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MC 12009520, Fall 2010MC 12009520, Fall 2010 嵌入式系统 Embedded System 重庆大学光电工程学院 五、嵌入式系统硬件基础 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 嵌入式处理器的分类 pMCU、MPU、DSP、SoC pCISC、RISC pHarvard Architecture、Von Neumann (Princeton) Architecture 2 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 MPU pARM pPowerPC（Performance Optimization With Enhanced RISC Performance Computing） pMotorola 68000（CISC）ColdFire（RISC） pMIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages） 特例：PowerPC是通用型计算机CPU中较少采用RISC架构的 Motorola 68000是嵌入式CPU中较少采用CISC架构的 3 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 什么是ARM？ ARM = Acorn RISC Machine（v1v3） Advanced RISC Machine（v4v6） Application, Realtime, & Microcontroller p一个公司名称 p一类处理器 p一种处理器的设计技术 4 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM发展史 p1985年，第一片ARM处理器诞生，由英国的Acorn Computer开发 p1990年，Acorn Computer与Apple公司联合成立 ARM公司 p1995年，ARM与DEC联合研制StrongARM p1997年，Intel收购StrongARM p2003年，Intel开发出XScale p2006年，Intel出售XScale业务给Marvell 5 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM发展史 p迄今为止共有7个版本 p经典ARM处理器 pARM7TDMI、ARM9TDMI（v4T） pARM7EJ、ARM9E （v5TE） pARM11（v6） pCortex A/R/M（v7）（注：M0/M1基于v6） pStrongARM（v4） pXScale（v5TE） 6 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的命名规则 pT：Thumb mode support（compressed 16-bit instruction set），即支持16位压缩指令集Thumb pD：Debug support，即支持片上Debug pM：Enhanced Multiplier (multiply with 64 bit)，即 内嵌硬件乘法器 pI：Embedded-ICE，即嵌入式ICE，支持片上断点 和调试点 7 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的命名规则 pE：ARM Enhanced DSP instruction set pJ：Jazelle Java acceleration technology pF：Vector Floating Point p-S : Synthesizable px：系列号 py：内部存储管理或保护单元 pz：高速缓存Cache 8 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecution） p允许在硬件上加速执行Java bytecode p首颗具备该技术的处理器是ARM926EJ-S Jazelle RCT（Runtime Compiler Target） pThumb-2EE p在移动电话和消费电子产品等众多应用终端上显著 地降低Java应用程序对内存的占用空间，同时提高 性能并降低功耗 p首颗具备该技术的处理器是Cortex A8 9 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 pCurrently available ARM7 family members, the ARM7TDMI, ARM710T, ARM720T, and ARM740T, are based on an ARM7TDMI core, with the exception of the ARM720T Rev 4, which is based on an ARM7TDMI-S synthesizable core. pThe ARM9 family is based on the ARM9TDMI core, which is not available separately, but only as part of an ARM920T, ARM922T or ARM940T. Other ARM9 cores, like the ARM926EJ-S, ARM946E-S and ARM966E-S are based on the synthesizable ARM9E-S or ARM9EJ-S core, and contain slightly different debug functionality. 10 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的设计架构 pRISC ARM的寄存器结构 p31个通用寄存器（General-Purpose Register），包 含Program Counter p6个状态寄存器（Program Status Register） ARM的工作状态 pARM状态 pThumb状态 pJazelle状态 11 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的运行模式 p不同的寄存器组合对应于7种不同的运行模式 p用户模式（USR，User） p快速中断模式（FIQ，Fast interrupt） p外部中断模式（IRQ，Interrupt） p管理模式（SVC，Supervisor） p数据访问中止模式（ABT，Abort） p未定义指令中止模式（UND，Undefined instruction） p系统模式（SYS，System） 12 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的运行模式 p用户模式 非特权模式，也就是正常程序执行的模式，大部分任务在 这种模式下执行。在用户模式下，如果没异常发生，不允 许应用程序自行改变处理器的工作模式，如果有异常发生 ，处理器会自动切换工作模式 p快速中断模式 支持高速数据传输和通道处理，当一个高优先级中断产生 时将会进入这种模式 p外部中断模式 当一个低优先级中断产生时将会进入这种模式。在这模式 下按中断的处理器方式又分为向量中断和非向量中断两种 。通常的中断处理都在IRQ模式下进行。 13 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的运行模式 p管理模式 一种操作系统保护模式，当复位或软中断指令执行时处理 器将进入这种模式 p数据访问中止模式 当存取异常时将会进入这种模式，用来处理存储器故障、 实现虚拟存储或存储保护 14 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的运行模式 p未定义指令中止模式 当执行未定义指令时会进入这种模式，主要是用来处理未 定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真，因为未 定义指令多发生在对协处理器的操作上 p系统模式 使用和用户模式相同寄存器组的特权模式，用来运行特权 级的操作系统任务 15 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的运行模式 p除用户模式（User Mode）以外，其余模式称为特 权模式（Privileged modes），特权模式下可以访问 所有的系统资源 p除用户模式和系统模式以外，其余模式称为异常模 式（Exception Modes），用于处理中断异常，每种 异常都对应有自己的异常处理入口点 16 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的寄存器组织 p31个通用寄存器(R0R15) + 6个状态寄存器(R16) p通用寄存器（R0R15）在每一种运行模式下均可访 问 pR0R7：未分组（unbanked）寄存器，每个未分组寄存器 都对应于1个物理寄存器 pR8R14：分组（banked）寄存器。其中R8R12，每个寄 存器对应2个物理寄存器；R13、R14每个寄存器对应6个物 理寄存器 pR15：程序计数器PC 通用寄存器个数：81 + 52 + 26 + 1 = 31 17 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的寄存器组织 pR8R12 当FIQ模式时，访问R8_FIQR12_FIQ；当其他模式时， 访问R8_USRR12_USR pR13R14 pR13_、 R13_ pUSR（SYS共用）、FIQ、IRQ、SVC、ABT、UND pR13常用作堆栈指针 pR14称为子程序连接寄存器LR 18 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的寄存器组织 pR16 pR16为当前程序状态寄存器CPSR（Current Program Status Register） p每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称 为备份程序状态寄存器SPSR（Saved Program Status Register） p当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值；从异常退 出时，可由SPSR恢复CPSR p由于USR与SYS均不属于异常模式，因此它们没有SPSR， 在这两种模式下访问SPSR，结果不确定 19 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 未分组 寄存器 分组 寄存器 程序 计数器 异常模式 System 特权模式 20 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的指令集 pARM指令集 p32位指令集，可以实现ARM架构下所有功能 pThumb指令集 p功能只是32位ARM指令集的子集，目标是为了实现更高的 代码密度 p把常用的ARM指令压缩成16位的指令编码方式。在指令的 执行阶段，16位的指令被重新解码，完成对等的32位指令 所实现的功能。 p与全部用ARM 指令集相比，使用Thumb指令可以 在代码密度方面改善大约30%。但是，这种改进是 以代码的效率为代价的。 21 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的指令集 pThumb-2 Thumb-2是一种混合型指令集，兼有16位及32位指令，能 更好地平衡代码密度和性能，令嵌入式设备、手机设备具 有更长的待机时间，运行功能丰富的应用软件。 p增加了新的16位Thumb指令来改进程序的执行流程 p增加了新的32位Thumb指令以实现一些ARM指令的专有功 能 p32位的ARM指令也得到了扩充，增加了新的指令来改善代 码性能和数据处理的效率 22 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 ARM的指令集 pThumb-2 可以在比较高的代码密度下实现比较高的代码性能，更合 理有效地使用存储器，从而提高系统性能，大幅降低功耗 23 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 Thumb-2EE（ThumbEE，Jazelle RCT） pThumb-2EE 提供从 Thumb-2 而来的一些扩充性， 在所处的执行环境（Execution Environment）下， 使得指令集能特别适用于执行阶段的编码产生（例 如即时编译） pThumb-2EE 是专为一些语言如Java、C#、Perl 和 Python，并能让即时编译器能够输出更小的编译码 却不会影响到效能 24 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 Advanced SIMD（NEON） p结合 64 和 128 bit 的 SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多重数据）指令集，提供对 多媒体和信号处理应用的标准化加速 pNEON can execute MP3 audio decoding on CPUs running at 10 MHz and can run the GSM AMR (Adaptive Multi-Rate) speech codec at no more than 13 MHz. 25 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 VFP（Vector Floating Point） pVFP是在协同处理器针对ARM架构的衍生技术。它 提供低成本的单精度和双精度浮点运算能力，并完 全符合ANSI/IEEE Std 754-1985 二进制浮点运算标 准。 pVFP 提供大多数适用于浮点运算的应用，例如PDA 、智能手机、语音压缩与解压、3D图像、打印机、 机顶盒。 26 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 数据存储格式 p大端格式（Big-Endian） 数据的高字节存储在低地址中，数据的低字节存储在高地址中 27 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 数据存储格式 p小端格式（Little-Endian） 数据的低字节存储在低地址中，数据的高字节存储在高地址中 28 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 SecurCore p专为安全要求较高的应用而设计 p技术特点 p采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测 p带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全 p可以集成用户自己的安全特性和其他协处理器 p应用 SIM卡、电子商务、电子银行业务等需要防篡改的接触和 非接触智能卡 29 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 SecurCore 30 MC 12009520MC 12009520 嵌入式系统硬件基础 Texas Instruments OMAP OMAP = Open Multimedia Application Platform pV1 pOMAP171X：220 MHz ARM926EJ-S + C55x DSP pV2 pOMAP243X：330 MHz ARM1136 + 220 MHz C64x DSP pV3 pOMAP3640：1 GHz ARM Cortex A8 + PowerVR SGX530 GPU + 430 MHz C64x+ DSP + ISP (Image Signal Processor) pV4 pOMAP4440：1 GHz dual-core ARM Cortex-A9 MP Co