【正文】 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 1 第二章 嵌入式微處理器 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 2 主要內(nèi)容 1 ARM CPU ISA的發(fā)展歷史 2 典型 ARM CPU Core體系結(jié)構(gòu) 3 ARM編程模型 本章部分內(nèi)容可以參考： 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 3 ARM公司 ? 成立于 1990年 11月 ? 前身為 Acorn計(jì)算機(jī)公司 ? 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 ? 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 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 4 ARM CPU Core概述 ARM內(nèi)核是一種 32/64位 RISC微處理器，具有功耗低、性價(jià)比高、代碼密度高等三大特色。 ARM處理器具有 RISC體系結(jié)構(gòu)的典型特征 : ? 體積小、低功耗、低成本、高性能 ； ? 支持 Thumb（ 16位） /ARM（ 32位）雙指令集，能很好地兼容 8位 /16位器件 ； ? 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快 ； ? 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成 ? 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高 ? 指令長(zhǎng)度固定 ? 所有指令都可以 條件執(zhí)行 ，以增大執(zhí)行吞吐量。 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 5 ARM CPU ISA的發(fā)展歷史 ARM CPU的指令集體系 ISA（即 ARM Instruction Set Architecture）從最初的 V1版本發(fā)展到現(xiàn)在，先后出現(xiàn)了 V1, V2, V3, V4, V4T, V5TE, V5TEJ, V6, V7,V8等主要的版本。 ARM V1～ V3版本的處理器未得到大量應(yīng)用，ARM處理器的大量廣泛應(yīng)用是從其 V4版本開始的 V7系列 CPU被稱作 CorTex系列 到目前 V8是最新的版本， 可以選擇 64或 32執(zhí)行狀態(tài) 。 64執(zhí)行狀態(tài)針對(duì) 64位處理技術(shù)，引入了一個(gè)全新指令集 A64，可以存取大虛擬地址空間 。 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 6 Development of the ARM Architecture Halfword and signed halfword / byte support System mode Thumb instruction set (v4T) Improved interworking CLZ Saturated arithmetic DSP MAC instructions Extensions: Jazelle (5TEJ) SIMD Instructions Multiprocessing v6 Memory architecture Unaligned data support Extensions: Thumb2 (6T2) TrustZone174。 (6Z) Multicore (6K) Thumb only (6M) ? Note that implementations of the same architecture can be different ? CortexA8 architecture v7A, with a 13stage pipeline ? CortexA9 architecture v7A, with an 8stage pipeline Thumb2 Architecture Profiles 7A Applications 7R Realtime 7M Microcontroller v4 v5 v6 v7 v8 64bit Arch 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 7 ARM V4 ?ARMV4是目前支持的最老的架構(gòu) ,是基于 32bit地址空間的 32bit指令集 。 ARMv4除了支持 ARMv3的指令外還擴(kuò)展了 ： ?支持 halfword的存取 ?支持 byte和 halfword的符號(hào)擴(kuò)展讀 ?支持 Thumb指令 ?提供 Thumb和 Normal狀態(tài)的轉(zhuǎn)換指令 ?進(jìn)一步的明確了會(huì)引起 Undefined異常的指令 ?對(duì)以前的 26bits體系結(jié)構(gòu)的 CPU不再兼容 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 8 ARMv4T ?ARMv4T增加了 16bit Thumb 指令集，這樣使得編譯器能產(chǎn)生緊湊代碼（相對(duì)于 32bit代碼，內(nèi)存能節(jié)省到 35%以上 )并保持 32bit系統(tǒng)的好處。 ?Thumb在處理器中仍然要擴(kuò)展為標(biāo)準(zhǔn)的 32位 ARM指令來運(yùn)行。用戶采用 16位 Thumb指令集最大的好處就是可以獲得更高的代碼密度和降低功耗 。 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 9 ARM V5TE ?1999年推出 ARMv5TE其增強(qiáng)了 Thumb體系 ,增強(qiáng)的Thumb 體 系 增 加 了 一 個(gè) 新 的 指 令 同 時(shí) 改進(jìn)了Thumb/ARM相互作用 、 編譯能力和混合及匹配ARM與 Thumb例程 ， 以更好地平衡代碼空間和性能 ?并在 ARM ISA 上 擴(kuò) 展 了 增 強(qiáng) 的 DSP 指令集 : 增強(qiáng)的 DSP指令包括支持飽和算術(shù) （ saturated arithmetic） , 并且針對(duì) Audio DSP應(yīng)用提高了 70%性能 。 ‘ E’擴(kuò)展表示在通用的 CPU上提供 DSP能力 。 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 10 ARMv5TEJ ?2023年推出 ARMv5TEJ，增加了 Jazelle擴(kuò)展以支持Java加速技術(shù)（處理器指令層對(duì) JAVA加速）。 ?Jazelle技術(shù)比僅僅基于軟件的 JVM性能提高近 8倍的性能減少了 80％的功耗。 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 11 ARMv6 ?2023年推出 ARMv6，它在許多方面做了改進(jìn)如內(nèi)存系統(tǒng)、異常處理和較好地支持多處理器。 ?SIMD擴(kuò)展使得廣大的軟件應(yīng)用如 Video和 Audio codec的性能提高了 4倍。 ?Thumb2和 TrustZone 技術(shù)也用于 ARMv6中。ARMv6第一個(gè)實(shí)現(xiàn)是 2023年春推出的 ARM1136J(F)STM處理器， 2023年又推出了 ARM1156T2(F)S 和ARM1176JZ(F)S處理器。 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology 12 ARMv7 ?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(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的 ? Profile M是針對(duì)低成本應(yīng)用的優(yōu)化的微控制器的 。 ?所有 ARMv7 profiles實(shí)現(xiàn) Thumb2技術(shù)， 比純 32位代碼少使用 31%的內(nèi)存 ， 高出 38%的性能 。 同時(shí)還包括了 NEON?技術(shù)的擴(kuò)展提高 DSP和多媒體處理吞吐量400％ ，并提供 浮點(diǎn)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 。 ?關(guān)于 ARM架構(gòu)發(fā)展可以參考： 第 2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 成于大氣 信達(dá)天下 Copyright2023lsh Chengdu University of Information Technology