ARM9体系结构

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1、嵌入式系统讲义嵌入式系统讲义第第2章章 ARM9体系结构体系结构张志斌张志斌2013.3第第2章章 ARM9体系结构体系结构主要内容主要内容2.1 ARM处理器简介处理器简介2.2 ARM9结构结构2.3 ARM数据类型和存储格式数据类型和存储格式2.4 处理器状态和工作模式处理器状态和工作模式2.5 ARM寄存器寄存器2.6 ARM异常异常2.7 ARM调试接口调试接口2.1 ARM处理器简介处理器简介2.1.1 ARM公司简介公司简介ARM是是Advance RISC Machine 的缩写，的缩写，既可以认为是一既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还个公司的名字

2、，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。可以认为是一种技术的名字。ARM公司于公司于1990年年11月在英国剑桥成立，前身为月在英国剑桥成立，前身为Acorn计计算机公司。算机公司。ARM公司是全球领先的公司是全球领先的16/32位嵌入式位嵌入式RISC微处理器解决微处理器解决方案供应商。方案供应商。ARM公司是知识产权（公司是知识产权（IP）公司，本身不生产芯片，靠）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用目前，全世界有几十家著名的半导体公司都

3、使用ARM公公司的授权，其中包括司的授权，其中包括MOTOROLA、IBM、Intel、LG、SONY、NEC、ATMEL等，从而保证了大量的开发工具和丰富的第三等，从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很处理器核的设计可以很快投入市场。快投入市场。ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。标准。2.1.2 ARM体系结构的特点体系结构的特点 总体思想：总体思想：在不牺牲性能的同时，尽量在不牺牲性能的同时，尽量简化处理器。同

4、时从体系结构的层面上简化处理器。同时从体系结构的层面上灵活支持处理器扩展。这种简化和开放灵活支持处理器扩展。这种简化和开放的思路使得的思路使得ARM处理器采用了很简单的处理器采用了很简单的结构来实现。结构来实现。ARM处理器是最先进的：处理器是最先进的：目前，目前，ARM32位体系结构被公认为业界领先的位体系结构被公认为业界领先的32位嵌位嵌入式入式RISC微处理器核，所有微处理器核，所有ARM处理器处理器都共享这一体系结构。都共享这一体系结构。2.1.2 ARM体系结构的特点体系结构的特点(2)一、一、RISC型处理器结构型处理器结构ARM采用采用RISC结构结构，在简化处理器结构，减少，在

5、简化处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提高了处理器的速度。复杂功能指令的同时，提高了处理器的速度。考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器内操作的指令执行时间，远远大于在寄存器内操作的指令执行时间，RISC型型处理器采用了处理器采用了Load/Store（加载（加载/存储）结构存储）结构，即只，即只有有Load/Store指令可与存储器打交道，其余指令都指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。不允许进行存储器操作。同时，为了进一步提高指令和数据的存取速度，同时，为了进一步提高指令和数据的存取速度，RISC型处理器增加了指令

6、高速缓冲型处理器增加了指令高速缓冲I-Cache和数据高和数据高速缓冲速缓冲D-Cache及多处理器结构及多处理器结构，使指令的操作尽，使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。可能在寄存器之间进行。2.1.2 ARM体系结构的特点体系结构的特点(3)只能对寄存器执行算术和逻辑只能对寄存器执行算术和逻辑操作，操作，Load/StoreLoad/Store体系结构体系结构2.1.2 ARM体系结构的特点体系结构的特点(4)二、二、Thumb指令集指令集虽然虽然ARM处理器本身是处理器本身是32位设计，但考虑到位设计，但考虑到RISC型处理型处理器的指令功能相对较弱，新型的器的指令功能相对较弱，新型的A

7、RM体系结构中定义了体系结构中定义了16位位的的Thumb指令集。指令集。Thumb指令集比通常的指令集比通常的8/16位位CISC/RISC处理器有更好的处理器有更好的代码密度，而芯片面积只增加代码密度，而芯片面积只增加6%，却可以使程序存储器更小。，却可以使程序存储器更小。三、多处理器状态模式三、多处理器状态模式ARM体系结构定义了体系结构定义了7种处理器模式：用户、种处理器模式：用户、快中断、快中断、中断、管理、终止、未定义和系统模式，大大提高了中断、管理、终止、未定义和系统模式，大大提高了ARM处处理器的效率。理器的效率。四、两种处理器工作状态四、两种处理器工作状态(执行执行32位位A

8、RM指令指令)ARM状态和状态和Thumb状态。状态。(执行执行16位位Thumb指令指令)2.1.2 ARM体系结构的特点体系结构的特点(5)五、嵌入式在线仿真调试五、嵌入式在线仿真调试ARM体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于通过逻辑，便于通过JTAG来仿真调试芯片，省去了价格来仿真调试芯片，省去了价格昂贵的在线仿真器。昂贵的在线仿真器。六、灵活方便的接口六、灵活方便的接口ARM体系结构具有协处理器接口，允许接体系结构具有协处理器接口，允许接16个协个协处理器。既可以使基本的处理器。既可以使基本的ARM处理器内核尽可能小，处理器内核

9、尽可能小，方便地扩充方便地扩充ARM指令集，也可以通过未定义指令来支指令集，也可以通过未定义指令来支持协处理器的软件仿真。持协处理器的软件仿真。七、低电压功耗的设计七、低电压功耗的设计考虑到考虑到ARM处理器主要用于手持式嵌入式系统中，处理器主要用于手持式嵌入式系统中，在设计中就十分注意功耗的设计。在设计中就十分注意功耗的设计。2.1.3 ARM指令系统版本指令系统版本ARM公司从最初的开发到现在，公司从最初的开发到现在，ARM指令集结构有指令集结构有了巨大的改进，并在不断完善和发展。为了清楚地表了巨大的改进，并在不断完善和发展。为了清楚地表达每个达每个ARM内核所使用的指令集，内核所使用的指

10、令集，ARM公司定义了一公司定义了一系列的指令集体系结构版本，以系列的指令集体系结构版本，以vx表示某种版本。下面表示某种版本。下面对版本对版本v1v5做一介绍。做一介绍。一、版本一、版本1（v1）v1在在ARM1中使用，但从未商业化。中使用，但从未商业化。26位寻址空间，位寻址空间，其指令主要有：其指令主要有：基本的数据处理指令（无乘法指令）基本的数据处理指令（无乘法指令）字、字节和半字存储器访问指令字、字节和半字存储器访问指令 分支指令（包括带链接的分支指令）分支指令（包括带链接的分支指令）软件中断指令软件中断指令2.1.3 ARM指令系统版本指令系统版本(2)二、版本二、版本2（v2）仍

11、是仍是26位寻址空间，在位寻址空间，在v1的基础上增加的内容有：的基础上增加的内容有：乘法和乘法加指令乘法和乘法加指令 支持协处理器支持协处理器 快速中断模式中的分组寄存器快速中断模式中的分组寄存器 交换式加载交换式加载/存储指令。存储指令。三、版本三、版本3（v3）将寻址范围扩展到将寻址范围扩展到32位，但兼容位，但兼容26位寻址。在位寻址。在v2的基的基础上增加的内容有：础上增加的内容有：设置了专用的当前程序状态寄存器设置了专用的当前程序状态寄存器CPSR、增加了程序状态、增加了程序状态保存寄存器保存寄存器 增加了中止异常和未定义指令异常两种处理器模式增加了中止异常和未定义指令异常两种处理

12、器模式 增加了访问增加了访问CPSR、SPSR的指令的指令MRS和和MSR 修改了异常返回指令的功能修改了异常返回指令的功能2.1.3 ARM指令系统版本指令系统版本(3)四、版本四、版本4（v4）32位寻址方式，但不再兼容位寻址方式，但不再兼容26位寻址，在位寻址，在v3的基础上增加的基础上增加的内容有：的内容有：半字加载半字加载/存储指令存储指令 在在T变量中转换到变量中转换到Thumb状态的指令状态的指令 增加了在使用用户模式寄存器的特权处理器模式增加了在使用用户模式寄存器的特权处理器模式五、版本五、版本5（v5）对对v4指令做了必要的修改和扩展，并且增加了指令，具体变指令做了必要的修改

13、和扩展，并且增加了指令，具体变化为：化为：改进在改进在T变量中变量中ARM/Thumb状态之间的切换效率状态之间的切换效率 对于对于T和非和非T变量使用相同的代码生成技术变量使用相同的代码生成技术 增加了计数前导零指令增加了计数前导零指令 增加了软件断点指令增加了软件断点指令 对乘法指令设置标志做了严格定义。对乘法指令设置标志做了严格定义。将流水线的级数从将流水线的级数从3级（如级（如ARM7TDMI使用的）增加到使用的）增加到5级；级；并改变存储器接口来使用分开的指令与数据存储器。并改变存储器接口来使用分开的指令与数据存储器。2.1.3 ARM指令系统版本指令系统版本(4)六、版本六、版本6

14、（v6）对对v5指令做了必要的修改和扩展，并且增指令做了必要的修改和扩展，并且增加了指令，加了指令，2001年发布，首先在年发布，首先在ARM11处理处理器中使用器中使用(2002年春季发布年春季发布)，具体变化为：，具体变化为：FARM体系版本体系版本6的新架构在降低耗电量的的新架构在降低耗电量的同时，还强化了图形处理性能。同时，还强化了图形处理性能。F增加了多媒体处理功能：通过追加有效进增加了多媒体处理功能：通过追加有效进行多媒体处理的行多媒体处理的SIMD功能，将语音及图像的处功能，将语音及图像的处理功能提高到了原机型的理功能提高到了原机型的4倍。倍。FV6版本还支持多微处理器内核。版本

15、还支持多微处理器内核。2.1.3 ARM指令系统版本指令系统版本(5)ARM核核体系结构体系结构ARM1V1ARM2V2ARM2aS，ARM3V2aARM6，ARM600，ARM610V3ARM7，ARM700，ARM710V3ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740TV4TStrong ARM，ARM8，ARM810V4ARM9TDMI，ARM920T，ARM940TV4TARM9E-SV5TEARM10TDMI，ARM1020EV5TEARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S，ARM11JZF-SV62.1.4 ARM 体系

16、结构的演变体系结构的演变 一、一、Thumb指令集（指令集（T变种）变种）支持支持Thumb指令的指令的ARM体系版本，一般加字符体系版本，一般加字符T来表示来表示（如（如V4T）。）。目前目前Thumb指令集有以下两个版本：指令集有以下两个版本：Thumb 指令集版本指令集版本1，此版本作为，此版本作为ARM体系版本体系版本4的的T变种；变种；Thumb指令集版本指令集版本2，此版本作为，此版本作为ARM体系版本体系版本5的的T变种。变种。与版本与版本1相比，相比，Thumb指令集的版本指令集的版本2具有以下特点：具有以下特点：通过增加新的指令和对已有指令的修改，来提高通过增加新的指令和对已

17、有指令的修改，来提高ARM指令指令和和Thumb指令混合使用时的效率。指令混合使用时的效率。增加了软件断点（增加了软件断点（BKPT）指令和更严格地定义了）指令和更严格地定义了Thumb乘乘法指令对条件码标志位的影响。法指令对条件码标志位的影响。2.1.4 ARM 体系结构的演变体系结构的演变(2)二、长乘指令（二、长乘指令（M变种）变种）M变种增加了两条这样的长乘指令：变种增加了两条这样的长乘指令：其中一条指令完成其中一条指令完成32位整数乘以位整数乘以32位整数，生成位整数，生成64位整位整数的长乘操作；数的长乘操作；另一条指令完成另一条指令完成32位整数乘以位整数乘以32位整数，然后在加

18、上一位整数，然后在加上一个个32位整数，生成位整数，生成64位整数的长乘加操作。这种长乘的位整数的长乘加操作。这种长乘的应用场合应用场合M变种很适合。变种很适合。2.1.4 ARM 体系结构的演变体系结构的演变(3)三、增强型三、增强型DSP指令（指令（E变种）变种）E变种的变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型体系增加了一些增强处理器对典型DSP算法处理能力的附加指令算法处理能力的附加指令:几条新的完成几条新的完成16位数据乘法和乘加操作的指令；位数据乘法和乘加操作的指令；实现饱和的带符号数的加减法操作的指令。实现饱和的带符号数的加减法操作的指令。Cache预取指令预取指令PLD；E变种

19、首先在变种首先在ARM体系版本体系版本5T中使用，用字符中使用，用字符E表表示。示。在早期的一些在早期的一些E变种中，未包含双字读取指令变种中，未包含双字读取指令LDRD，双字写入指令，双字写入指令STRD，协处理器的寄存器传，协处理器的寄存器传输指令输指令MCRR/MRRC以及以及Cache预取指令预取指令PLD。这种。这种E变种记作变种记作ExP，其中，其中x表示缺少，表示缺少，P代表上述的几代表上述的几种指令种指令2.1.4 ARM 体系结构的演变体系结构的演变(4)四、四、Java加速器加速器Jazelle（J变种）变种）FARM的的Jazelle技术是技术是Java语言和先进的语言和

20、先进的32位位RISC芯片完美结芯片完美结合的产物。合的产物。FJazelle技术使得技术使得Java代码的运行速度比普通的代码的运行速度比普通的Java虚拟机提虚拟机提高了高了8倍，这是因为倍，这是因为Jazelle技术提供了技术提供了Java加速功能，大幅加速功能，大幅的提高了机器的运行性能，而功耗反而降低了的提高了机器的运行性能，而功耗反而降低了80%。FJazelle技术使得在一个单独的处理器上同时运行技术使得在一个单独的处理器上同时运行Java应用程应用程序、已经建立好的操作系统和中间件以及其他的应用程序序、已经建立好的操作系统和中间件以及其他的应用程序成为可能。成为可能。FJaze

21、lle技术的诞生使得一些必须用到协处理器和双处理器技术的诞生使得一些必须用到协处理器和双处理器的场合可以用单处理器代替，这样，既保证了机器的性能，的场合可以用单处理器代替，这样，既保证了机器的性能，又降低了功耗和成本。又降低了功耗和成本。FARM体系版本体系版本4TEJ是最早包含了是最早包含了J变种。用字符变种。用字符J表示表示J变种变种 2.1.4 ARM 体系结构的演变体系结构的演变(5)五、五、ARM媒体功能扩展媒体功能扩展(SIMD变种变种)F ARM的的SIMD媒体功能扩展为这些应用系统媒体功能扩展为这些应用系统提供了解决方案。它为包括音频视频处理提供了解决方案。它为包括音频视频处理

22、在内的应用系统提供了优化功能。其主要特在内的应用系统提供了优化功能。其主要特点如下：点如下：使处理器的音频视频处理的性能提高了使处理器的音频视频处理的性能提高了24倍。倍。可同时进行两个可同时进行两个16位操作数或者位操作数或者4个个8位操作数的位操作数的运算。运算。用户可以自定义饱和运算的模式。用户可以自定义饱和运算的模式。可进行两个可进行两个16位操作数的乘加乘减运算及位操作数的乘加乘减运算及32位位乘以乘以32位的小数乘加运算。位的小数乘加运算。同时同时8位位/16位选择操作。位选择操作。2.1.4 ARM 体系结构的演变体系结构的演变(6)2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介

23、ARM有以下系列处理器：有以下系列处理器：ARM7系列系列ARM9系列系列ARM9E系列系列 ARM10系列系列ARM11系列系列SecurCore系列系列Inter的的StrongARM和和Xscale系列系列 其中，其中，ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和和ARM11为为5个通个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的系列专门为安全要求较高的应用而设计。应用而设计。2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(2)一、一、ARM7系

24、列系列 ARM7采用冯采用冯诺依曼（诺依曼（Von-Neumann)结构，数据存储器和程结构，数据存储器和程序存储器使用同一存储空间，用相同的指令访问序存储器使用同一存储空间，用相同的指令访问。此结构也。此结构也被大多数计算机所采用。被大多数计算机所采用。ARM7为三级流水线结构（取指，译码，执行），平均功耗为三级流水线结构（取指，译码，执行），平均功耗为为0.6mW/MHz，时钟速度为，时钟速度为66MHz，每条指令平均执行，每条指令平均执行1.9个时钟周期。个时钟周期。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM

25、720T、ARM7EJ。ARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理器，属处理器，属低端低端ARM处理器核。处理器核。TDMI的基本含义为（对其它系列也适的基本含义为（对其它系列也适用）：用）：T：支持支持16为压缩指令集为压缩指令集Thumb，称为，称为T变种变种D：支持片上支持片上Debug，称为，称为D变种变种M：内嵌硬件乘法器：内嵌硬件乘法器 Multiplier，称为，称为M变种变种I：嵌入式嵌入式ICE，支持片上断点和调试，称为，支持片上断点和调试，称为I变种变种2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(3)表表2-1 ARM7系列产品

26、系列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MemoryMgtBusThumb DSPJazelle指令指令版本版本ARM7TDMINoNoAHBYesNoNov4TARM7TDMI-SNoNoAHBYesNoNov4TARM720T8KBMMUAHBYesNoNov4TARM7EJNoNoAHBYesYesYesv5TEJ2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(4)二、二、ARM9系列系列 ARM7采用的采用的Neumann结构，取指令和取操作数都是通过一结构，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行，这样，在高速运算时，不但不能同时取条总线分时进行，这样，在高速运算时

27、，不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。ARM9采用哈佛（采用哈佛（Harvard)结构，程序存储器与数据存储器结构，程序存储器与数据存储器分开，提供了较大的存储器带宽。同时，大多数分开，提供了较大的存储器带宽。同时，大多数DSP都采用都采用此结构。此结构。ARM9为五级流水（取指，译码，执行，缓冲为五级流水（取指，译码，执行，缓冲/数据，回数据，回写），平均功耗为写），平均功耗为0.7mW/MHz。时钟速度为。时钟速度为120MHz-200MHz，每条指令平均执行，每条指令平均执行1.5个时钟周期。个时钟周期。ARM

28、9系列微处理器包含系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和和ARM940T三三种类型，主要应用在手持产品、视频电话、种类型，主要应用在手持产品、视频电话、PDA、数字消、数字消费产品、机顶盒、家用网关等方面。费产品、机顶盒、家用网关等方面。2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(5)表表2-2 ARM9系列产品系列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MemoryMgtBusThumb DSPJazelle指令指令版本版本ARM920T16KB/16KBMMUASBYesNoNov4TARM922T8KB/8KBMMUASBYesNoNov4TARM940T4K

29、B/4KBMMUASBYesNoNov4T2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(6)三、三、ARM9E系列系列 ARM9E系列微处理器包括如下系列微处理器包括如下4种类型的核：种类型的核：ARM926EJ-S、ARM946E-S和和ARM966E-S，见表，见表2-3。ARM9E系列是一种包含有微控制器、系列是一种包含有微控制器、DSP、Java功能功能的综合处理器，强化了数字信号处理能力，适用于的综合处理器，强化了数字信号处理能力，适用于需要需要DSP和微控制器结合使用的情况，并且把和微控制器结合使用的情况，并且把Thumb技术和技术和DSP都扩展到了都扩展到了ARM指令中，并且具

30、有指令中，并且具有EmbededICE-RT逻辑，更好地适应了实时系统开发的逻辑，更好地适应了实时系统开发的需要。同时需要。同时ARM9E使用了使用了Jazelle增强技术，该技术增强技术，该技术支持一种新的支持一种新的Java操作状态，在硬件中执行操作状态，在硬件中执行Java字节字节码。码。2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(7)表表2-3 ARM9E系列产品系列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MemoryMgtBusThumb DSP Jazelle指令指令版本版本ARM926EJ-S可变MMU2*AHBYesYesYesv5TEJARM946E-S可变

31、MPUAHBYesYesNov5TEARM966E-S无-AHBYesYesNov5TEARM968E-S无DMAAHBYesYesNov5TE2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(8)四、四、ARM10系列系列 ARM10系列微处理器包括：系列微处理器包括：ARM1020E和和ARM1022E等型等型号，见表号，见表2-4。ARM10系列采用了新的体系结构，其核心为使用了向量系列采用了新的体系结构，其核心为使用了向量浮点单元，有强大的浮点运算能力，并且增加了浮点单元，有强大的浮点运算能力，并且增加了Cache容量容量和总线宽度，并且具有低功耗的特点。和总线宽度，并且具有低功耗的特点

32、。ARM10系列微处理系列微处理器主要应用于下一代无线设备、视频消费品等。器主要应用于下一代无线设备、视频消费品等。表表2-4 ARM10系列产品系列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MemoryMgtBusThumb DSPJazelle指令指令版本版本ARM1020E32KB/32KBMMU2*AHBYesYesNov5TEARM1022E16KB/16KBMMU2*AHBYesYesNov5TEARM1022E可变MPUMMU2*AHBYesYesYesv5TEJ2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(9)五、五、ARMStrong/Xscale系列系列 St

33、rongARM是采用是采用ARM体系结构高度集成的体系结构高度集成的32位位RISC微处理器。它融合了微处理器。它融合了Intrl公司的设计技术，以及公司的设计技术，以及ARM体系结构的电源效率，其体系结构在软件上兼体系结构的电源效率，其体系结构在软件上兼容容ARMv4，同时又具有，同时又具有Intel技术优点。技术优点。StrongARM是是Intrl公司为手持消费类电子和移动公司为手持消费类电子和移动计算与通信设备生产的嵌入式处理器。采用计算与通信设备生产的嵌入式处理器。采用StrongARM架构的处理器有：架构的处理器有：SA-1、SA-110、SA-1100、SA1110和和IXP12

34、00。Xscale是基于是基于ARMv5体系结构的解决方案，是一款体系结构的解决方案，是一款性能全、性价比高、功耗低的处理器，支持性能全、性价比高、功耗低的处理器，支持16位的位的Thumb和和DSP指令集，主要应用于数字移动电话、个指令集，主要应用于数字移动电话、个人数字助理和网络产品等。人数字助理和网络产品等。Xscale架构的处理器有：架构的处理器有：PXA250、PXA255和和PXA270等。等。2.1.4 ARM系列处理器简介系列处理器简介(10)六、六、ARM微处理器应用微处理器应用1、工业控制领域：、工业控制领域：作为作为32的的RISC架构，基于架构，基于ARM核的核的微控制

35、器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微微控制器的低功耗、高性价比，向传统的控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位位/16位微控制器位微控制器提出了挑战。提出了挑战。2、无线通讯领域：、无线通讯领域：目前已有超过目前已有超过85%的无线通讯设备的无线通讯设备采用了采用了ARM技术，技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。地位日益巩固。3、网络应用：、网络应用：随着宽带技术的推广，采用随着宽带技术的推广

36、，采用ARM技术的技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域的应用领域提出了挑战。提出了挑战。ADSL(非对称数字用户线路非对称数字用户线路)4、消费类电子产品：、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品：、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用绝大部分采用ARM技术

37、。手机中的技术。手机中的32位位SIM智能卡也采用了智能卡也采用了ARM技术。技术。ARM系列产品命名规则系列产品命名规则Family number 7:ARM7 9:ARM910:ARM1011:ARM11Memory system 2:Cache,MMU,Process ID 4:Cache,MPU 6:Write buffer,no cacheMemory size 0:Cache size(4-128KB)2:Reduced cache size 6:TCMSynthesizableExtensions E:DSP extension J:Jazelle extension T:Thu

38、mb support2.2 ARM9体系结构体系结构2.2.1ARM9体系结构框图体系结构框图对于对于ARM9系列，其基本内核是系列，其基本内核是ARM9TDMI，下，下页图给出了页图给出了ARM9TDMI结构框图。主要有结构框图。主要有7部分构成。部分构成。比较最常用的是比较最常用的是ARM920T内核，后页图给出了内核，后页图给出了ARM920T结构框图。结构框图。ARM920T结构主要部分有：结构主要部分有：ARM9TDMI内核内核CPU、MMU、Cache、协处理器接口、运行跟踪信息接口、协处理器接口、运行跟踪信息接口(ETM)、JTAG调试接口、总线接口等调试接口、总线接口等7部分构

39、成。部分构成。一、一、ARM9TDMI体系结构框图体系结构框图ARM9TDMI CPU指令接口指令接口数据地址数据地址接口接口跟踪接口跟踪接口数据接口数据接口JTAG接口接口指令地址指令地址接口接口ARM9TDMI结构结构框图框图二、二、ARM920T体系结构框图体系结构框图二、二、ARM920T体系结构框图体系结构框图ARM9TDMI核性能核性能2.2.2 ARM流水线结构流水线结构一、流水线技术概述一、流水线技术概述 流水线方式：流水线方式：是把一个重复的过程分解为若干个是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。由

40、于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此，把它称为流水线工作方式。因此，把它称为流水线工作方式。处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典型处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典型的步骤为：的步骤为：1）从存储器读取指令）从存储器读取指令 2）译码以鉴别它是哪一类指令）译码以鉴别它是哪一类指令 3）从寄存器组取得所需的操作数）从寄存器组取得所需的操作数 4）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址 5）如果需要，则访问存储器存取数据）如果需要，则访问存储器存取数据 6）将结果回写到寄存器组）将结果回写到

41、寄存器组二、ARM7的三级流水线 1取指：取指：从程序存储器中取指令，放入指令流水线。从程序存储器中取指令，放入指令流水线。(占用存储器访问操作占用存储器访问操作)2译码：译码：指令译码。指令译码。(占用译码逻辑占用译码逻辑)3执行：执行：执行指令执行指令/读写读写REG。(占用占用ALU及数据路径及数据路径)2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(2)下图为下图为3个单周期指令在流水线上的情况。个单周期指令在流水线上的情况。一条指令有一条指令有3个个时钟周期的执行时间，但吞吐量是每个周期时钟周期的执行时间，但吞吐量是每个周期1条指令。条指令。取指取指译码译码执行执行取指取指译码译码执行执行取

42、指取指译码译码执行执行t123PC值如何计算？值如何计算？PC 指向处于读取级的指令地址，而不是处于执行级的指令地址指向处于读取级的指令地址，而不是处于执行级的指令地址PC=当前执行指令地址当前执行指令地址+8ARM单周期指令的单周期指令的3级流水线操作级流水线操作2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(3)流水线流水线：利用执行指令所需要的操作之间的并行性，实现多条指令重叠执行的一种技术。吞吐量吞吐量：（汽车装配线上）每小时的汽车产量。（CPU）每个周期执行的指令数。每条指令在在流水线上的平均时间（周期数，即CPI(CyclePerInstruction)）（理想情况）=非流水线机器一条指令

43、的执行时间（周期数，即CPI）/流水线机器段数 流水线的执行：经典的五段流水线流水线的执行：经典的五段流水线RISC处理器处理器 每条指令经过五个时钟周期执行完成，在每个时钟周期内，硬件将启动一条新的指令并执行五条不同指令的每个阶段：取指令周期（IF）-指令译码/读寄存器周期(ID)-执行/有效地址周期（EX）-访问寄存器(MEN)-写回周期（WB）优秀的流水线结构优秀的流水线结构 OperationCycle 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExe

44、cuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch 本例中本例中 6 个时钟周期内一共完成了个时钟周期内一共完成了？条指令条指令 全部对寄存器进行操作全部对寄存器进行操作 （单周期执行）（单周期执行）指令周期数指令周期数(CPI)=12.2.2 ARM流水线结构流水线结构(4)多周期指令的多周期指令的3级流水线操作级流水线操作取指取指译码译码执行执行取指取指译码译码地址地址计算计算数据数据传送传送取指取指 取指取指译码译码执行执行译码译码执行执行取指取指 译码译码 执行执行 1 2 3 4 5 6

45、 7 81 ADD2 STB3 ADD4 ADD5 ADD指令流水线出现了中断指令流水线出现了中断 2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(5)T4周期周期：指令指令2地址计算产生地址计算产生下一周期数据路下一周期数据路 径需要的径需要的控制信号控制信号。指令指令3译码产生译码产生下一周期数据路径需要下一周期数据路径需要 的的控制信号控制信号。二者都产生二者都产生下一周期数据路径控制信号，数据路径控制下一周期数据路径控制信号，数据路径控制冲突，因此断流冲突，因此断流。T5周期周期：指令指令2 STB访问数据访问数据存储器存储器 指令指令5取指访问程序取指访问程序存储器存储器 二者都二者都访问存

46、储器，造成访问存储器访问存储器，造成访问存储器冲突，在此断流。冲突，在此断流。指令指令3译码译码 指令指令4的译码则不得不推迟一个周期。的译码则不得不推迟一个周期。2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(6)三、三、ARM9TDMI的五级流水线的五级流水线ARM7TDMI与与ARM9TDMI流水线比较流水线比较2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(7)四、四、ARM7和和ARM9流水线比较流水线比较 5级流水线的级流水线的ARM9内核是内核是哈佛架构哈佛架构，拥有，拥有独立的指令和数据总线；指令和数据的读取独立的指令和数据总线；指令和数据的读取可以在同一周期进行；可以在同一周期进行；3级流水

47、的级流水的ARM7内核是指令和数据总线复内核是指令和数据总线复用的用的冯冯.诺依曼架构诺依曼架构，指令和数据的读取不能，指令和数据的读取不能在同一周期进行；在同一周期进行；5级流水线设计把寄存器读取、逻辑运算、级流水线设计把寄存器读取、逻辑运算、结果回写分散在不同的流水当中，结果回写分散在不同的流水当中，每一级流每一级流水的操作简洁，提升了处理器的主频。水的操作简洁，提升了处理器的主频。2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(8)2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(9)随着流水线深度（级数）的增加，每一段随着流水线深度（级数）的增加，每一段的工作量被削减了，这使得处理器可以工作的工作量被削

48、减了，这使得处理器可以工作在更高的频率，同时改进了处理器的性能；在更高的频率，同时改进了处理器的性能；负面作用是增加了系统的延时，即内核在负面作用是增加了系统的延时，即内核在执行一条指令前，需要更多的周期来填充流执行一条指令前，需要更多的周期来填充流水线；水线；流水线级数的增加也意味着在某些段之间流水线级数的增加也意味着在某些段之间会产生数据相关。会产生数据相关。2.2.2 ARM流水线结构流水线结构(10)ARM处理器性能比较处理器性能比较2.2.3 ARM总线结构总线结构ARM微控制器使用的是微控制器使用的是AMBA总线体系结构总线体系结构AMBA（Advanced Microcontro

49、ller Bus Architecture）是）是ARM公司公布的总线标准，先进公司公布的总线标准，先进的的AMBA规范定义了三种总线：规范定义了三种总线：AHB总线总线（Advanced High-performance Bus）：）：用于连接高性能系统模块。它支持突发数据传输方用于连接高性能系统模块。它支持突发数据传输方式式(两设备之间不间断的连续数据传送，块方式)及及单个数据传输方式，所有时序单个数据传输方式，所有时序 参考同一个时钟沿。参考同一个时钟沿。ASB总线总线（Advanced System Bus）：）：用于连接高用于连接高性能系统模块，它支持突发数据传输模式。性能系统模块，

50、它支持突发数据传输模式。APB总线总线（Advance Peripheral Bus）：）：是一个简是一个简单接口支持低性能的外围接口。单接口支持低性能的外围接口。突发传送 Bursts 突发传送是两设备之间不间断的连续数据传送。微处理器如Intel 80486、Motorola 68030允许用突发方式将成组数据传送到内存和板上的高速缓存。IBM公司的微通道(Micro Channel)总线提供突发传送方式，总线上的适配器能够用突发方式控制总线发送多个成组数据。在汇聚和传送来自几个源节点数据的多路复用总线设备或数据通信信道上，在突发传输模式下，多个数据单元当做一个单元（相当一个数据块）来传送

51、，从而提高了传输效率。突发方式将整个信道专用于传送一个源节点的数据。具有突发方式功能的设备常常为成组方式操作提供最大吞吐率。例如，基于Intel芯片的PC机扩展工业标准体系结构(EISA)总线具有速率为33Mbps的突发方式，在突发传送时，一次数据移动只要一个时钟周期，而不是通常的两个时钟周期。本节主要内容本节主要内容1、数据类型、数据类型2、存储器组织、存储器组织3、存储器层次、存储器层次 2.3 ARM存储结构存储结构2.3.1 ARM存储数据类型存储数据类型 ARM处理器支持以下处理器支持以下6种数据类型：种数据类型：8位位有符号和无符号字节有符号和无符号字节(Byte)。16位位有符号

52、和无符号半字有符号和无符号半字(Halfword)它们必须以两字节的边界对齐它们必须以两字节的边界对齐(半字对齐半字对齐)。32位位有符号和无符号字有符号和无符号字(word)它们必须以它们必须以4字节的边界对齐字节的边界对齐(字对齐字对齐)。字对齐字对齐：字单元地址的低两位：字单元地址的低两位 A1A0=0b00。即地。即地址末位为址末位为0 x0,0 x4,0 x8,0 xc。半字对齐半字对齐：半字单元地址的最低位：半字单元地址的最低位 A0=0b0(地址地址末位为末位为0 x0,0 x2,0 x4,0 x6,0 x8,0 xa,0 xc,0 xe)。2.3 ARM存储结构存储结构 对于指

53、令对于指令，ARM指令系统分为指令系统分为32位位ARM指令集指令集和和16位的位的Thumb指令集指令集，在存储时分别以，在存储时分别以32位和位和16位位的两种不同长度存储。的两种不同长度存储。对于数据对于数据，ARM支持对支持对32位字数据，位字数据，16位半字数位半字数据，据，8位字节数据位字节数据操作。因此数据存储器可以存储操作。因此数据存储器可以存储32位，位，16位，位，8位三种不同长度数据。位三种不同长度数据。在在ARM内部，所有操作都面向内部，所有操作都面向32位的操作数，只位的操作数，只有数据传送指令支持较短的字节和半字的数据类型。有数据传送指令支持较短的字节和半字的数据类

54、型。当从存储器读入一个字节或半字时，根据其数据类当从存储器读入一个字节或半字时，根据其数据类型将其扩展到型将其扩展到32位。位。2.3 ARM存储结构存储结构(2)2.3.2 ARM存储器组织存储器组织 ARM存储器以存储器以8位为一个单元存储数据位为一个单元存储数据(一个字节一个字节)，每个存，每个存储单元分配一个存储地址。储单元分配一个存储地址。ARM将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。作将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。作为为32位的微处理器，位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节）。字节）。从零字节到三字节放

55、置第一个存储的从零字节到三字节放置第一个存储的字字数据，从第四个字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的节到第七个字节放置第二个存储的字字数据，依次排列。数据，依次排列。32位的字数据要使用位的字数据要使用4个地址单元，个地址单元，16位半数据要使用位半数据要使用2个地个地址单元。址单元。这样，就存在一个所存储的字或半字数据的排列顺序问题。这样，就存在一个所存储的字或半字数据的排列顺序问题。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式大端格式和和小端格式小端格式。2.3 ARM存储结构存储结构(3)2.3 ARM存储结构存储结构(4)大端格

56、式大端格式(big-endian)：字数据的高字节存储在低地址中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。而字数据的低字节则存放在高地址中。小端格式小端格式(low-endian)：与大端存储格式相反。低地址中与大端存储格式相反。低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。节。缺省设置为小端格式。缺省设置为小端格式。2.3.3 ARM存储器层次存储器层次 微处理器希望微处理器希望存储器容量大、速度快。但容量存储器容量大、速度快。但容量大者速度慢；速度快者容量小。解决方法是大者速度慢；速度快者容量小。解决

57、方法是构建一构建一个由多级存储器组成的复合存储器系统。个由多级存储器组成的复合存储器系统。两级存储器方案两级存储器方案一般包括：一般包括：一个容量小但速度快的一个容量小但速度快的从存储器从存储器一个容量大但速度慢的一个容量大但速度慢的主存储器主存储器宏观上看这个存储器系统像一个即大又快的存储宏观上看这个存储器系统像一个即大又快的存储器。这个容量小但速度快的元件是器。这个容量小但速度快的元件是Cache，它自动地，它自动地保存处理器经常用到的指令和数据的拷贝。保存处理器经常用到的指令和数据的拷贝。2.3 ARM存储结构存储结构(5)多级存储器系统多级存储器系统寄存器组寄存器组 访问时间约为几个访

58、问时间约为几个ns。片上片上RAM 与片外与片外RAM比速度快、功耗小、比速度快、功耗小、容量小。读写时间约为几个容量小。读写时间约为几个ns。片上片上Cache 832KB,访问时间约为十几个访问时间约为十几个ns。主存储器主存储器 一般为几兆字节一般为几兆字节1GB 的动态存的动态存 储器，访问时间约储器，访问时间约 50ns。2.3 ARM存储结构存储结构(6)CPU寄存器组寄存器组片上片上RAM片上片上Cache主存储器主存储器硬盘硬盘2.4 ARM处理器的工作状态和模式处理器的工作状态和模式为了能够体现为了能够体现ARM的特点和性能，的特点和性能，ARM处理器处理器有两种工作状态和有

59、两种工作状态和7种工作模式。种工作模式。2.4.1 ARM处理器的工作状态处理器的工作状态 有两种工作状态：有两种工作状态：ARM状态：状态：处理器执行处理器执行32位的字对齐的位的字对齐的ARM指指令；令；Thumb状态：状态：处理器执行处理器执行16位的半字对齐的位的半字对齐的Thumb指令。指令。两种状态可以切换两种状态可以切换。程序执行过程中，通过执。程序执行过程中，通过执行行带状态切换的分支指令带状态切换的分支指令BX，随时在两种工作状，随时在两种工作状态之间进行切换。并且，处理器工作状态的转变，态之间进行切换。并且，处理器工作状态的转变，并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容

60、。并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。2.4 ARM处理器的工作状态和模式处理器的工作状态和模式(2)从从ARM状态切换到状态切换到Thumb状态状态有两种情况有两种情况ARM处理器自动切换到处理器自动切换到Thumb状态。状态。（1）执行）执行BX指令，当操作数寄存器的位指令，当操作数寄存器的位0为为1时，则微时，则微处理器从处理器从ARM状态切换到状态切换到Thumb状态。此为主动切换。状态。此为主动切换。（2）当处理器处于）当处理器处于Thumb状态时发生异常（如状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef等），处理完异常后，在异常处理返回时，自动切换等），处理完异常后，在异常

61、处理返回时，自动切换到到Thumb状态。此为自动切换。状态。此为自动切换。从从Thumb状态切换到状态切换到ARM状态状态有两种情况有两种情况ARM处理器自动切换到处理器自动切换到Thumb状态。状态。（1）执行）执行BX指令，当操作数寄存器的位指令，当操作数寄存器的位0为为0时，则微时，则微处理器从处理器从Thumb状态切换到状态切换到ARM状态。状态。（2）当处理器在）当处理器在Thumb状态时发生异常（如状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef等），则处理器从等），则处理器从Thumb状态自动切换到状态自动切换到ARM状态进状态进行异常处理行异常处理2.4 ARM处理器的工作状态和模

62、式处理器的工作状态和模式(3)例例3.1 状态切换程序状态切换程序;从从ARM状态切换到状态切换到Thumb状态状态LDRR0,=Lable+1（将将Lable+1该地址中内容该地址中内容 存入到存入到R0中）中）BXR0;从从Thumb状态切换到状态切换到ARM状态状态LDRR0,=LableBXR0注意：注意：ARM和和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。式或寄存器的内容。ARM处理器在开始执行代码时，只能处于处理器在开始执行代码时，只能处于ARM状状态。态。2.4.2 ARM处理器的工作模式处理器的工作模式一、一、ARM9的的7种工作模

63、式种工作模式 1、用户模式（、用户模式（usr)：非特权模式，大部分任务执非特权模式，大部分任务执行在这种模式。行在这种模式。正常程序执行的模式正常程序执行的模式2、快速中断模式（、快速中断模式（fiq）：）：当一个高优先级当一个高优先级(fast)中断产生时将会进入这种模式。中断产生时将会进入这种模式。高速数据传输或通高速数据传输或通道处理道处理3、外部中断模式（、外部中断模式（irq）：）：当一个低优先级当一个低优先级(normal)中断产生时将会进入这种模式。中断产生时将会进入这种模式。通常的中断通常的中断处理处理4、管理模式（、管理模式（svc)：当复位或软中断指令执行时当复位或软中断

64、指令执行时将会进入这种模式。将会进入这种模式。供操作系统使用的一种保护模供操作系统使用的一种保护模式式2.4.2 ARM处理器的工作模式处理器的工作模式(2)5、中止模式（、中止模式（abt）：）：当存取异常时将会进入这当存取异常时将会进入这种模式种模式虚拟存储及存储保护虚拟存储及存储保护 6、未定义模式（、未定义模式（und）：）：当执行未定义指令时会当执行未定义指令时会进入这种模式进入这种模式软件仿真硬件协处理器软件仿真硬件协处理器 7、系统模式（、系统模式（sys）：）：供需要访问系统资源的操作供需要访问系统资源的操作系统任务使用系统任务使用特权级的操作系统任务特权级的操作系统任务2.4

65、.2 ARM处理器的工作模式处理器的工作模式(2)二、模式分类及特点二、模式分类及特点 七种模式可以划分成四类七种模式可以划分成四类 1、用户模式特点：、用户模式特点：应用程序不能够访问受操作系统保护的系统资源。应用程序不能够访问受操作系统保护的系统资源。应用程序不能进行处理器模式的切换。应用程序不能进行处理器模式的切换。2、系统模式特点：、系统模式特点：不属于异常模式，不是通过异常进入的。系统模式属于不属于异常模式，不是通过异常进入的。系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行模特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行模式的切换。它主要供操作系统使用。式的切换。它主

66、要供操作系统使用。3、特权模式及其特点：、特权模式及其特点：特权模式：特权模式：除用户模式之外的工作模式又称为特权模式除用户模式之外的工作模式又称为特权模式特点：特点：应用程序可以访问所有的系统资源应用程序可以访问所有的系统资源可以任意地进行处理器模式的切换可以任意地进行处理器模式的切换2.4.2 ARM处理器的工作模式处理器的工作模式(3)4、异常模式及其特点：、异常模式及其特点：异常模式：异常模式：除用户模式、系统模式之除用户模式、系统模式之外的五种模式称为异常模式。外的五种模式称为异常模式。特点：以各自的中断或异常方式进入，特点：以各自的中断或异常方式进入，并且处理各自的中断或异常。对管理模式并且处理各自的中断或异常。对管理模式(svc)进入方式和处理内容有进入方式和处理内容有:系统上电复位后进入管理模式，运行系统初始化系统上电复位后进入管理模式，运行系统初始化程序，如中断允许程序，如中断允许/禁止，主时钟设置，禁止，主时钟设置，SDRAM配置，配置，各个功能模块初始化等。各个功能模块初始化等。当执行软件中断指令当执行软件中断指令SWI时，进入管理模式。时，进入管理模式。2.4.