn)品 業(yè)務(wù)拓展 / 市場(chǎng)格局 ARM的業(yè)務(wù)模型 22 ARM 微處理器 ? 微處理器核 : ARM6, ARM7, ARM9, ARM10, ARM11 ? 擴(kuò)展 : Thumb, DSP, SIMD, Jazelle etc. ? 其它 IP核 : UART, GPIO, memory controllers, etc 23 ARM處理器的使用量 ARM 2022 24 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 1 ? Version 1 (obsolete) ? 基本數(shù)據(jù)處理 ? 字節(jié) ,字以及多字 load/store ? 軟件中斷 ? 26 bit 地址總線(xiàn) ? Version 2 (obsolete) ? Multiply amp。 Multiplyaccumulate ? 支持協(xié)處理器 ? 支持線(xiàn)程同步 ? 26 bit 地址總線(xiàn) 25 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 2 ? V3版本推出 32位尋址能力 ,結(jié)構(gòu)擴(kuò)展變化為 ? T—16位壓縮指令集 ? M—增強(qiáng)型乘法器 ,產(chǎn)生全 64位