【文章內(nèi)容簡介】 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。 ? 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。 ? 指令長度固定。 。 ARM 體系結(jié)構(gòu)簡介 1． ARM 微處理器工作狀態(tài) ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換。 ? 第一種為 ARM狀態(tài)，此時處理器執(zhí)行 32 位的字對齊的 ARM指令。 10 ? 第二種為 Thumb 狀態(tài)，此時處理器執(zhí)行 16 位的、半字對齊的 Thumb 指令。 2． ARM 體系結(jié)構(gòu)的存儲格式 ? 大端格式：在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。 ? 小端格式：與大端存儲格式相反，在小端存儲格式中，低地址中存放是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。 3． ARM 處理器模式 ARM微處理器支持 7 種運行模式，分別如下。 ? 用戶模式（ usr）： ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。 ? 快速中斷模式（ fiq）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理。 ? 外部中斷模式（ irq）： 用于通用的中斷處理。 ? 管理模式（ svc）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。 ? 數(shù)據(jù)訪問終止模式（ abt）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護(hù)。 ? 系統(tǒng)模式（ sys）：運行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。 ARM 體系機構(gòu) 1． ARM 微處理器系列簡介 ARM 微處理器系列主要特點及其主要應(yīng)用領(lǐng)域如表 42 所示。 表 42 ARM 微處理器系列 型號 主要特點 ARM7 低功耗的 32位 RISC處理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應(yīng) 用。 主要應(yīng)用領(lǐng)域為：工業(yè)控制、 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動電話等多 種多媒體和嵌入式應(yīng)用 11 ARM9 在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 主要應(yīng)用領(lǐng)域為：無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相 機和數(shù)字?jǐn)z像機 等 ARM9E 綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核，提供了微控制器、 DSP、 Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決 方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。主要應(yīng)用領(lǐng)域為：下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等 ARM10E 高性能、低功耗。由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的 ARM9 器件相比較，在同樣 的時鐘頻率下，性能提高近 50%，同時， ARM10E 系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的 節(jié)能方式，使其功耗極低。 主要應(yīng)用領(lǐng)域為：下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等 SecurCore 專為安全需要而設(shè)計，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。 主要應(yīng)用領(lǐng)域為：對安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、 電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域 StrongARM 融合了 Intel 公司的設(shè)計和處理技術(shù)以及 ARM 體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上 兼容 ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時采用具有 Intel技術(shù)優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。 主要應(yīng)用領(lǐng)域為：便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品 2 ARM9 主要特點 ARM 處理器憑借它的低功耗、高性能等特點，被廣泛應(yīng)用于個人通信等嵌入式領(lǐng)域，而 ARM7 也曾在中低端手持設(shè)備中占據(jù)了一席之地。然而， ARM7 的處理性能逐漸無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的高性能功能需求的處理，它開始退出主流應(yīng)用領(lǐng)域，取而代之的是性能更加強大的 ARM9 系列處理器。 新一代的 ARM9 處理器，通過全新的設(shè)計，能夠達(dá)到兩倍以上于 ARM7 處理器的處理能力。它的主要特點如下所述。 （ 1） 5級流水線 12 ARM7處理器采用的 3級流水線設(shè)計，而 ARM9采用 5級流水線設(shè)計如圖 31所示。 ARM7的 3級流水線 Instruction Fetch Thumb ARM depress ARM decode Reg Read shift ALU Reg Write Reg Select FETCH DECODE EXECUTE ARM9E的 5級流水線 Instruction Fetch ARM or Thumb Decode MAC1 MAC2+SAT Reg Write Reg Decode Reg Read Shift+ALU Memory Access FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITE 圖 31 ARM7與 ARM9流水線比較 通過使用 5級流 水線機制，在每一個時鐘周期內(nèi)可以同時執(zhí)行 5條指令。這樣就大大提高了處理性能。在同樣的加工工藝下， ARM9處理器的時鐘頻率是 ARM7 的 ～ 。 （ 2）采用哈佛結(jié)構(gòu) 首先讀者需要了解什么叫哈佛結(jié)構(gòu)？在計算機中，根據(jù)計算機的存儲器結(jié)構(gòu)及其總線連接形式，計算機系統(tǒng)可以被分為馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，其中馮諾依曼結(jié)構(gòu)共用數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間，它們共享存儲器總線，這也是以往設(shè)計時常用的方式；而哈佛結(jié)構(gòu)則具有分離的數(shù)據(jù)和程序空間及分離的訪問總線。所以哈佛結(jié)構(gòu)在指令執(zhí)行時，取址和取數(shù)可以并行，因此具有更 高的執(zhí)行效率。 ARM9 采用的就是哈佛結(jié)構(gòu)，而 ARM7 采用的則是馮諾依曼結(jié)構(gòu)。如圖 32和圖 33 分別體現(xiàn)了馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲方式。 13 主存儲器 地址 數(shù)據(jù) CPU PC 數(shù)據(jù)存儲器 地址 數(shù)據(jù) 地址 指令 CPU PC MOV r8,8 程序存儲器 圖 32 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 圖 33 哈佛結(jié)構(gòu) 由于在 RISC 架構(gòu)的處理器中，程序中大約有 30%的指令是 LoadStore 指令，而采用哈佛結(jié)構(gòu)大大提升了這兩個指令的執(zhí)行速度，因此對提高系統(tǒng)效率的貢獻(xiàn)是非常明顯的。 （ 3）高速緩存和寫緩存的引入 由于在處理器中，一般處理器速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于存儲器訪問速度，那么，如果存儲器訪問成為系統(tǒng)性能的瓶頸，則處理器再快也都毫無作用。在這種情況下，高速緩存（ Cache）和寫緩存（ Write Buffer）可以很好地解決這個問題，它們存儲了最近常用的代碼和數(shù)據(jù)，以供 CPU快速存儲，如圖 34所示： A 圖圖 34 CPU Bus Interface MMU或 MPU Cache Write Buffer ARM9E處理器 External Memory 14 （ 4）支持 MMU MMU是內(nèi)存管理單元，它把內(nèi)存以“頁（ page）”為單位來進(jìn)行處理。一頁內(nèi)存是指一個具有一定大小的連續(xù)的內(nèi)存塊，通常為 4096B或 8192B。操作系統(tǒng)為每個正在運行的程序建立并維護(hù)一張被稱為進(jìn)程內(nèi)存映射（ Process Memory Map）的表，表中記錄了程序可以存取的所有內(nèi)存頁以及它們的實際位置。 每當(dāng)程序存取一塊內(nèi)存時，它會把相應(yīng)的虛擬地址（ virtual address）傳送給MMU，而 MMU 會在 PMM 中查找這塊內(nèi)存的實際位置，也就是物理地址（ physical address），物理地址可以在內(nèi)存中或磁盤上的任何位置。如果程序要存取的位置在磁盤上，就必須把包含該地址的頁從磁盤上讀到內(nèi)存中，并且必須更新 PMM 以反映這個變化（這被稱為 pagefault，即頁錯）。 MMU的實現(xiàn)過程如圖 所示。 只有擁有了 MMU才能真正實現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)。例如當(dāng) A進(jìn)程的程序試圖直接訪問屬于 B進(jìn)程的虛擬地址中的數(shù)據(jù)，那么 MMU會產(chǎn)生一個異常（ Exception）來阻止 A的越界操作。這樣，通過內(nèi)存保護(hù)，一個進(jìn)程的 失敗并不會影響其他進(jìn)程的運行，從而增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖 35 所示。 ARM9 也正是因此擁有了MMU，比 ARM7 有了更強的穩(wěn)定性和可靠性。 Process D MMU I TLB O TLB Translation Tables Process C VRAM Process B RAM ROM Process A RAM RAM Manager RAM RAM 圖 35 MMU的實現(xiàn) 過程 15 操作系統(tǒng) 圖 36 內(nèi)存保護(hù)示意圖 S3C2410處理器詳解 本文所介紹的硬件平臺是深圳優(yōu)龍科技有限公司的開發(fā)板 FS2410，它的中央處理器是三星公司的 S3C2410X。 S3C2410X 是使用 ARM920T 核、采用 工藝 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器開發(fā)而成的。由于采用了由 ARM 公司設(shè)計的 16/32 位 ARM920T RISC處理器，因此 S3C2410X 實現(xiàn)了 MMU和獨立的16KB指令和 16KB數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)的緩存，且每個緩存均為 8個字長度的流水線。它 的低功耗、精簡而出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的領(lǐng)域。 S3C2410X 提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大降低系統(tǒng)的成本，下面列舉了 S3C2410X的主要片上功能 。 ? ， ； ? 16KB指令和 16KB數(shù)據(jù)緩存的 MMU內(nèi)存管理單元； ? 外部存儲器控制（ SDRAM控制和芯片選擇邏輯）； ? 提供 LCD 控制器（最大支持 4K 色的 STN 或 256K 色 TFT 的 LCD），并帶有 1 個通道的 LCD 專用 DMA控制器； ? 提供 4通道 DMA，具有 外部請求引腳； ? 提供 3通道 UART（支持 ， 16 字節(jié)發(fā)送 FIFO 及 16 字節(jié)接收 FIFO）/2 通道 SPI接口； ? 提供 1個通道多主 IIC總線控制器 /1通道 IIS總線控制器； ? 兼容 SD 主機接口 MMC卡協(xié)議 版； APP1 APP2 APP3 16 ? 提供 2 個主機接口的 USB口 /1 個設(shè)備 USB口（ 版本）； ? 4通道 PWM定時器 /