【正文】 SPSR_abt SPSR_abt SPSR_und SPSR_irq SPSR_fiq 一般的通用寄存器 R13_fiq R13_irq R13_und R13_abt R13_svc R13 R12_fiq R12 R11_fiq R11 R10 fiq R10 R9_fiq R9 R8_fiq R8 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0 在匯編語言中寄存器 R0～ R13為保存數據或地址值的 通用寄存器 。操作系統(tǒng)在該模式下訪問用戶模式的寄存器就比較方便，而且操作系統(tǒng)的一些特權任務可以使用這個模式訪問一些受控的資源。 未定義 (und) 中止 (abt) 管理 (svc) 中斷 (irq) 快中斷 (fiq) 系統(tǒng) (sys) 66 處理器工作模式 (3) ? 用戶和系統(tǒng)模式 處理器模式 說明 備注 用戶 (usr) 正常程序工作模式 不能直接切換到其它模式 系統(tǒng) (sys) 用于支持操作系統(tǒng)的特權任務等 與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權 快中斷 (fiq) 支持高速數據傳輸及通道處理 FIQ異常響應時進入此模式 中斷 (irq) 用于通用中斷處理 IRQ異常響應時進入此模式 管理 (svc) 操作系統(tǒng)保護代碼 系統(tǒng)復位和軟件中斷響應時進入此模式 中止 (abt) 用于支持虛擬內存和 /或存儲器保護 在 ARM7TDMI沒有大用處 未定義 (und) 支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真 未定義指令異常響應時進入此模式 這兩種模式都不能由異常進入，而且它們使用完全相同的寄存器組。 ARM內部寄存器和一些片內外設在硬件設計上只允許（或者可選為只允許）特權模式下訪問。 54 PXA架構的應用 55 ARM微處理器的選型 ? ARM內核的選擇 ? 系統(tǒng)的工作頻率 ? 片內存儲器的容量 ? 片內外圍電路的選擇 56 本節(jié)提要 1 3 2 4 嵌入式微處理器概述 ARM體系結構概覽 ARM編程模型 ARM 異常處理 57 ARM內核的數據流模型 58 指令流水線 ? 為增加處理器指令流的速度， ARM7 系列使用 3級流水線 . ? 允許多個操作同時處理，比逐條指令執(zhí)行要快。 SecurCore SC100：第一個 32位安全處理器；、 SC110：在 SC100上增加密鑰協(xié)處理器； SC200：帶 Jazelle技術的高級安全處理器； SC210：在 SC200上增加密鑰協(xié)處理器 ?SecurCore是專門為智能卡、安全 IC提供的 32位安全處理器， 為電子商務、銀行、網絡、移動多媒體、公共交通提供安全解決方案； ?體積小、功耗低，代碼壓縮密度高； ?為快速增長的 Java卡平臺提供 Java加速功能； 53 ARM處理器結構綜述（四） Cortex CortexA：面向應用的微處理器，針對復雜操作系統(tǒng)和應用程序設計； CortexR：針對實時系統(tǒng)的嵌入式處理器； CortexM：針對成本敏感應用優(yōu)化的深度嵌入式處理器； ?2022年發(fā)布，提供增強的媒體和數字處理能力，增加了系統(tǒng)性能； ?支持 ARM、 Thumb、 Thumb2指令集； ?Thumb2指令集提供了更高的代碼存儲密度，進一步降低成本； Intel系列 StrongARM： ARMv4體系 XScale： ARMv5TE體系，增加MMX指令 ?StrongARM主要應用于手持設備和 PDA， 5級流水線，具有獨立的數據和指令 Cache，不支持Thumb指令集，目前已停產； ?XScale是目前 Intel公司主推的高性能嵌入式處理器，分通用處理器、網絡處理器和 I/O處理器三類。 ARM10E ARM1020E：帶 DSP指令集，在片調試功能，獨立的 32KB數據和指令 Cache， MMU支持； ARM1022E：與 ARM1020E相同，只是獨立的數據和指令 Cache變?yōu)?16KB； ARM1026EJS：同時具有 MPU和MMU，可綜合版本； ?帶分支預測的 6級整數流水線； ?在 430MIPS（Dhrystone ）； ?對于 3D圖形運算和實時控制采用 VFP協(xié)處理器，浮點運算性能最高可達 650MFLOPS； ?雙 64位 AMBA總線接口和 64位內部總路線接口； ?優(yōu)化的緩存結構提高了處理器訪問低速存儲器的性能； ?可在 , , 現 52 ARM處理器結構綜述（三） ARM11 ARM11 MPCore：可綜合的多處理器核， 1至 4個處理器可配置； ARM1136J(F)S：可配置的數據和指令 Cache，可提供 MPEG4編碼加速功能； ARM1156T2(F)S：帶集成浮點協(xié)處理器，帶內存保護單元 MPU ； ARM1176JZ(F)S：帶針對 CPU和系統(tǒng)安全架構擴展的 TrustZone技術。 ARM966ES：針對要求高性能和低功耗的可預測的指令執(zhí)行時間的硬實時應用設計 ARM968ES：最小、功耗最小的 ARM9E系列處理器，針對嵌入式實時應用設計； ?ARM9E是針對微控制器、 DSP和 Java的單處理器解決方案； ?ARM Jazelle 技術提供 8倍的 Java 加速性能 (ARM926EJS) ； ?5級整數流水線； ?在 300MIPS（Dhrystone ）； ?可選擇的 向量浮點單元 VFP9 協(xié)處理器指令優(yōu)秀浮點性能，對于 3D圖形加速和實時控制可達到 215MFLOPS。 ARM9 ARM920T：帶有獨立的 16KB 數據和指令 Cache； ARM22T：帶有獨立的 8位 KB 數據和指令 Cache； ARM940T–包括更小數據和指令Cache和一個 MPU ? 基于 ARM9TDMI ，帶 16位的 Thumb指令集，增強代碼密度最多到 35%； ? 在 300MIPS（Dhrystone ）； ? 集成了數據和指令 Chche； ? 32位 AMBA總線接口的 MMU支持； ? 可在 、 上實現。 為調試方便，建議數據接口能夠讀寫指令存儲器。 ? LDR指令沒有引起流水線互鎖 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F D E W F D E W F E W F D E W F D W E F D E W F – 取指（ Fetch） D – 解碼（ Decode） E – 執(zhí)行（ Execute） I – 互鎖（ Interlock） M – 存儲器（ Memory ） W –寫回（ Writeback） M D 46 LDM互鎖 (1) ? 本例中，用了 8個時鐘周期執(zhí)行 5條指令， CPI = ? 在 LDM期間，有并行的存儲器訪問和回寫周期 周期 操作 LDMIA R13!, {R0R3} SUB R9, R7, R8 ORR R8, R4, R3 AND R6, R3, R1 1 2 3 4 5 6 7 8 STR R4, [R9] 9 F – 取指（ Fetch） D – 解碼（ Decode） E – 執(zhí)行（ Execute） MW存儲器和回寫同時執(zhí)行 I – 互鎖（ Interlock） M – 存儲器（ Memory ） W –寫回（ Writeback） F D E W F D E W D E F D E W F M D W E I I I I I I M F MW MW MW 47 LDM 互鎖 (2) ? 本例中，用了 9個時鐘周期執(zhí)行 5條指令， CPI = ? 此處 SUB 使用了 R3，增加了一個額外的互鎖周期來完成該寄存器數據的獲取 ? 這種情況對任何 LDM 指令，像帶 IA, DB, FD,等，都會發(fā)生 。 ? LDR指令之后立即跟一條數據操作指令，由于使用了相同的寄存器，將會導致互鎖 。如協(xié)處理器 15（ CP15），用于控制 Cache、 TCM和存儲器管理； ? 協(xié)處理器也能通過提供一組專門的新指令來擴展指令集，如，處理向量浮點運算的指令集； ? 這些指令在 ARM流水線的譯碼階段被處理，如果在譯碼階段發(fā)現是一條協(xié)處理器指令，則把它送給相應的協(xié)處理器。 MMU適用于支持多任務的復雜操作系統(tǒng)平臺。適用于要求有存儲器保護但沒有復雜存儲器系統(tǒng)映射的系統(tǒng)； ? 提供全面保護的存儲器管理單元（ MMU）： MMU使用一組轉化表，以提供精細的存儲器控制。 TCM位于存儲器的地址映射中，可作為快速存儲器訪問； ? 結合 Cache和 TCM， ARM即能改善性能，又能夠獲得可預測的實時響應； 37 存儲器管理 ? 無保護模式：沒有存儲器的硬件保護，只能提供非常有限的靈活性。 Multiplyaccumulate ? 支持協(xié)處理器 ? 支持線程同步 ? 26 bit 地址總線 25 ARM體系結構版本 2 ? V3版本推出 32位尋址能力 ,結構擴展變化為 ? T—16位壓縮指令集 ? M—增強型乘法器 ,產生全 64位結果 (32X32?64or32X32+64 ?64) ? V4版本增加了半字 load和 store指令 ? V5版本改進了 ARM和 Thumb之間的交互 ,結構擴展變化為 : ? E增強型 DSP指令集 ,包括全部算法操作和 16位乘法操作 ? J支持新的 JAVA,提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能 26 ARM 體系結構更新 27 體系結構變化 – 1* ? THUMB指令集 ( ‘T’) ? THUMB 指令集 : 32位 ARM指令集的子集，按 16位指令重新編碼 ?代碼尺寸小 ( up to 40 % pression) ?簡化設計 28 體系結構變化 2 ? 長乘法指令 (‘M’) ? 32x32 = 64 bit. 提供全 64位結果 ? 增強 DSP 指令集 (‘E’) ? 可附加在 ARM中的 DSP指令 ? 64 bit 轉換 ? 在 v5版本中第一次推出 ? 處理器內核的變化 ? D: 在片調試 . 處理器可響應調試暫停請求 ? I: Embedded ICE. 支持片上斷點調試 29 體系結構變化 3 ? ARM DSP 指令集 ? 對于音頻 DSP應用提供高達 70%的處理速度 ? Jazelle ? 提供比基于軟件的 JAVA虛擬機（ JVM）更高的性能 ? 與非 JAVA加速核相比，提供 8倍 JAVA加速性能和降低 80%的功耗 ? 139 字節(jié)碼直接在硬件上執(zhí)行， 88個字節(jié)碼在軟件上執(zhí)行 30 ARM體系結構的發(fā)展 SA110 ARM7TDMI 4T 1 Halfword and signed halfword / byte support System mode Thumb instruction set 2 4 ARM9TDMI SA1110 ARM720T ARM940T Improved ARM/Thumb Interworking CLZ 5TE Saturated maths DSP multiplyaccumulate instructions XScale ARM1020E ARM9ES ARM966ES 3 Early ARM architectures ARM9EJS 5TEJ ARM7EJS ARM926EJS Jazelle Java bytecode execution 6 ARM1136EJS ARM1026EJS SIMD Instructions Multiprocessing V6 Memory architecture (VMSA) Unaligned data support 31 ARM流水線 ADD SUB ADD CMP SUB ADD 取指 譯碼 執(zhí)行 時間 周期 1 周期 2 周期 3 32 ARM流水線的級數 ? ARM9流水線增加到 5級，增加了存儲器訪問段和回寫段，使ARM9處理能力平均可達到 Dhrystone，指令吞吐量增加了約13%。 ARM處理器系列提供的解決方案包括： ? 在無線、消費電子和圖像應用方面的開放平臺； ? 存儲、自動化、工業(yè)和網絡應用的嵌入式實時系統(tǒng)； ? 智能卡和 SIM