【正文】 方式，適用于更大規(guī)模的SoC設(shè)計中。 177 ARM簡介 ARM9系列于 1997年問世，該系列包括ARM9TDMI、 ARM920T和帶有高速緩存處理器宏單元的 ARM940T。 ARM9系列主要應(yīng)用于引擎管理、儀器儀表、安全系統(tǒng)和機頂盒等領(lǐng)域。其內(nèi)核在 ARM7處理器內(nèi)核的基礎(chǔ)上使用了 Jazelle增強技術(shù)，該技術(shù)支持一種新的 Java操作狀態(tài)，允許在硬件中執(zhí)行 Java字節(jié)碼。 ARM9E系列簡介 179 ARM簡介 ARM10E系列簡介 該系列包括 ARM1020E和 ARM1020E處理器核，其核心在于使用向量浮點（ VFP）單元 VFP10提供高性能的浮點解決方案，從而極大提高了處理器的整型和浮點運算性能。 180 ARM簡介 Xscale簡介 Intel Xscale微控制器則提供全性能、高性價比、低功耗的解決方案，支持 16位 Thumb指令并集成數(shù)字信號處理（ DSP）指令。 181 ARM簡介 ARM Cortex系列簡介 基于 ARMv7版本的 ARM Cortex系列產(chǎn)品由 A、 R、M三個系列組成，具體分類延續(xù)了一直以來 ARM面向具體應(yīng)用設(shè)計 CPU的思路。 眾多先進的技術(shù)使其適用于家電以及電子行業(yè)等各種高端的應(yīng)用領(lǐng)域。 CortexTMR4F處理器簡介 該處理器在 CortexTMR4處理器的基礎(chǔ)上加入了代碼錯誤校正 (ECC)技術(shù)，浮點運算單元 (FPU)以及 DMA綜合配臵的能力，增強了處理器在存儲器保護單元、緩存、緊密耦合存儲器、 DMA訪問以及調(diào)試方面的能力。 CortexM3主要應(yīng)用于汽車車身系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。 185 CortexM3內(nèi)核概述 功耗低 具有門數(shù)目少 （價格低） 調(diào)試成本低 中斷延遲短 中斷響應(yīng)快速且支持多級中斷嵌套 處理器采用先進的 ARMv7M架構(gòu) CortexM3特點 186 處理器內(nèi)核 嵌套向量中斷控制器（ NVIC） 存儲器保護單元（ MPU） 總線接口 低成本調(diào)試解決方案 CortexM3處理器由以下組件整合 CPU CORE NVIC 總線接口 MPU 調(diào)試接口 可裁剪 187 CortexM3內(nèi)核概述 ARMv7M： Thumb2 ISA子集，包含所有基本的 16位和 32位 Thumb2指令 。 硬件除法指令， SDIV和 UDIV（ Thumb2指令） 。 自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，可以實現(xiàn)低延遲地進入和退出中斷服務(wù)程序（ ISR）。 處理器內(nèi)核。 188 CortexM3內(nèi)核概述 外部中斷可配置為 1～ 240個 。 中斷優(yōu)先級可動態(tài)地重新配置。分為占先中斷等級和非占先中斷等級。這樣，在兩個中斷之間沒有多余的狀態(tài)保存和狀態(tài)恢復(fù)指令的情況下，使能背對背中斷（ backtoback interrupt）處理。 嵌套向量中斷控制器（ NVIC）。 189 CortexM3內(nèi)核概述 8個存儲器區(qū) 。 可使能背景區(qū) ， 執(zhí)行默認的存儲器映射屬性 。 MPU功能可選，用于對存儲器進行保護 。 存儲器訪問對齊 。 內(nèi)部總線接口 191 CortexM3內(nèi)核概述 當內(nèi)核正在運行 、 被中止 、 或處于復(fù)位狀態(tài)時 ， 能對系統(tǒng)中包括 CortexM3寄存器組在內(nèi)的所有存儲器和寄存器進行調(diào)試訪問 。 Flash修補和斷點單元 （ FPB） ， 實現(xiàn)斷點和代碼修補 。 儀表跟蹤宏單元 （ ITM） ， 支持對 printf類型的調(diào)試 。 可選的嵌入式跟蹤宏單元 （ ETM） ， 實現(xiàn)指令跟蹤 。 兩者之間的切換相當?shù)穆闊? 與 ARM7TDMI相比， 比 Thumb指令每兆赫的 效率提高 70%，比ARM 指令提高 35% Dhrystone相關(guān)測試的性能值 195 優(yōu)化指令系統(tǒng) 020406080100120Thumb2ARMThumb 由于 Tumb2 指令是 Thumb指令的擴展， 16 位和 32位指令共存于同 一模式下，復(fù)雜性大幅 下降，代碼密度和性能 均得到提高。 相關(guān)測試的代碼大小 196 帶分支預(yù)測的 3級流水線 CortexM3 的流水線分為 3級，分別為： 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行從存儲器裝載一條指令 識別將要被執(zhí)行的指令 處理指令并將結(jié)果寫回寄存器 在譯碼時進 行分支預(yù)測，遇跳轉(zhuǎn) 指令也不會打斷流水線 PC值總是指向正在去取指的指令 197 三級流水線結(jié)構(gòu)的指令執(zhí)行順序 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 …… …… 程序存儲器 周期 1 周期 2 周期 3 周期 4 周期 5 周期 6 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 周期處理器執(zhí)行一條指令的三個階段 在第 1個周期， PC指向指令 1，此時指令 1進入三級流水線的取指階段。 2 199 三級流水線結(jié)構(gòu)的指令執(zhí)行順序 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 …… …… 程序存儲器 周期 1 周期 2 周期 3 周期 4 周期 5 周期 6 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 周期處理器執(zhí)行一條指令的三個階段 在第 3個周期， PC指向指令 3，此時指令1進入三級流水線的執(zhí)行階段，指令 2進入譯碼階段，取出指令 3。 4 1101 ARM7不帶分支預(yù)測的 3級流水線推演過程 MOV R0, 00 ADDS R0, R0, 1 CMP R0, 0x7D0 BNE 0x00000202 BX 0X00000300 LDR R1, 00 …… MOV R2, 20 0x0200 0x0202 0x0204 0x0208 0x020A 0X020C …… 0x0300 地址 指令 取指 譯碼 執(zhí)行 MOV step1 ADDS MOV step2 CMP ADDS MOV step3 BNE CMP ADDS step4 BX BNE CMP step5 LDR BX BNE step6 ADDS step6 執(zhí)行時遇跳轉(zhuǎn) 指令則清空流 水線 1102 CortexM3帶分支預(yù)測的 3級流水線推演過程 MOV R0, 00 ADDS R0, R0, 1 CMP R0, 0x7D0 BNE 0x00000202 BX 0X00000300 LDR R1, 00 …… MOV R2, 20 0x0200 0x0202 0x0204 0x0208 0x020A 0X020C …… 0x0300 地址 指令 取指 譯碼 執(zhí)行 MOV step1 ADDS MOV step2 CMP ADDS MOV step3 BNE CMP ADDS step4 ADDS BNE CMP step5 因為帶分支預(yù)測，跳轉(zhuǎn) 指令在譯碼時就被識別， 取指時流水線自動加載跳轉(zhuǎn)后地址的指令。 ? 非特權(quán)執(zhí)行時對有些資源的訪問受到限制或不允許訪問。 特權(quán)訪問和用戶訪問 (非特權(quán)訪問 )的區(qū)別 FAULTMASK PRIMASK SCS …… 用戶訪問 特權(quán)訪問 1108 CortexM3的編程模式 ? 1. 線程模式 CortexM3處理器支持兩種工作模式： 線程模式和處理模式 ? ? 在復(fù)位時處理器進入線程模式 ? 異常返回時處理器進入線程模式 ? 特權(quán)和用戶（非特權(quán)）代碼能夠在線程模式下運行 ? 出現(xiàn)異常時處理器進入處理模式 ? 在處理模式中，所有代碼都是特權(quán)訪問的 1109 CortexM3的編程模式 線程模式 特權(quán)訪問 復(fù)位 處理模式 特權(quán)訪問 異常 線程模式 用戶訪問 異常退出 CONTROL[0] = 1 CONTROL[0] = 0 MSR指令臵位 CONTROL[0] 1110 CONTROL[0] 特權(quán)訪問 用戶訪問 1 0 特權(quán)訪問和用戶訪問的切換 控制寄存器的第 0位 在 處理模式 下，通過 MSR指令 清零 CONTROL[0], 退出 處理模式進入線程模式時切換到 特權(quán)訪問 。 在 線程模式特權(quán)訪問 下，通過 MSR指令 臵位CONTROL[0],即可由特權(quán)訪問進入用戶訪問 。 ? 在線程模式中，使用 MSR指令對 CONTROL[1]執(zhí)行寫操作也可以從主堆棧切換到進程堆棧。在任何時候，進程堆棧和主堆棧中只有一個是可見的，由 r13指示。 1115 三種執(zhí)行模式的比較 執(zhí)行模式 進入方式 堆棧 SP 用途 特權(quán)線程 模式 1．復(fù)位 2．在特權(quán)處理模式下使用 MSR指令清零CONTROL[0] 使用 SP_main： 1．復(fù)位后默認 2. 在退出特權(quán)處理模式前， 修改返回值 EXC_RETURN[3:0]為 0b1001 3．清零 CONTROL[1] 使用 SP_process： 1．在退出特權(quán)處理模式前， 修改返回值 EXC_RETURN[3:0]為 0b1101 2．置位 CONTROL[1] 線程模式（特權(quán)或非特權(quán)）＋SP_process多用于操作系統(tǒng)的任務(wù)狀態(tài)。 1116 前后臺系統(tǒng)主堆棧壓棧過程 數(shù)據(jù) … 數(shù)據(jù) 棧頂 棧底 0x20220400 0x202203FC 0x202203F8 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù)增長方向 在 KEIL REALVIEW 和 CROSS編譯器 下，堆棧增長都為 滿遞減 SP 主堆棧 1117 前后臺系統(tǒng)主堆棧壓棧過程 數(shù)據(jù) … 數(shù)據(jù) 棧底 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù)增長方向 在 KEIL REALVIEW 和 CROSS編譯器 下，堆棧增長都為 滿遞減 產(chǎn)生中斷 主堆棧 SP XPSR PC LR R12 R3 … R0 0x20220400 0x202203FC 0x202203F8 硬件自動 壓棧 1118 前后臺系統(tǒng)主堆棧出棧過程 數(shù)據(jù) … 數(shù)據(jù) 棧底 數(shù)據(jù) 地址 退出中 斷 主堆棧 XPSR PC LR R12 R3 R2 R1 R0 通用寄存器 0x20220400 0x202203FC 0x202203F8 SP SP SP SP SP SP SP XPSR PC LR R12 R3 R2 R1 R0 SP SP 退出異常，寄存器恢復(fù)為進入前的值。 OSTCBHighRdyOSTCBStkPtr MSR PSP, R0 ORR LR, LR, 0x04 BX LR 異常返回時，臵位第 2個 Bit，返回線程模式，并使用進程堆棧。 SP_process SP_main 1125 分組的堆棧指針（ SP） R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R14(LR) R15(PC) XPSR SP_main 由于 SP忽略了寫入位 [1:0]的值，因此它自動與字，即 4字節(jié)邊界對齊 。 主要用于保存子程序的 返回地址。 1127 鏈接寄存器（ LR） R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R14(LR) R15(PC) XPSR int main ( ) {