【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 期數(shù)據(jù)路徑控制信號(hào)，數(shù)據(jù)路徑控制沖突，因此斷流 。 ? T5周期 ： ①指令 2 STB訪問數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 ? ② 指令 5取指訪問程序 存儲(chǔ)器 ? 二者都 訪問存儲(chǔ)器，造成訪問存儲(chǔ)器 沖突，在此斷流。 ? ①指令 3譯碼 ? ②指令 4的譯碼則不得不推遲一個(gè)周期。 ARM流水線結(jié)構(gòu) (6) 三、 ARM9TDMI的五級(jí)流水線 ARM7TDMI與 ARM9TDMI流水線比較 ARM流水線結(jié)構(gòu) (7) 四、 ARM7和 ARM9流水線比較 ? 5級(jí)流水線的 ARM9內(nèi)核是 哈佛架構(gòu) ，擁有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)總線；指令和數(shù)據(jù)的讀取可以在同一周期進(jìn)行； ? 3級(jí)流水的 ARM7內(nèi)核是指令和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的 馮 .諾依曼架構(gòu) ，指令和數(shù)據(jù)的讀取不能在同一周期進(jìn)行； ? 5級(jí)流水線設(shè)計(jì)把寄存器讀取、邏輯運(yùn)算、結(jié)果回寫分散在不同的流水當(dāng)中， 每一級(jí)流水的操作簡(jiǎn)潔，提升了處理器的主頻。 ARM流水線結(jié)構(gòu) (8) ARM流水線結(jié)構(gòu) (9) ? 隨著流水線深度（級(jí)數(shù)）的增加，每一段的工作量被削減了，這使得處理器可以工作在更高的頻率，同時(shí)改進(jìn)了處理器的性能； ? 負(fù)面作用是增加了系統(tǒng)的延時(shí)，即內(nèi)核在執(zhí)行一條指令前，需要更多的周期來填充流水線； ? 流水線級(jí)數(shù)的增加也意味著在某些段之間會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)。 ARM流水線結(jié)構(gòu) (10) ARM處理器性能比較 ARM總線結(jié)構(gòu) ARM微控制器使用的是 AMBA總線體系結(jié)構(gòu) AMBA（ Advanced Microcontroller Bus Architecture）是 ARM公司公布的總線標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)的 AMBA規(guī)范定義了三種總線： ? AHB總線 （ Advanced Highperformance Bus）：用于連接高性能系統(tǒng)模塊。它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式 (兩設(shè)備之間不間斷的連續(xù)數(shù)據(jù)傳送，塊方式 )及單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方式，所有時(shí)序 參考同一個(gè)時(shí)鐘沿。 ? ASB總線 （ Advanced System Bus）：用于連接高性能系統(tǒng)模塊，它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式。 ? APB總線 （ Advance Peripheral Bus）：是一個(gè)簡(jiǎn)單接口支持低性能的外圍接口。 ? 突發(fā)傳送 Bursts ? 突發(fā)傳送是兩設(shè)備之間不間斷的連續(xù) 數(shù)據(jù)傳送 。微處理器如Intel 8048 Motorola 68030允許用突發(fā)方式將成組 數(shù)據(jù)傳送 到內(nèi)存和板上的高速緩存。 IBM公司的微通道 (Micro Channel)總線 提供突發(fā)傳送方式，總線上的適配器能夠用突發(fā)方式控制總線發(fā)送多個(gè)成組數(shù)據(jù)。 ? 在匯聚和傳送來自幾個(gè)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的多路復(fù)用總線設(shè)備或數(shù)據(jù)通信信道上，在突發(fā)傳輸模式下，多個(gè) 數(shù)據(jù)單元 當(dāng)做一個(gè)單元（相當(dāng)一個(gè) 數(shù)據(jù)塊 ）來傳送，從而提高了 傳輸效率 。突發(fā)方式將整個(gè)信道專用于傳送一個(gè)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。具有突發(fā)方式功能的設(shè)備常常為成組方式操作提供最大 吞吐率 。例如，基于 Intel芯片的 PC機(jī)擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 體系結(jié)構(gòu) (EISA)總線具有速率為33Mbps的突發(fā)方式，在突發(fā)傳送時(shí)，一次數(shù)據(jù)移動(dòng)只要一個(gè) 時(shí)鐘周期 ，而不是通常的兩個(gè)時(shí)鐘周期。 本節(jié)主要內(nèi)容 數(shù)據(jù)類型 存儲(chǔ)器組織 存儲(chǔ)器層次 ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) ARM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型 ? ARM處理器支持以下 6種數(shù)據(jù)類型： – 8位 有符號(hào)和無符號(hào)字節(jié) (Byte)。 – 16位 有符號(hào)和無符號(hào)半字 (Halfword) ? 它們必須以兩字節(jié)的邊界對(duì)齊 (半字對(duì)齊 )。 – 32位 有符號(hào)和無符號(hào)字 (word) ? 它們必須以 4字節(jié)的邊界對(duì)齊 (字對(duì)齊 )。 – 字對(duì)齊 ：字單元地址的低兩位 A1A0=0b00。即地址末位為 0x0, 0x4, 0x8, 0xc。 – 半字對(duì)齊 ：半字單元地址的最低位 A0=0b0 (地址末位為 0x0,0x2,0x4,0x6,0x8,0xa,0xc,0xe)。 ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 對(duì)于指令 ， ARM指令系統(tǒng)分為 32位 ARM指令集和 16位的 Thumb指令集 ， 在存儲(chǔ)時(shí)分別以 32位和 16位的兩種不同長(zhǎng)度存儲(chǔ) 。 對(duì)于數(shù)據(jù) ， ARM支持對(duì) 32位字?jǐn)?shù)據(jù) ， 16位半字?jǐn)?shù)據(jù) ， 8位字節(jié)數(shù)據(jù) 操作 。 因此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ) 32位 ， 16位 ， 8位三種不同長(zhǎng)度數(shù)據(jù) 。 在 ARM內(nèi)部 ， 所有操作都面向 32位的操作數(shù) ， 只有數(shù)據(jù)傳送指令支持較短的字節(jié)和半字的數(shù)據(jù)類型 。當(dāng)從存儲(chǔ)器讀入一個(gè)字節(jié)或半字時(shí) ， 根據(jù)其數(shù)據(jù)類型將其擴(kuò)展到 32位 。 ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) (2) ARM存儲(chǔ)器組織 ARM存儲(chǔ)器以 8位為一個(gè)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù) (一個(gè)字節(jié) )，每個(gè)存儲(chǔ)單元分配一個(gè)存儲(chǔ)地址。 ARM將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。作為 32位的微處理器， ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為 4GB（ 232字節(jié)）。 從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的 字 數(shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的 字 數(shù)據(jù)，依次排列。 32位的字?jǐn)?shù)據(jù)要使用 4個(gè)地址單元， 16位半數(shù)據(jù)要使用 2個(gè)地址單元。 這樣，就存在一個(gè)所存儲(chǔ)的字或半字?jǐn)?shù)據(jù)的排列順序問題。ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱為 大端格式和 小端格式 。 ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) (3) ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) (4) ? 大端格式 (bigendian)： 字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)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 (lowendian)： 與大端存儲(chǔ)格式相反。低地址中存放的是字?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)。 缺省設(shè)置為小端格式。 ARM存儲(chǔ)器層次 微處理器希望 存儲(chǔ)器容量大、速度快。但容量大者速度慢；速度快者容量小。解決方法是 構(gòu)建一個(gè)由多級(jí)存儲(chǔ)器組成的復(fù)合存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 兩級(jí)存儲(chǔ)器方案 一般包括： 一個(gè)容量小但速度快的 從存儲(chǔ)器 一個(gè)容量大但速度慢的 主存儲(chǔ)器 宏觀上看這個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)像一個(gè)即大又快的存儲(chǔ)器。這個(gè)容量小但速度快的元件是 Cache，它自動(dòng)地保存處理器經(jīng)常用到的指令和數(shù)據(jù)的拷貝。 ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) (5) 多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng) 寄存器組 —— 訪問時(shí)間約為幾個(gè) ns。 片上 RAM —— 與片外 RAM比速度快、功耗小、 容量小。讀寫時(shí)間約為幾個(gè) ns。 片上 Cache —— 8— 32KB,訪問時(shí)間約為十幾個(gè) ns。 主存儲(chǔ)器 —— 一般為幾兆字節(jié) — 1GB 的動(dòng)態(tài)存 儲(chǔ)器，訪問時(shí)間約 50ns。 ARM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) (6) CPU 寄存器組 片上 RAM 片上 Cache 主存儲(chǔ)器 硬盤 ARM處理器的工作狀態(tài)和模式 為了能夠體現(xiàn) ARM的特點(diǎn)和性能， ARM處理器有兩種工作狀態(tài)和 7種工作模式。 ARM處理器的工作狀態(tài) ? 有兩種工作狀態(tài)： ARM狀態(tài)： 處理器執(zhí)行 32位的字對(duì)齊的 ARM指令； Thumb狀態(tài)： 處理器執(zhí)行 16位的半字對(duì)齊的Thumb指令。 ? 兩種狀態(tài)可以切換 。程序執(zhí)行過程中，通過執(zhí)行 帶狀態(tài)切換的分支指令 BX，隨時(shí)在兩種工作狀態(tài)之間進(jìn)行切換。并且，處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。 ARM處理器的工作狀態(tài)和模式 (2) ? 從 ARM狀態(tài)切換到 Thumb狀態(tài) 有兩種情況 ARM處理器自動(dòng)切換到 Thumb狀態(tài)。 （ 1）執(zhí)行 BX指令，當(dāng)操作數(shù)寄存器的位 [0]為 1時(shí)，則微處理器從 ARM狀態(tài)切換到 Thumb狀態(tài)。此為主動(dòng)切換。 （ 2）當(dāng)處理器處于 Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常（如 IRQ、FIQ、 Undef等），處理完異常后，在異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到 Thumb狀態(tài)。此為自動(dòng)切換。 ? 從 Thumb狀態(tài)切換到 ARM狀態(tài) 有兩種情況 ARM處理器自動(dòng)切換到 Thumb狀態(tài)。 （ 1）執(zhí)行 BX指令，當(dāng)操作數(shù)寄存器的位 [0]為 0時(shí)，則微處理器從 Thumb狀態(tài)切換到 ARM狀態(tài)。 （ 2）當(dāng)處理器在 Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常（如 IRQ、 FIQ、Undef等），則處理器從 Thumb狀態(tài)自動(dòng)切換到 ARM狀態(tài)進(jìn)行異常處理 ARM處理器的工作狀態(tài)和模式 (3) 例 狀態(tài)切換程序 。從 ARM狀態(tài)切換到 Thumb狀態(tài) LDR R0, =Lable+1（ 將 Lable+1該地址中內(nèi)容 存入到 R0中） BX R0 。從 Thumb狀態(tài)切換到 ARM狀態(tài) LDR R0, =Lable BX R0 注意： ARM和 Thumb之間狀態(tài)的切換不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容 。 ARM處理器在開始執(zhí)行代碼時(shí) ， 只能處于 ARM狀態(tài) 。 ARM處理器的工作模式 一、 ARM9的 7種工作模式 ? 用戶模式（ usr)： 非特權(quán)模式，大部分任務(wù)執(zhí)行在這種模式。 正常程序執(zhí)行的模式 ? 快速中斷模式（ fiq）： 當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí) (fast)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式。 高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理 ? 外部中斷模式（ irq）： 當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)(normal)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式。 通常的中斷處理 ? 管理模式（ svc)： 當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式。 供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式 ARM處理器的工作模式 (2) ? 中止模式（ abt）： 當(dāng)存取異常時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù) ? 未定義模式（ und）： 當(dāng)執(zhí)行未定義指令時(shí)會(huì)進(jìn)入這種模式 軟件仿真硬件協(xié)處理器 ? 系統(tǒng)模式（ sys）： 供需要訪問系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)任務(wù)使用 特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù) ARM處理器的工作模式 (2) 二、模式分類及特點(diǎn) 七種模式可以劃分成四類 ? 用戶模式特點(diǎn)： – 應(yīng)用程序不能夠訪問受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源。 – 應(yīng)用程序不能進(jìn)行處理器模式的切換。 ? 系統(tǒng)模式特點(diǎn)： 不屬于異常模式，不是通過異常進(jìn)入的。系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)使用。 ? 特權(quán)模式及其特點(diǎn)： 特權(quán)模式： 除用戶模式之外的工作模式又稱為特權(quán)模式 特點(diǎn)： – 應(yīng)用程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源 – 可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換 ARM處理器的工作模式 (3) 異常模式及其特點(diǎn)： 異常模式： 除用戶模式、系統(tǒng)模式之外的五種模式稱為異常模式。 特點(diǎn)：以各自的中斷或異常方式進(jìn)入，并且處理各自的中斷或異常。對(duì)管理模式 (svc)進(jìn)入方式和處理內(nèi)容有 : ① 系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入管理模式，運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，如中斷允許 /禁止，主時(shí)鐘設(shè)置， SDRAM配置，各個(gè)功能模塊初始化等。 ② 當(dāng)執(zhí)行軟件中斷指令 SWI時(shí)，進(jìn)入管理模式。 ARM處理器的工作模式 (4) ? 處理器模式的切換方式： – 軟件控制進(jìn)行切換。 – 通過外部中斷和異常進(jìn)行切換 處理器啟動(dòng)時(shí)的模式轉(zhuǎn)換圖 管理模式 (Supervisor) 多種特權(quán) 模式變化 用戶程序的 運(yùn)行模式 復(fù)位后的缺省模式 主要完成各模式的堆棧設(shè)置，注意不要進(jìn)入用戶模式 一般為用戶模式Use