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嵌入式系统原理与开发 第二章 嵌入式处理器(上 ) 第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器 2.1 2.1 引言引言 2.2 2.2 嵌入式处理器概述嵌入式处理器概述 2.32.3 ARMARM处理器基础处理器基础 2.42.4 ARMARM指令系指令系统统统统 2.52.5 ARMARM程序程序设计设计设计设计 基基础础础础 2.1 引言 嵌入式处理器是嵌入式系统最核心的部件。 RISC结构已经被证明是嵌入式处理器最适合 的结构。 ARM处理器是真正意义上的RISC结构的处理 器，且具有处理速度快、功耗低、价格便宜等 方面的优点，得到了广泛使用。 2.1 引言 本章以ARM处理器为例来介绍嵌入式处 理器。 在概要介绍处理器背景知识的基础上， 主要内容偏重于介绍处理器的指令系统 和基于处理器的编程基础。 第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器 2.1 2.1 引言引言 2.2 2.2 嵌入式处理器概述嵌入式处理器概述 2.32.3 ARMARM处理器基础处理器基础 2.42.4 ARMARM指令系指令系统统统统 2.52.5 ARMARM程序程序设计设计设计设计 基基础础础础 2.2 嵌入式处理器概述 2.2.1 嵌入式处理器的分类 2.2.2 典型的嵌入式处理器 2.2.1 嵌入式处理器的分类 2.2 2.2 嵌入式处理器概述嵌入式处理器概述 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 （MCUMCU） 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 （MPUMPU） 嵌入式嵌入式DSPDSP （DSPDSP） 嵌入式片上系统嵌入式片上系统 （SoCSoC） 1. 嵌入式微控制器(MicroController) 嵌入式微控制器又称嵌入式微控制器又称单单单单片机，就是将整个片机，就是将整个计计计计算机系算机系统统统统 集成到一集成到一块块块块芯片中。芯片中。 嵌入式微控制器将嵌入式微控制器将CPUCPU、存、存储储储储器（少量的器（少量的RAMRAM、ROMROM 或两者都有）和其他外或两者都有）和其他外设设设设封装在同一片集成封装在同一片集成电电电电路里，因路里，因 为为为为其片上外其片上外设资设资设资设资 源一般比源一般比较较较较丰富，适合于控制，因此称丰富，适合于控制，因此称 为为为为微控制器。微控制器。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 例：Intel 8085 Microprocessor Introduced in 1974 8-bit architecture Still used in some microcontrolle r applications ! 1. 嵌入式微控制器(MicroController) 与嵌入式微与嵌入式微处处处处理器相比，微控制器的最大特点是理器相比，微控制器的最大特点是单单单单片片 化，体化，体积积积积大大减小，从而使功耗和成本降低、可靠性提高大大减小，从而使功耗和成本降低、可靠性提高 。 由于微控制器低廉的价格、由于微控制器低廉的价格、优优优优良的功能，所以良的功能，所以拥拥拥拥有的有的 品种和数量最多，是目前嵌入式系品种和数量最多，是目前嵌入式系统统统统工工业业业业的主流。的主流。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 1. 嵌入式微控制器(MicroController) 比比较较较较有代表性的通用系列包括有代表性的通用系列包括80518051、C166/167C166/167、 MCS-251MCS-251、MCS-96/196/296MCS-96/196/296、P51XAP51XA、MC MC 68HC05/11/12/1668HC05/11/12/16、6830068300等。等。 半通用系列，如支持半通用系列，如支持USBUSB接口的接口的MCU8XC930/931MCU8XC930/931、 C540C540、C541C541；支持；支持I I 2 2 C C、CANCAN、LCDLCD及众多及众多专专专专用用MCUMCU和和 兼容系列。兼容系列。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 2. 嵌入式微处理器 (MicroProcessorUnit) 嵌入式微嵌入式微处处处处理器是由通用理器是由通用计计计计算算 机中的机中的CPUCPU演演变变变变而来的。而来的。 与通用与通用计计计计算机算机处处处处理器不同，在理器不同，在 实际应实际应实际应实际应 用中，嵌入式系用中，嵌入式系统统统统将微将微 处处处处理器装配在理器装配在专门设计专门设计专门设计专门设计 的的电电电电路路 板上，只保留与嵌入式板上，只保留与嵌入式应应应应用用紧紧紧紧密密 相关的功能硬件，以相关的功能硬件，以满满满满足嵌入式足嵌入式 系系统统统统体体积积积积小、功耗低的特殊要求小、功耗低的特殊要求 。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 2. 嵌入式微处理器 (MicroProcessorUnit) 与工与工业业业业控制控制计计计计算机相比，嵌入式微算机相比，嵌入式微处处处处理器具有体理器具有体积积积积小小 、重量、重量轻轻轻轻、成本低和可靠性高的、成本低和可靠性高的优优优优点。点。 目前的嵌入式微目前的嵌入式微处处处处理器主要有理器主要有Am186/88Am186/88、386EX386EX、 PowerPCPowerPC、ARMARM、MIPSMIPS、Motorola 68KMotorola 68K等。等。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 3. 嵌入式DSP (Digital Signal Processor ) 嵌入式嵌入式DSPDSP是是专门专门专门专门 用于信号用于信号处处处处理的嵌入式芯片。理的嵌入式芯片。 DSPDSP处处处处理器在系理器在系统结统结统结统结 构和指令算法方面构和指令算法方面进进进进行了特殊行了特殊设设设设 计计计计，使其适合于，使其适合于执执执执行行DSPDSP算法算法 ，使其适合于，使其适合于执执执执行行DSPDSP算算 法，因而能法，因而能够对够对够对够对 离散离散时间时间时间时间 信号信号进进进进行极快的行极快的处处处处理理计计计计算，提算，提 高了高了编译编译编译编译 效率和效率和执执执执行速度行速度 。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 3. 嵌入式DSP (Digital Signal Processor ) 在数字在数字滤滤滤滤波、波、FFTFFT、频谱频谱频谱频谱 分析等方面，嵌入式分析等方面，嵌入式DSPDSP 获获获获得了大得了大规规规规模的模的应应应应用。用。 嵌入式嵌入式DSPDSP处处处处理器主要有两方面的理器主要有两方面的应应应应用：用： 一方面，嵌入式一方面，嵌入式DSPDSP处处处处理器理器经过单经过单经过单经过单 片化片化设计设计设计设计 ，通，通过过过过 在片上增加丰富的外在片上增加丰富的外设设设设使之成使之成为为为为具有高性能具有高性能DSPDSP功能功能 的片上系的片上系统统统统； 另一方面，在微另一方面，在微处处处处理器、微控制器或片上系理器、微控制器或片上系统统统统中增中增 加加DSPDSP协处协处协处协处 理器来理器来实现实现实现实现 DSPDSP运算。运算。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 4. 嵌入式片上系统 (System on Chip ) 片上系片上系统统统统SoCSoC是是2020世世纪纪纪纪9090年代后出年代后出现现现现的一种新的嵌入的一种新的嵌入 式集成器件。式集成器件。 在嵌入式系在嵌入式系统设计统设计统设计统设计 从从 “ “集成集成电电电电路路” ”级设计级设计级设计级设计 不断不断转转转转向向“ “集集 成系成系统统统统” ”级设计过级设计过级设计过级设计过 程中，提出了程中，提出了SoCSoC的概念。的概念。 SocSoc追求追求产产产产品系品系统统统统的最大包容，已成的最大包容，已成为为为为提高移提高移动动动动通信通信 、网、网络络络络、信息家、信息家电电电电、高速、高速计计计计算、多媒体算、多媒体应应应应用以及用以及军军军军用用电电电电 子系子系统统统统性能的核心器件。性能的核心器件。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 4. 嵌入式片上系统 (System on Chip ) SoCSoC不是把系不是把系统统统统所需要的所有集成所需要的所有集成电电电电路路简单简单简单简单 地二次集地二次集 成到一个芯片上，而是从整个系成到一个芯片上，而是从整个系统统统统的性能要求出的性能要求出发发发发，把，把 各各层层层层次次电电电电路器件路器件紧紧紧紧密密结结结结合起来，并通合起来，并通过过过过系系统统统统的的软软软软硬件硬件协协协协 同同设计设计设计设计 ，在，在单单单单个芯片上个芯片上实现实现实现实现 整个系整个系统统统统的功能。的功能。 SoCSoC最大的特点就是成功最大的特点就是成功实现实现实现实现 了了软软软软硬件无硬件无缝结缝结缝结缝结 合合，直，直 接在接在处处处处理器片内嵌入操作系理器片内嵌入操作系统统统统的代的代码码码码模模块块块块，满满满满足了足了单单单单片片 系系统统统统所要求的高密度、高速度、高性能、小体所要求的高密度、高速度、高性能、小体积积积积、低、低电电电电 压压压压和低功耗等指和低功耗等指标标标标。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 4. 嵌入式片上系统 (System on Chip ) 目前比目前比较较较较典型的几款典型的几款SoCSoC产产产产品包括品包括SiemensSiemens的的 TriCoreTriCore、PhilipsPhilips的的Smart XASmart XA、MotorolaMotorola的的MM -Core-Core、某些、某些ARMARM系列器件、系列器件、EchelonEchelon和和 MotorolaMotorola联联联联合研制的合研制的NeuronNeuron芯片等。芯片等。 2.2.1 2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 2.2 嵌入式处理器概述 2.2.1 嵌入式处理器的分类 2.2.2 典型的嵌入式处理器 2.2.2 典型的嵌入式处理器 1. ARM处理器 2. Power PC处理器 3. MIPS处理器 4. Sparc处理器 5. 龙芯一号处理器 2.2 2.2 嵌入式处理器概述嵌入式处理器概述 1. ARM处理器 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 英国先英国先进进进进RISCRISC机器公司（机器公司（A Advanced dvanced R RISC ISC MMachinesachines，ARMARM）是全球）是全球领领领领先的先的16/3216/32位位RISCRISC微微处处处处理理 器知器知识产权识产权识产权识产权 （I Intellectual ntellectual P Propertyroperty，IPIP）供）供应应应应商。商。 ARMARM公司本身不直接从事芯片生公司本身不直接从事芯片生产产产产，而是依靠，而是依靠转让转让转让转让 微微 处处处处理器、外理器、外围围围围和系和系统统统统芯片的芯片的设计设计设计设计 技技术给术给术给术给 合作公司，由合合作公司，由合 作公司使用作公司使用这这这这些技些技术术术术来生来生产产产产各具特色的芯片。各具特色的芯片。 1. ARM处理器 ARMARM已成已成为为为为移移动动动动通信、手持通信、手持设备设备设备设备 、多媒体数字消、多媒体数字消费费费费等等 嵌入式解决方案事嵌入式解决方案事实实实实上的上的标标标标准。准。 ARMARM进进进进入中国几年以来，已入中国几年以来，已经经经经与中与中兴兴兴兴、华为华为华为华为 、东东东东南大南大 学、上海集成学、上海集成电电电电路路设计设计设计设计 中心、中芯国中心、中芯国际际际际以及大唐以及大唐签订签订签订签订 了了 芯片核心技芯片核心技术术术术授授权协议权协议权协议权协议 。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 1. ARM处理器 ARMARM处处处处理器本身是理器本身是3232位位设计设计设计设计 ，但也配，但也配备备备备1616位指令集位指令集 。 ARMARM的的JazelleJazelle技技术术术术提供了提供了JavaJava加速，可得到比基于加速，可得到比基于软软软软 件的件的JavaJava虚虚拟拟拟拟机高得多的性能。机高得多的性能。 ARMARM采用采用DSPDSP指令集的指令集的扩扩扩扩充提供了增充提供了增强强的的1616位和位和3232位位 算算术术术术运算能力，提高了性能和灵活性运算能力，提高了性能和灵活性 。 ARMARM还还还还提供了两个前沿特性提供了两个前沿特性嵌入式嵌入式ICE-RTICE-RT逻辑逻辑逻辑逻辑 和和 嵌入式跟踪宏嵌入式跟踪宏核系列，用以核系列，用以辅辅辅辅助助带带带带嵌入式核的、高集成的嵌入式核的、高集成的 SoCSoC器件的器件的调试调试调试调试 。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 1. ARM处理器 基于基于ARMARM核嵌入式芯片的典型核嵌入式芯片的典型应应应应用主要有：用主要有： 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 ARMARM应用应用 消费娱乐产品 数字影像产品 军事电子 工业控制产品 移动存贮 无线产品 存储产品 汽车产品 网络产品 安全产品 2. PowerPC处理器 PowerPCPowerPC处处处处理器品种很多，既有通用的理器品种很多，既有通用的处处处处理器，又有理器，又有 嵌入式控制器和内核。嵌入式控制器和内核。 PowerPCPowerPC的特点是可伸的特点是可伸缩缩缩缩性好、方便灵活。性好、方便灵活。 PowerPCPowerPC的的应应应应用范用范围围围围非常广泛，从高端的工作站、服非常广泛，从高端的工作站、服 务务务务器到桌面器到桌面计计计计算机系算机系统统统统，从消，从消费电费电费电费电 子到大型通信子到大型通信设备设备设备设备 等等 各个方面。各个方面。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 2. PowerPC处理器 PowerPCPowerPC处处处处理器的主理器的主频频频频从从25MHz25MHz700MHz700MHz不等，不等， 它它们们们们的能量消耗、大小、整合程度、价格等差的能量消耗、大小、整合程度、价格等差别悬别悬别悬别悬 殊，殊， 主要主要产产产产品的芯片型号有品的芯片型号有PowerPC 750PowerPC 750、PowerPC 405PowerPC 405 和和PowerPC440PowerPC440。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 3. MIPS处理器 MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的缩缩写，即“无内部互锁锁流水级级的微处处 理器”。 MIPS的机制是尽量利用软软件办办法避免流水线线中的数据 相关问题问题 ，最早在80年代初期由斯坦福（Stanford）大 学Hennessy教授领导领导 的研究小组组研制出来的。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 3. MIPS处理器 在嵌入式应应用方面，MIPS系列微处处理器是目前仅仅次于 ARM的使用最广泛的处处理器之一，其应应用领领域覆盖机顶顶 盒、游戏戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑电脑 等各个方面 。 MIPS的系统结统结 构及设计设计 理念比较较先进进，强调软调软 硬件 协协同提供性能，同时简时简 化硬件设计设计 。 MIPS IDF(MIPS Integrated Development Framework)集成开发发工具，特别别适用于嵌入式系统统的 开发发。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 4. Sparc处理器 Sparc处处理器是由著名的Sun公司自行研发发的微处处理器 芯片。 Sun在64位UltraSparc处处理器方面，主要有3个系列： 可扩扩展的s系列主要用于高性能、易扩扩展的多处处理器系统统 ；集成式i系列将多种系统统功能集成在一个处处理器上，为为 单处单处 理器系统统提供了更高的效益；嵌入式e系列为为用户户提 供理想的性能价格比，其嵌入式应应用包括瘦客户户机、电电 缆调缆调 制解调调器和网络络接口等。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 5. 龙芯一号处理器 龙龙芯一号处处理器是神州龙龙芯公司推出的兼顾顾通用及嵌 入式处处理器特点的新一代32位处处理器。 龙龙芯一号的投片成功，并通过过了以SPEC CPU2000为为 代表的一批性能和功能测试测试 程序的严严格测试测试 ，标标志着我 国在现现代通用微处处理器设计设计 方面实现实现 了“零“的突破， 打 破了我国长长期依赖赖国外CPU产产品的无“芯“的历历史，也标标 志着国产产安全服务务器CPU和通用的嵌入式微处处理器产业产业 化的开始。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 5. 龙芯一号处理器 龙龙芯一号在通用CPU体系结结构设计设计 方面采用了许许多先 进进的设计设计 与实现实现 技术术，尤其在动态动态 流水线线的具体实现实现 和 硬件对对系统统安全性的支持方面，有独特创创新并申请请了专专 利。 龙龙芯一号在片内提供了一种特别设计别设计 的硬件机制，可 以抗御缓缓冲区溢出攻击击，在硬件上根本抵制了缓缓冲区溢出 类类攻击击的危险险，从而大大的增加的服务务器的安全性。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 5. 龙芯一号处理器 使用龙龙芯一号CPU可以构成更为为安全的网络络安全服务务 器、网络络安全网关、网际际防火墙墙、服务务器网卡等对对网络络 安全有特殊需求的产产品及应应用。 龙龙芯系列微处处理器可广泛应应用于工业业控制、信息家电电 、通讯讯、网络设备络设备 、PDA、网络终络终 端、存储储服务务器、安 全服务务器等产产品上。 2.2.2 2.2.2 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器 2.1 2.1 引言引言 2.2 2.2 嵌入式处理器概述嵌入式处理器概述 2.32.3 ARMARM处理器基础处理器基础 2.42.4 ARMARM指令系指令系统统统统 2.52.5 ARMARM程序程序设计设计设计设计 基基础础础础 2.3 ARM处理器基础 2.3.1 ARM简介 2.3.2 ARM处理器系列 2.3.3 ARM处理器体系结构 2.3.4 ARM处理器应用选型 2.3.1 ARM简介 ARM处理器核因其卓越的性能和显著 优点，已成为高性能、低功耗、低成本 嵌入式处理器核的代名词，得到了众多 半导体厂家和整机厂商的大力支持。 2.3 ARM2.3 ARM处理器基础处理器基础 1. ARM处理器的发展过程 1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥剑桥 的 Acorn计计算机有限公司诞诞生，并成功的运行了测试测试 程序。 20世纪纪80年代后期，ARM很快开发发成Acorn的台式机 产产品，奠定了英国教育界计计算机技术术的基础础。 1990年，为为广泛推广ARM技术术而成立了Advanced RISC Machines Limited（简简称为为ARM Limited， ARM公司）。 2.3.1 ARM2.3.1 ARM简介简介 1. ARM处理器的发展过程 20世纪纪90年代， ARM32位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）处处理器扩扩展到世界范围围， 特别别是占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应统应 用 领领域的领领先地位。 ARM公司虽虽然只成立10多年，但在1999年因移动电动电 话话火爆市场场，其32位RISC处处理器占市场场份额额超过过了 50%，成为业为业 界龙头龙头 老大。2001年初，ARM公司的32 位RISC处处理器市场场占有率超过过了75%。 2.3.1 ARM2.3.1 ARM简介简介 1. ARM处理器的发展过程 ARM公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界 范围有超过100个合作伙伴包括半导体工业的著名公 司。ARM公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能 强，特有16/32位双指令集。ARM已成为移动通信、手 持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准 。 在所有ARM处处理器系列中，ARM7处处理器系列应应用最 广，采用ARM7处处理器作为为内核生产产芯片的公司最多。 2.3.1 ARM2.3.1 ARM简介简介 2. ARM处理器的特点 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很 好的兼容8位/16位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成，通过Load/Store结 构在内存和寄存器之间传递数据； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 2.3.1 ARM2.3.1 ARM简介简介 3. ARM系列采用的特别技术 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元进行算 术处理和移位处理； 使用地址自动增加（减少）来优化程序中的循环处理； Load/Store指令可以批量传输数据，从而提高数据传 输的效率； 所有指令都可以根据前面的指令执行结果决定是否执行 ，以提高指令执行的效率。 2.3.1 ARM2.3.1 ARM简介简介 4. ARM技术的突出成果 引入新颖的“Thumb”压缩指令格式，降低了小型系统 的成本和电源消耗； ARM9、ARM10、Strong ARM和ARM11等系列处理 器的开发，显著提高了ARM的性能，使得ARM技术在面 向高端数字音频、视频处理等多媒体产品的应用中更加广 泛； 先进的软件开发和调试环境加快用户产品的开发进程； 广泛的产业联盟使ARM的嵌入式应用领域更加广阔； 嵌入在复杂SoC中、基于ARM核的调试系统代表着当今 片上调试技术的前沿。 2.3.1 ARM2.3.1 ARM简介简介 ARM的发展历程 ARM的市场地理分部 2.3 ARM处理器基础 2.3.1 ARM简介 2.3.2 ARM处理器系列 2.3.3 ARM处理器体系结构 2.3.4 ARM处理器应用选型 2.3.2 ARM处理器系列 1. ARM7微处理器系列 2. ARM9微处理器系列 3. ARM9E微处理器系列 4. ARM10微处理器系列 5. SecurCore微处理器系列 6. StrongARM微处理器系列 7. Xscale处理器 2.3 ARM2.3 ARM处理器基础处理器基础 1. ARM7微处理器系列 ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器， 最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。 ARM7系列微处理器的主要应用领域为： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 u 工业控制 u Internet设备 u 网络和调制解调器设备 u 移动电话 u 1. ARM7微处理器系列 ARM7微处理器系列具有如下特点： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便。 l 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。 l 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。 l 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。 l 对操作系统的支持广泛。 l 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系 列兼容，便于用户的产品升级换代。 l 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜 任绝大多数的复杂应用。 1. ARM7微处理器系列 ARM7系列微处理器的组成 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 1. ARM7微处理器系列 ARM7TDMI ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式 RISC处理器，属于低端ARM处理器核。ARM7TMDI的 名称含义为： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 u ARM732位ARM体系结构4T版本， ARM6 32位整型核的3V兼容的版本 u T支持16为压缩指令集Thumb u D支持片上Debug u M内嵌硬件乘法器（Multiplier） u I嵌入式ICE，支持片上断点和调试点 1. ARM7微处理器系列 ARM7TDMI-S 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 u ARM7TMDI的可综合（Synthesizable） 版本（软核）； u 最适用于可移植性和灵活性为关键的现代 电子设计。 1. ARM7微处理器系列 ARM720T ARM720T是在ARM7TMDI处理器核的基础上 增加了一个8KB的指令和数据混合的Cache。外部存储 器和外围器件通过AMBA总线主控单元访问，同时还集 成了写缓冲器以及全性能的MMU。ARM720T最适合 用于低功耗和体积为关键的应用。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 2. ARM9微处理器系列 ARM9系列微处理器是在高性能和低功耗特性方面最 佳的硬件宏单元。 ARM9将流水线级数从ARM7的3级增加到5级，并使 用指令于数据存储器分开的哈佛（Harvard）体系结构 。在相同工艺条件下，ARM9TMDI的性能近似为 ARM7TMDI的2倍。 ARM9系列微处理器的主要应用领域为：引擎管理、 无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机 、PDA、网络电脑、数字照相机和数字摄像机等。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 ARM9微处理器系列具有如下特点： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 5级整数流水线，指令执行效率更高。 l 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 l 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 l 支持32位的高速AMBA总线接口。 l 全性能的MMU，支持多种主流嵌入式操作系统。 l MPU支持实时操作系统。 l 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和 数据处理能力。 2. ARM9微处理器系列 2. ARM9微处理器系列 ARM9系列微处理器的组成 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 3. ARM9E微处理器系列 ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理 器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案 ，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系 列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要 同时使用DSP和微控制器的应用场合。 ARM9E系列微处理器广泛应用于硬盘驱动器和DVD播放 器等海量存储设备、调制解调器和软调制解调器、PDA、店 面终端、MPEG MP3音频译码器、语音识别与合成，以及 包括巡航控制和反锁刹车等自动控制解决方案。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 ARM9E微处理器系列具有如下特点： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 支持DSP指令集，适合需要高速数字信号处理的场合。 l 提供1.1MIPS/MHz的5级整数流水线和哈佛结构，指令执行效 率更高。 l 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 l 支持32位的高速AMBA总线接口。 l 支持VFP9浮点处理协处理器。 l 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种 主流嵌入式操作系统。 l MPU支持实时操作系统。 l支持数据Cache和指令Cache，有更高的指令和数据处理能力。 l主频最高可达300MIPS。 3. ARM9E微处理器系列 3. ARM9E微处理器系列 ARM9E系列微处理器的组成 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 4. ARM10微处理器系列 ARM10系列微处理器属于ARM处理器核中的高端处理 器核，具有高性能、低功耗的特点。 由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较 ，在同样时钟频率下，ARM10的性能提高了近50。同 时，ARM10系列微处理器采用了两种先进的节能方式， 使其功耗极低。 ARM10系列微处理器专为数字机顶盒、管理器（ organizer）和智能电话等高效手提设备而设计，并为复 杂的视频游戏机和高性能打印机提供高级的整数和浮点运 算能力。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 4. ARM10微处理器系列 ARM10微处理器系列具有如下特点： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 支持DSP指令集。 l 6级整数流水线，指令执行效率更高。 l 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 l 支持32位的高速AMBA总线接口。 l 支持VFP10浮点处理协处理器。 l 全性能的MMU，支持多种主流嵌入式操作系统。 l 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和 数据处理能力。 l 主频最高可达400MIPS。 l 内嵌并行读/写操作部件。 4. ARM10微处理器系列 ARM10系列微处理器的组成 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 5. SecurCore微处理器系列 SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了 完善的32位RISC技术的安全解，决方案具有特定的抗篡改 （resist tampering）和反工程（reverse engineering）特性。 SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功 耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安 全解决方案的支持。 SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求 较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子 银行业务、网络和认证系统等领域。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系 结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如 下的特点： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数 据的安全。 l 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 l 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 5. SecurCore微处理器系列 5. SecurCore微处理器系列 SecurCore系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四种类型，以适用 于不同的应用场合。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 6. StrongARM微处理器系列 1995年，ARM、Apple和DEC公司联合声明将开发 一种应用于PDA的高性能 、低功耗、基于ARM体系结 构的StrongARM微处理器。 1998年Intel公司接管Digital半导体公司到现在，采 用了同样的技术，并且进一步考虑了功耗效率，设计了 StrongARM SA110，并成为高性能嵌入式微处理器 设计的一个里程碑。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 6. StrongARM微处理器系列 StrongARM SA-1100处理器是采用ARM体系结构 高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Intel公司 的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采 用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel 技术优点的体系结构。 Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费 类电子产品的理想选择，已成功应用于康柏的iPAQ H3600 Pocket PC、惠普的Jonada Handheld PC和 Java技术支持的Palmtop掌上电脑等多种产品中。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 StrongARM的主要特点有： 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 具有寄存器前推的5级流水线； l 除了64位乘法、多寄存器传送和存储器/寄存器交换指 令外，其他所有普通指令均是单周期指令； l 低功耗的伪静态操作； l 不论处理器的时钟频率有多高，乘法器均以每周期计算 12位、用13个时钟周期计算两个3位操作数的乘法； l 使用系统控制协处理器来管理片上MMU和Cache资源 ，并且集成了JTAG边界扫描测试电路以支持印制板连接 测试。 6. StrongARM微处理器系列 7. Xscale处理器 Intel Xscale处理器基于ARMv5TE体系结构，是一款 全性能、高性价比、低功耗的处理器。 它提供了从手持互联网设备到互联网基础设施产品的全 面解决方案，支持16位的Thumb指令和DSP指令集。 基于Xscale技术开发的系列微处理器，由于超低功率 与高性能的组合使其适用于广泛的互联网接入设备，在因 特网的各个应用环节中表现出了令人满意的处理性能。 Intel Xscale微处理器结构对于诸如数字移动电话、个 人数字助理和网络产品等广泛的市场都具有关键的优点。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 Xscale处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理 器，处理速度是StrongARM处理速度的2倍。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 l 数据Cache的容量从8KB增加到32KB； l 指令Cache的容量从16KB增加到32KB； l 微小数据Cache的容量从512字节增加到2KB； l 为提高指令执行速度，超级流水线结构由5级增至7级； l 新增乘法/加法器MAC和特定的DSP型协处理器CP0， 以提高对多媒体技术的支持； l 动态电源管理，使时钟频率可达1GHz、功耗低至1.6W ，并能达到1,200MIPS。 7. Xscale处理器 2.3 ARM处理器基础 2.3.1 ARM简介 2.3.2 ARM处理器系列 2.3.3 ARM处理器体系结构 2.3.4 ARM处理器应用选型 2.3.3 ARM处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 2. ARM体系结构的演变 3. ARM/Thumb体系结构版本命名 2.3 ARM2.3 ARM处理器基础处理器基础 1. ARM体系结构的基本版本 为了精确表述在每个ARM实现中所使用的指令集，迄 今为止，将其定义了6种主要版本，分别用版本号16表 示。 2.3.2 ARM2.3.2 ARM处理器系列处理器系列 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 ARM体系结构版本v1对第一个ARM处理器进行描述 ，从未用于商用产品。 版本v1的地址空间是26位，仅支持26位寻址空间， 不支持乘法或协处理器指令。 基于该体系结构的ARM处理器应用在BBC微计算机 中，虽然这种微型计算机制造得很少，但它标志着 ARM成为第一个商用单片RISC微处理器。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v1 版本v1包括下列指令： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 l 基本的数据处理指令（不包括乘法指令）； l 基于字节、字和半字的加载/存储（Load/Store ）指令； l 分支（Branch）指令，包括分支与链接指令； l 软件中断指令（SWI），用于进行操作系统调用。 1. ARM体系结构的基本版本 版本v1 版本v1现已废弃不用。 以ARMv2为核的Acorn公司的Archimedes和 A3000批量销售，它使用了版本v2的体系结构。 版本v2仍然只支持26位的地址空间，但包含了对 32位结果的乘法指令和协处理器的支持。 版本v2a是版本v2的变种，ARM3芯片是采用了版 本v2a和第一片具有片上Cache的ARM处理器。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v2 版本v2（2a）通过增加下列指令对体系结构版本v1 进行了扩展，即： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 l 乘法和乘加指令； l 支持协处理器的指令； l 对于快速中断（FIQ）模式，提供了2个以上的影 子寄存器； l SWP指令和SWPB指令。 1. ARM体系结构的基本版本 版本v2 版本v2现已废弃不用。 ARM作为独立的公司，在1990年设计的第一个微处 理器ARM6采用的是版本v3的体系结构。 版本v3作为IP核、独立的处理器（ARM60）、具有 片上高速缓存、MMU核写缓冲的集成CPU（用于 Apple Newton的ARM600、ARM610）所采纳的体 系结构而被大量销售。 版本v3的变种版本有版本v3G和版本v3M。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v3 版本v3较以前的版本发生了如下的变化： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 l 地址空间扩展到32位； l 分开的当前程序状态寄存器CPSR和程序状态 寄存器SPSR； l 增加了两种异常模式； l 增加了2个指令（MRS和MSR； l 修改了过去用于从异常（exception）返回的 指令的功能。 1. ARM体系结构的基本版本 版本v3 体系结构版本v4是第一个具有全部正式定义的体系 结构版本，它增加了有符号、无符号半字和有符号字 节的加载/存储指令，并为结构定义的操作预留一些 SWI空间；引入了系统模式，并将几个未使用指令空 间的角落作为未定义指令使用。 在体系结构版本4的变种版本4T中，引入了16位 Thumb压缩形式的指令集。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v4 与版本v3相比，版本4增加了下列指令： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 l 有符号、无符号的半字和有符号字节的Load和 Store指令； l 增加了T变种； l 增加了处理器的特权模式。 1. ARM体系结构的基本版本 版本v4 版本v4不再强制要求与26位地址空间兼容，而且还 清楚的指明了哪些指令将会引起未定义指令异常。 体系结构版本v5通过增加一些指令以及对现有指令 的定义略作修改，对版本v4进行了扩展。 版本v5主要由两个变种版本v5T和v5TE组成。 ARM10处理器是最早支持版本v5T（很快也会支持 v5TE版本）的处理器。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v5 版本v5T是体系结构版本4T的扩展集，加入了BLX 、CLZ和BRK指令。 为了简化那些同时需要控制器和信号处理功能的系 统设计任务，版本v5TE在体系结构版本v5T的基础上 增加了信号处理指令集，并首先在ARM9E-S可综合核 中实现。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v5 版本v5主要有如下扩展： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 l 提高了T变种中ARM/Thumb之间切换的效率； l 让非T变种和T变种一样，使用相同的代码生成技术； l 增加了一个计数前导零（Count Leading Zeroes，CLZ）指 令，该指令允许更有效的整数除法和中断优先程序； l 增加了软件断点(BKPT)指令； l 为协处理器设计提供了更多的可选则的指令； l 对由乘法指令如何设置条件码标志位进行了严密的定义。 1. ARM体系结构的基本版本 版本v5 ARM体系结构版本v6是2001年发布的。 新架构版本v6在降低耗电量的同时，强化了图形处理 性能。 通过追加了能够有效进行多媒体处理的SIMD功能， 将其对语音及图像的处理功能提供到原机型的4倍。 版本v6首先在2002年春季发布的ARM11处理器中 使用。除此之外，版本v6还支持多种微处理器内核。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 版本v6 ARM 体系结构更新 2.3.3 ARM处理器体系结构 1. ARM体系结构的基本版本 2. ARM体系结构的演变 3. ARM/Thumb体系结构版本命名 2.3 ARM2.3 ARM处理器基础处理器基础 Thumb指令集是ARM指令集的重编码子集。 Thumb指令（16位）是ARM指令（32位）的一半 长，因此使得Thumb指令集可得到比ARM指令集更高 的代码密度，这对于降低产品成本是非常有意义的。 对于支持Thumb指令的ARM体系版本，一般通过增 加字符T来表示（如v4T）。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 2. ARM体系结构的演变 Thumb指令集（T变种） ARM指令集的长乘法指令是一种生成64位相乘结果 的乘法指令。 与乘法指令相比，M变种增加了以下两条指令： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 2. ARM体系结构的演变 长乘法指令（M变种） l 一条指令完成32位整数乘以32位整数，生成 64位整数的长乘操作（即323264）； l 另一条指令完成32位整数乘以32位整数，然后 再加上一个32位整数，生成64位整数的长乘加操 作（即32323264）。 需要这种长乘法的场合M变种非常适合。但是，M 变种包含的指令意味着乘法器须相当大，因此，在对 芯片尺寸要求苛刻而乘法性能不太重要的系统实现中 ，就不适合添加这种相当耗费芯片面积的M变种。 M变种首先在ARM体系版本v3中引入。 对于支持长乘法ARM指令的ARM体系版本，使用 字符M来表示。 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理器体系结构 2. ARM体系结构的演变 长乘法指令（M变种） ARM指令集的E变种包括一些附加指令。 在完成典 型的DSP算法方面，这些附件指令可以增强ARM处理 器的性能。它们包括： 2.3.3 ARM2.3.3 ARM处理器体系结构处理